基于微波谐振腔的纸张含水量在线测量技术研究

摘要

纸张水分是纸张生产中的重要参数，水分值是纸张质量的主要指标，稳定纸张水分是保证纸张质量的基本要求。纸张水分在线测量可以较为全面的反映出纸张水分实时分布状况，它是纸张质量控制系统实现的基础。纸张水分在线测量主要有红外和微波两种方法。微波具有很强的穿透力，因此能够用于高克重纸张的水分在线无损测量。
　　本文所介绍的用于含水量在线测量的方法是微波谐振腔微扰法。微波谐振腔微扰指的是微波谐振腔内部填充物质的介电常数或者规格形状发生的微小变化会对谐振腔的电磁场分布产生微扰，此时微波谐振腔的谐振频率会产生相应变化。因此，当微波谐振腔内纸张水分发生改变时，会引起谐振腔内部介质介电常数的变化，最终反映到谐振频率变化。谐振腔测量系统就是通过对谐振频率的检测实现纸张含水量的在线测量。
　　本文按照项目对产品性能指标的要求进行了测量系统的研制，首先制定出总体设计方案，然后针对每个模块的具体要求完成设计与调试工作。文章围绕着系统的工作流程设计了软件程序并调试。最后利用实验验证系统的整体工作性能是否满足指标要求。本文的设计内容主要包括：
　　1、设计为系统提供扫描电压的积分电路。系统通过向微波频率源输入扫描电压产生扫频振荡的微波信号，因此合理控制扫描电压的范围可使在保证检出谐振点的同时减小杂波脉冲的干扰。
　　2、设计微分整形电路提取谐振脉冲前沿。系统通过计算谐振点处一定时间内的信号脉冲数来检测谐振频率差，因此准确地检测出谐振点是系统的首要任务。通过调试微分电路以及设计微分锁定环节减小了杂波脉冲以及环境噪声对测量过程的干扰。
　　3、设计探头温度控制电路。纸张含水量的测量受温度影响较大，因此设计温度控制回路，将探头温度保持在设定值。设计温度检测电路为系统提供表征探头温度的模拟电压信号，系统对此信号采样后通过 PID算法调节 PWM脉冲的占空比，并利用PWM脉冲控制探头内电加热器的功率，实现对探头温度的反馈控制。
　　4、设计主控电路和软件系统，实现系统的控制逻辑。设计人机通信模块，便于调整系统参数。设计信号转换模块，使系统输出符合设计指标要求的信号。
　　由于系统采用微波测量技术，因此可以将其应用于特种纸及高克重纸张、纸板的水分在线测量中。

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第一章 绪论

1.1 概述

1.2 国内外微波纸张水分测量技术的发展现状

1.3 课题主要研究内容

1.4 论文组成部分

第二章 系统的工作原理与总体设计

2.1 微波谐振腔微扰法测量水分的原理

2.2 基于微波谐振腔的纸张水分在线测量系统的工作原理

2.3 系统的性能指标要求

2.4 系统的硬件设计方案

2.5 系统的软件设计方案

2.6 本章小结

第三章 系统的硬件设计

3.1 系统的硬件组成

3.2 微波频率源

3.3 微波谐振腔

3.4 外围电路

3.5 主控电路

3.6 本章小结

第四章 系统的开发环境与软件设计

4.1 系统开发环境

4.2 系统软件设计

4.3 本章小结

第五章 实验研究

5.1 恒温控制实验

5.2 纸张含水量测量实验

5.3 纸样含水量曲线的标定

5.4 重复性试验

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

附录