射频介电测量

在介电模型的经典方法中，材料由原子组成。原子由中心处的正点电荷组成，周围环绕着负电荷云。负电荷云与正点电荷结合。原子之间的距离足够大，因此它们不会相互作用。这由图旁边的左上角表示。注意：请记住，模型并未试图透露任何有关物质结构的信息。它只是想描述电场与物质之间的相互作用。

在存在电场的情况下，电荷云会失真，如上图的右上角所示。

使用叠加原理，可以将其简化为简单的偶极子。偶极子的特征是其偶极矩。这是一个向量，显示为标有 M 的蓝色箭头。 电场和偶极矩之间的关系决定了介电的行为。 注意：事实证明，偶极矩指向与电场相同的方向。这并不总是正确的，但这是一个重大的简化，适用于许多材料。

当电场被移除后，原子会恢复到其原始状态。

通过介电测量测定水分

介电是材料的电气特性，与其在受电场影响时的行为有关。图 1 说明了材料的介电模型。介电常数或相对介电常数与材料相对于真空或更实际地说，与空气相对极化的难易程度有关。表 1 显示了几种常用材料的介电常数。通常，固体表现出相对较低的介电常数。例外情况包括二氧化钛（110）和许多钛酸盐。水具有很高的介电性；远高于石膏和大多数其他固体。因此，介电测量可以精确地分辨极少量的游离水。介电测试特别适用于确定石膏板和其他石膏产品中的水分含量。石膏本身的介电系数各不相同。它是晶体结构的函数，对于成品板，它是密度的函数。对于特定产品，这些值通常受到严格控制。

表 1

盐溶液的图显示了离子浓度对介电常数的影响有多小。请注意，对于液体，介电常数是针对特定温度给出的。温度对固体的影响通常很小，但对液体的影响可能很大。石膏板在第一区域干燥后的内部温度应保持在 100°C 左右，前提是石膏板没有过度干燥。因此，石膏板应用不需要温度补偿。

为了说明介电与成品石膏板中水分的关系，我们将假设典型的石膏介电值为：

干石膏板介电 = 3.0
含有 0.4% 游离水分的石膏板 = (0.996 x 3.0) + (0.004 x 80) = 3.308
含有 0.5% 游离水分的石膏板 = (0.995 x 3.0) + (0.005 x 80) = 3.385

ST-2200 型号能够轻松测量介电值，分辨率为 0.01，相当于石膏板中大约 0.013% 的水分含量。

谐振频率介电测量

已经使用了多种方法来确定材料的介电常数。无线电频率通常用于它能够穿透材料到很大的深度，并且能够在不接触材料的情况下进行测量。Sensortech Systems开发了一种使用射频测定介电的特定方法并申请了专利。这被称为共振频率技术。

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图 2 (b)
带介电介质的平行板电容器如前所述，介电是一种影响其在电场中的行为方式的材料特性。平行板电容器如图 2 (a) 所示。如果分隔板的介质是空气或真空，则电容由下式给出：

C = (ωo ⋅A)/d

哪里：
ωo = 可用空间的允许量 = 8.854 x 10-12
A = 板块面积
d = 板材的分离距离

当介电介质分离板块时，如图 2 (b) 所示，电容变为：

C = (ωo ⋅γr ⋅A)/d

哪里：
ωr = 介电常数

因此，电容与电场中材料的介电常数成正比。

C = K ⋅ωr

平行板电容传感器很少用于工业应用；首选单面传感器。

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图 3 (a) 是平行板电容器的示意图，显示了除边缘出现边缘的边缘以外的均匀电通量线。在电容器中，边缘场通常是不可取的，但在单面电容传感器中，它是唯一有用的磁场。

图 3 (b) 是平面传感器的横截面图，最常用于石膏板应用。中心元件将电场传播到接地侧板。一小部分磁场直接位于电极之间，但大多数是用于穿透电路板的边缘场。图 4 显示了平面传感器的照片。

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在电气方面，传感器，有时被称为天线，只是一个电容器。石膏产品的电气类比本身就是具有平行电阻的电容。电阻或电导代表电路板中的离子电导或介电损耗。

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图 5 (a) 显示了耦合到电容传感器的产品的电气原理图。气隙电容 (Ca) 将产品 (Cp) 耦合到传感器 (Cs)，因此必须保持恒定。将传感器安装在输送机滚轮之间，间隔在滚轮平面下方 6 毫米处，这样可以确保稳定的耦合电容，前提是滚轮处于合理的真实状态。电容可以合并为一个 (CT)，虽然数学上不正确，但可以简单地表示为 CT = Cs + Cp。

图 5 (b) 说明了由传感器电容与产品电容并联形成的谐振网络，也与电感器 (L) 并行。该网络具有独特的谐振频率，在该频率下，电感电抗抵消了电容电抗，网络阻抗达到最大值。共振时的阻抗实际上是电阻 (Rp)。

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谐振网络由合适的射频信号通过纯固定电阻 (Ro) 驱动，如图 6 (a) 所示。随着频率的增加，网络首先是感应的，具有前置相位角。在谐振时，所有无功元件都会被取消，电路是纯电阻性的。共振时，谐振网络上的信号振幅仅由 Ro、Rp 和驱动信号振幅决定。Ro 和 Rp 充当简单的电位分压器。

使用精密锁相环来调整信号频率以保持电阻器 Ro 的零相位角可确保网络始终处于谐振状态。

谐振频率定义为：

fo = 1/[2^√ (长 x CT)]

ST-2200 以 32 位分辨率测量该频率。一种专有的测量算法将传感器频率与两个参考频率相结合，产生的介电值基本上与环境温度和组件老化无关。

由此产生的原始介电可以看作是传感器电容（含产品）和精密参考电容器的函数。消除了电感和杂散电容。

水分与原始介电成正比。

给定线性关系，现在可以根据分析数据对仪器进行校准，以拟合以下形式的线性函数：

水分 = a x D + b

由于电容 CT 是传感器和产品的复合物，因此有必要消除传感器电容的影响。这是通过在不存在产品时测量传感器电容（Dz），然后以与减去电子秤类似的方式从未来的测量中减去该电容来实现的。此操作被称为 “预置零”，应定期执行以补偿天线的变化和天线上的产品积聚。