使用微波频率和射频谐振器的测量方法被认为是获得测量数据以计算各种材料中水的重量、湿度或含量的最精确方法。
微波频率的优点
如今，高达100ghz的微波频率正越来越多地被用于工业应用。当使用与材料相适应的特殊谐振器时，可以可靠地获得复介电常数和复磁导率等电气数据，进而准确地计算水的重量、湿度或含量。由于可用的微波频率范围很广，因此可以根据材料定制测量方法。此外，微波水分仪提供了整体的易用性，特别是与核水分仪相比。
谐振器是在一定频率下产生共振的高质量因子（Q因子）结构。腔体区域内的样品材料影响腔体的中心频率和Q因子。有各种各样的共振技术，但微扰法是最常用的技术。材料的介电常数和磁导率等电参数可以通过f-Res空载和f-Res加载之间的频移来确定。Q系数是根据共振时的频率3dB计算的，在标记为flu/flo和fuu/fuo的图中。当测量共振频率的偏移和Q因子时，可以确定两个相应的物理数据，例如重量和湿度。在许多情况下，只需要一个物理数据；因此，只需要测量共振频率或Q因子的变化，而不是同时测量两者。典型的谐振腔法测量系统由谐振腔、信号处理部分和计算机软件控制组成。
使用基于微波谐振器技术的海默生高精度水分仪，用户除了可以识别可能与这些材料接触的外来颗粒或物质外，还可以测量各种材料的水分、质量和密度特性。这项技术特别有利于在生产过程中测定纸张的含水量。控制水和木材的混合物或成分的能力有助于优化纸张制造商的质量、生产能力和总体制造成本。
案例研究：纸张含水量的测量
纸张生产中最严重的问题之一是当材料变得太干或太湿时，因为必须丢弃纸张，浪费制造商的时间和金钱。这可以通过控制生产空间内的湿度来防止。利用微波谐振水分仪的高速测量技术，造纸厂可以精确地保持在理想湿度范围（约4%至8%）内，从而消除了水分的威胁。水分仪可以在不接触材料的情况下测量纸张的表面和内部，还能够测量纸张上的胶层和印刷油墨的干燥度。
安装海默生微波水分仪后，该装置通过探头对纸张进行非接触测量，探头可检测任何固体、液体、气体和颗粒材料（在本例中为纸张）。（见图1）然后，谐振器确定纸张的含水量。纸张质量/纸浆通过网状载体运输，水分仪直接安装在载体下方。（见图2。）使用特殊的矢量网络分析仪配置测量得到的共振频率。（见图3）使用数字信号处理，进行非常精确和快速的测量，通常速度高达每秒10000个样本。这个过程的最后一步是数据分析，它向造纸厂提供水分、残余水分、质量、密度和外来颗粒的测量结果。然后，纸张制造商对结果进行评估，以确定是否需要对生产过程进行任何调整。
图 1. 基于谐振腔的测量系统
图2. 单面谐振器安装水分仪系统图
图 3. 矢量网络分析仪测量共振频率（速度高达每秒10000个样本）。蓝色曲线表示无纸共振器测量（供比较）。红色曲线表示用纸张测量谐振器。红色曲线的峰值表示谐振器频率值，在本例中等于F1。频移与纸张质量的含水量相对应。
图 4. 确定谐振腔频率值与含水量关系的校准曲线。
用户界面
基于微波谐振器的海默生水分仪（如本应用中使用的水分仪）与广泛的工业标准通信接口兼容，这些接口监视和控制水分仪的功能。由于水分仪数据接口的通用设计，通信接口和定制接口板可以很容易地添加到水分仪中，以便将水分仪最佳集成到特定环境中。
海默生微波水分仪的通信模块配备了标准的IEEE 802.3以太网接口，因此制造商可以通过简单的计算机设置直接访问水分仪的数据。该水分仪还支持符合ISO 11898的CAN 2.0接口，因此可以完全集成在包含各种水分仪和执行器的生产环境中。
对于恶劣的环境，水分仪包括一个DIN66258电流回路串行接口。
利用其中一个端口，可以方便地从水分仪中读取重要的操作数据，为制造商提供进一步的易用性。
射频谐振器的优点
除了精确测量纸浆中的纤维含量外，采用基于微波谐振器技术的无创非接触传感技术的制造商还提供了许多其他测量方法无法提供的附加优势。
例如，谐振器技术使制造商能够以比替代系统快得多的速率测量非常小的样品，小到1立方米，具有精确的精度。每秒 10000 个样品的快速测量使其成为造纸制造行业等要求苛刻的在线应用的理想选择。
微波谐振器方法还能够表征低损耗材料和介电常数低的材料，这是其他电测量技术极难测量的。介电常数低的物质包括一个完美的真空；干燥的空气；以及大多数纯净、干燥的气体，如氦和氮。介电常数适中的材料包括陶瓷、蒸馏水、纸张、云母、聚乙烯和玻璃。金属氧化物一般具有高的介电常数。
相对于传统用于测量纸张水分的核水分仪，基于射频技术的新型水分仪完全消除了核水分仪的弊端，使用户能够避免专门处理和培训员工所需的成本和时间。核水分仪总是含有一定数量的放射性物质；因此，制造商在向某些国家分发设备时面临限制，或者可能需要申请特别批准才能出口。这些问题可以通过使用射频水分仪来避免，而射频水分仪不受这些限制的影响。由于放射性废物对大多数形式的生命和环境有害，核水分仪也需要严格的废物处理程序，而这一程序受到政府的严格管制。使用基于射频的水分仪，制造商可以减少任何潜在的环境污染源，同时降低能源成本。
微波谐振器技术还使制造商能够使用带有通流谐振器或单面谐振器测量的水分仪。两个系统都执行非接触式测量，这意味着水分仪头不会接触到网状载体。带通流谐振器的水分仪通常用于测量一定尺寸的粉末、液体、颗粒或托盘。材料的尺寸是通流式谐振器的主要限制因素。在像纸张生产这样的应用中，生产线上一张纸的宽度可以达到6米，在大多数情况下，使用这种水分仪是不可能的，而且设计和制造成本极高。在这种情况下，采用单侧测量的水分仪是一种合适的解决方案。它也适用于生产过程中材料厚度变化较大的应用。这种水分仪类型可以很容易地集成到现有系统中。
结论
使用基于谐振器测量技术的水分仪，纸张制造商可以确定谐振器的最佳频率范围，从而以极高的精度确保纸张保持低含水量。这最终会提高产品质量和生产率。
使用这种技术的水分仪足够灵活，以保持低和高的水常数，因此，这是一种成本有效的解决方案，因为制造商可以使用一个水分仪用于双重目的。微波谐振腔测量技术还确保了纸张中水分的缓慢降解，这对生产优质纸张至关重要。
基于微波谐振器技术的射频水分仪还可以应用于其他行业，如食品、烟草、制药、汽车、回收和化学品，以测量水分、质量和密度，以及识别外来颗粒和介电性能。由于质量保证在任何制造业中都是至关重要的，因此射频水分仪让企业安心，使其材料达到并超过质量预期，从而能够向消费者提供最好的产品。
