一、前言

微波是一种电磁波，利用微波在特定频段（1GZH-5GGZ）对水分子的敏感特性来测量物体中的含水率就是微波水分仪。当今微波水分测量技术越来越普遍的应用到各个行业。该测量技术主要用来监控生产过程中物料的水分含量，以便企业提高产品质量，有效控制生产过程，节约成本，提高生产效率和生产效益。

二、微波水分仪的基本组成与原理

微波水分仪通常由以下几部分组成：1发射天线、2接收天线、3微波功能发生器、4微波水分变送器、5校准软件。

其基本原理原理如下：发射天线把微波功能发生器的发出的微波能量微波穿透被测物料，到达接受天线，接收天线接收到微波能，然后反馈给微波变送器。当微波穿透物料时，由于物料中的水分子是极性分子，会吸收微波，产生键脚振动，将电磁能转化为热能。因此产生了微波相位的差别和振幅的衰减，依靠这两个量可以计算物料中水分的含量。这是微波测量的基本原理。

三、单频段（2.4GZH）微波水分仪测量时所面临的困难

采用2.4GHZ频段用来测量水分是一种聪明的选择，因为水分子在2.4GZH频段这个区间是最敏感的。而且市场上常用的无线通讯频段也是这个频段（如大家常用的无线WIFI）这样在仪器的生产过程中可以找到很通用的微波器件。

但是单纯的2.4GZH在做在线测量时面临很多的困难：因为微波能量的衰减和相位的变化不仅仅受物料的含水量变化而变化，它还受物料的温度、密度、厚度、粒度等种种因素影响，如果单纯采用能量衰减的比例关系来测量水分，必须会受以上因素影响，而无法精确测量，阻尼衰减测量时会遇到温度的影响，如下表所示：

上述表格显示，当温度变化10度时，每cm水分的阻尼数值变化非常明显。因此当实际测量时物料温度有大范围波动时，并且采用阻尼衰减来测量物料水分时，会受到温度变化的严重影响，因此一些微波测量系统必须要添加温度测量仪来进行温度补偿。

无论是采用相位差法或者是阻尼衰减法，都不可避免的会受物料密度变化的影响。当一定体积中被测物料的密度变化时，微波水分测量仪将无法精确的反应被测物料的真实含水量。比如：当一定体积的10公斤含水10%的烟包A经过微波测量仪时，微波测量仪反应该物料含水10%。当相同体积的20公斤含水10%的烟包B经过时，这时微波测量仪认为烟包B含水20%。因为烟包B的重量增加了，密度变大了，单位体积中水分含量增加了，但是实际上烟包B的真实水分含量还是10%。生产中物料的重量和密度是无法保持严格一致的。因此上述物料密度的变化对微波水分测量造成严重的不可避免的影响。

目前普通的微波水分测量仪为规避该上述影响，需采用了各种各样的补偿手段，主要有：重量补偿，密度补偿温度补偿等等。还有很多因素无法用补偿来完成的，比较配方的变化或原料自身产地、形态的变化都无法进行补偿。

四、 一种多频段微波水分仪

为了克服以上2.4GZH微波水分仪在测量时所遇到的困难，德国默斯（MOSYE）公司专门研发了一款基于1GHZ—5GZH这一微波带宽之间的连续多频谱微波水分仪。

德国默斯(MOSYE)公司为什么要采用多频连续微波来解决问题呢？请继续往下看。

微波测量水分主要因为水分的介电性质，介电常数可以表示为：

Ɛr = Ɛ´r -j(Ɛ´´r ơ/ωƐ0)

式中Ɛ´´r为介电损耗，ơ/ωƐ0为导电损耗，ω和微波频率成正比关系。当低频时，导电损耗占主导地位，因此需要提高频率，使介电损耗占优势，这样才能精确测量物料中的含水量。比如煤炭，煤炭中的矿物质容易在水中形成离子导电，产生导电损耗，当煤炭水分小于10%，微波发射频率在1GHz到3GHz之间时，导电损耗有明显的影响，使得微波衰减和含水量之间的关系并不明显。当微波频率高于3GHz后，介电损耗占优势，微波衰减和含水量成明显的线性关系，如下图所示：

因此不同的物料、不同的量程范围其水分子对微波能的吸收峰都是不同的，在一个宽频区间，如何选取适合的频率段只能由被测物当时的现场环境来决定。

因此采用多频连续微波频谱可以有效采集被测物在高低频区间的全部的微波特性。然后通过自学习的神经网算法，由仪器自主学习找到测量的最佳校准模型和曲线关系。

这样就为规避物料的温度、厚度、密度等因素带来的测量影响提供很好的方法。

所以：

默斯（MOSYE）公司的这款水分仪最大的特点在于采用连续多频谱分析方法，从1GHZ—5GHZ连续对被测物进行快速扫描，得到被测物的微波特性。然后，智能自学习的神经网算法，让仪器自主去学习被测特的微波特性。这种自学习算法，可以主动过滤和去除因物料温度、厚度、密度、粒度等因素带来的测量影响 ，从而实现精确的在线测量。

五、默斯多频微波与2.4G单频段微波的不同点

1、硬件上：

多频微波采用1GHZ—5GHZ的连续多频段微波，以每10µS一个扫描周期，以0.02GHZ为间隔连续从1GZH到5GHZ扫描100次。

多通道输出，可以同时测量水分和密度。

有远程校准、无线数据传输功能

有一键标定功能（在一定条件下）

单频段微波以2.4G为测量频段的单频微波，以每100MS为扫描周期，对被测物体进行单频段扫描。

2、软件上：

多频微波由于扫描次数多，测量频带宽（1-5GZH）每次测量可以得到更多的被测物微波特征。也能够得到更多的测量分辨率和测量点数。这为智能学习的神经网算法提供了良好的数据源。有了神经网算法，能够更好的适用于工况复杂，环境恶劣的在线测量领域。

自学习的神经网算法加上相位与频幅的比值算法，可以通过数据模型规避现场物料厚度、高度、密度、配方变化等带来的测量影响。并或以通过设置，自动过滤无效测量和干扰频谱。

2.4G单频段微波： 每次扫描测量只能得到一个微波阻尼值。这个阻尼值对应一个实验室测量值，然后形成线性校准曲线。

因此只能采用线性标定。单纯的阻尼线性标定校准，无法适用物料厚度的度化、物料皮带高度的变化、物料密度的变化、物料配方的变化、现场环境温湿度的变化所带来的阻尼变化对测量的影响。因此很难适用在线测量。

六、多频微波展示图解

1、多频谱展示

打开默斯的水分仪校准软件，读取测量频谱和测量值。在原始数据显示界面中可以看到每次扫描的频谱曲线图：如图1所示

图示中的每根折线，代表着每次测量从1GHZ—5GHZ的扫描频谱的微波能。

2、打开默斯水分仪的样品列表栏

可以看到每次测量取样系统5个平均频谱计算值对应的标实验室水分、仪器自动计算得到的测量水分、校准绝对差值等信息。如图所示：图4

图示中：W1,的值是1GHZ这个区间频谱值。W2,的值是2GHZ区间， W5是5GHZ区间的频谱值

黄色列H2O：是测量对应的实验室测量值 。

湖蓝色P.H2O：是默斯MOSYE仪器的测量值

天蓝色E.H2O：是实验值与默斯MOSYE仪器测量值之间的绝对误差值。

3、界面的右下角，可以即时展示校准模型的相关性趋势图

4、事实上，在默斯的仪器的分析主机界面上也可可以看到频谱变化的测量过程，如图所示：

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