对纸板含水率的精确要求，是纸板在生产过程中必不可少的依据，这是因为智能版含水率的多少决定着纸板的质量和密度。在进行纸板生产之前，对纸板含水率的测试调整，对纸板的质量的好坏和生产效率都有着很大的影响。为了不耽误生产的进程，需要相关的技术人员实时测量和控制纸板的含税率，无论是在生产前，生产中，还是生产后，都要不断测量纸板的含水率，力求使纸板的质量达到最好，同时又能够提高生产效率。对纸板的测量，除了实时测量，还包括在线、非接触、无损伤测量。
1 微波谐振腔微扰技术探讨
微波对于金属制的器皿中有着谐振的特点，也就是谐振腔。电磁能量在谐振腔内不能传递，只能来回震荡，因此电磁能量具有很高的品质因数。
1.1 在线检测系统
利用在线检测系统对纸板的含水率进行检测，其方法是通过测量纸板在谐振腔的谐振频率，将谐振频率相对与空载时的谐振频率的偏移值除以谐振频率的-3db宽带比值就可以得到纸板的含水率。在线监测系统的硬件设备包括微波电路、数据处理和人机交互。其中，DDS、检波器和微波信号源三部分组成了微波电路系统，而AD转换器、ARM处理器、LCD显示器、通讯构成了庞大的数据处理系统。探究系统结构示意图可知，其系统的工作流程大概可以总结为以下几个步骤：
（1）对于微波电路来说，其工作的原理和过程都比较简单，一开始通过DDS发射较低频率的扫频信号，微波发生器和PLL将扫频信号所产生出的稳定频率进行混频。
（2）同轴电缆将微波传输到谐振腔中。然而高质量的谐振腔将导致微波不断发生谐振的反应。在谐振腔这种激烈的反应下，其能量将会进入检波器，从而使谐振腔的功率被检测出来。
（3）这一步由ARM完成。检测波输出的信号值以及强度由ARM处理器进行信号的AD收集，并做进一步的分析探究。采用均值滤波后做出谐振曲线，并对曲线进行分析，可以通过做出的谐振曲线以及谐振点对应的谐振频率和谐振曲线的-3db宽带。
（4）根据 曲线上的数值计算出纸板的含水率，进而完成一次测试。但仅仅一次测试是不够的，对纸板含水量的精确测量需要不断重复上述过程，从而真正达到实时、在线的测量。
1.2 微波频率源设计
要想对纸板含水率的检测达到实时在线检测的要求，就要严格控制频率切换的速度以及输出的频谱纯度，越高的频率切换速度和越纯的频谱纯度，越有利于对纸板含水率进行精确的检测。例如，传统方法中所采用的扫频法PLL合成频率技术，既有其优势也有其劣势。其优势在于频率范围比较宽，频谱的纯度较高并且容易调整和控制；另外，该方法有很好的寄生抑制的特点。但其劣势也很明显，频率转换的速度太慢，耗费的时间较长，导致其转换频率较为困难，此外，频率分辨率较低，想要进行小范围的输入和输出则会恶化输出频谱的相位噪声。所以，可以看出PLL频率合成技术工作效率很低，并且很难运用于对频率的速度有着严格要求的场合。近几年来，DDS技术不断飞速发展和日趋成熟，被更加广泛得运用到频率合成技术中，其显而易见的优势弥补了传统的PPL技术，DDS技术有着技高超的捷变速度，能够应对高频率速度的要求，超高的连续性以及精细的分辨率可以轻而易举的完成不同频率、幅度及相位间的转换和调整。但与此同时，DDS也存在着不足之处，该项技术所输出宽带幅度比较小以及散杂指标较低。因此，可以结合DDS和PLL技术，即DDS+PLL频率合成方法。这两项技术可以相互借鉴彼此优势，取长补短，产生既有很高纯度的频谱，又有较高频率的扫描信号。这是一种可行有合理的解决方案，既能提高工作效率，也能精确测量纸板的含水率。
其工作的过程为：将DDS长生的低频率信号与PLL产生的固定频率信号进行混合，以达到较高的频率的扫描信号时，其输出频率再通过过滤波过滤掉较小的频率。因为通过DDS输出的频率不再经过PPL倍频，因此，通过DDS输出的噪音和杂散将不会在输出端进行恶化，所以该方案具有见底噪音和杂散性以及提高频率的优点，该能够符合并满足对纸板含水率进行实时在线测量时的严格要求。
2 实验及结果分析
对试验结果进行分析是不断改进和完善对纸板含水率检测的必然要求，其中表达式的建立及含水率最小二乘法的标定是对试验结果进行分析的两个重要方法。
2.1 建立表达式测量含水率
定义的纸板含水率表达方程式为：
M=mW/（mW+mD）×100%
在做实验之前，我们依据计划采用不同含水率的纸板进行含水率的测量，通过固定纸板的材质来判断每次测试的结果受到哪些因素的影响。通过微波谐振腔测量并记录含水率在其相对的空间里的频率偏移值Δf，还包括半功率带宽的变化量Δω。对含水率的微波参量进行测试之后，下一步要用电子天平秤测量其质量，进而把其放在105℃的烘箱内进行6个小时的烘烤，目的是测量其干燥质量mD，根据其湿重mW+mD和干重mD，就可以进一步计算出其对应的含水率。另外一种测试方法是，对相同含水率的样本进行反复多次的测量求取其平均值，这种做法可以大大减少人为带来的误差，使测量的结果更加精确。最后把数据输入系统之后，可以得出实验结果的直线方程式，将该方程式拟合后存入存储器。方便在以后对纸板的测量中，可以更加方便地通过计算测量就可以得到的频率偏移值Δf以及半功率带宽变化量Δω的比值，将获取到数值带入其中的方程式即可以准确无误地计算出纸板的含水率。建立表达式的这种方法极大地降低了测量误差，后期相关的技术人员可以通过多次反复的试验完善这个方程式，使测量结果更加准确，更加具有参考意义。
2.2 最小二乘标定测量含水率
纸板的含水率最小二乘法定义的表达式：
M=Mw/（Mw+Md）×100%=k×Δf/Δω+b
其中，Δf为谐振频率的偏移值，Δω为-3db带宽的变化量，k和b为待测系数。采用含水率不同的纸板，在保证纸板材质相同的情况下，测试纸板在微波谐振腔里的频率偏移值Δf，以及在半功率状态下的宽带变化值Δω，与建立表达式的放法一样，将其放进烤箱里进行6个小时的烘干，采用烘干发作为计算的标准，计算出纸板的含水率。同样，将计量处的偏移值Δf以及包括半功率带宽变化量Δω的比值以及其对应的含水率值输入到存储系统里，将会得出测量纸板含水率的曲线方程式。在进行实验之前，要准备好高精度的电子天平，这对于测量纸板的含水率非常重要。对纸板进行含水率的测量仅仅一次是远远不够的，因为每次测量都会不同程度地受到人为因素的影响，换不同的人采用相同的方法其结果也是不一样的。在实验过程中，要利用高精度的电子天平秤，反复测量同意含水率的纸板，避免因每次实验的失误而导致实验结果的误差。因此，可以对此实验结果的数据取平均值，力求算出最精确的结果，不断提高试验结果的精确度是进行实验的最终目的。从多次的实验数据来分析，纸板的含水率大多数情况下在3%～15%之间与Δf/Δω呈线性关系，并且经过反复的试验得到纸板含水率的数学表达式：
M =mW/（mW+mD）×100%=-1.78×ΔfΔω+23.47
该数学表达式是经过多次实验结果总结出来的，具有极大的参考意义。每次测量数值都可以代入这个方程式来计算出另一个数值，这种方法极大地节省了时间，提高了测量的精确度。
4 结语
研究表明，利用微波谐振腔系统来测量纸板含水率的方法与其他方法相比有着很大的优点。反复的实验结果可以表明，该方法测量的结果比较稳定可靠，不受外界环境的影响，可以及时快速地进行纸板含水率的测量，并且结果准确度较高。此外，该方法的测量范围较为广泛，还可以用于纸张、木材类的含水率测量，有着非常广泛的工业应用前景。测量纸板含水率的方法还有红外线法，相比于微波谐振腔系统，红外线法操作简单，但在测量的过程中会受到外界光线的影响。
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（作者云建斌供职于内蒙古自治区产品质量检验研究院）
