微波檢測實驗
——微波相位與含濕物質含水量變化關系的研究

徐少磊 孫文光

(同濟大學物理系,上海 200092)

微波檢測實驗
——微波相位與含濕物質含水量變化關系的研究

徐少磊 孫文光

(同濟大學物理系,上海 200092)

指出了在物理實驗課程中開設微波實驗的必要性,介紹已經開展的微波實驗項目,著重介紹在測定含濕物質含水量的微波檢測實驗中進行的有關微波相位與含水量變化關系的研究,并說明該實驗的特點和意義.

微波檢測;反射法;含水量;相位

1 引言

在科學技術迅猛發展、日新月異的今天,大學的基礎課程也在項目和內容上不斷地充實和拓展.尤其是物理實驗這門大學重要的基礎課程,這方面更需要適應時代發展.現在是信息時代,技術上作為信息載體的微波在通信等許多工程技術領域正得到越來越廣泛的運用.微波技術與許多產業相結合形成了更多新的邊緣學科.所以在大學工科物理實驗課程中把相關的一些微波實驗充實進去也越來越得到大家的認同.我們在這方面也作了一些嘗試,開展了一些相關的微波測量和微波檢測的實驗.這里介紹的是在測定粉狀含濕物質含水量的微波檢測實驗中進行的有關微波相位與含水量變化關系的研究.

2 測定原理

含有濕度的物質一般是某種介質和水的混合物,其中的水分子在微波場的作用下產生了介質旋轉極化現象,從而消耗了微波的能量.含濕物質在微波頻段的復合介電常數和損耗角正切比這種物質脫水狀態要高得多,其含水量的少量變化將會導致其復合介電常數發生很大變化,所以微波反射法濕度測定就是根據被測物質的這種特性確定其含水量的高低的.如果通過含濕物質的微波為TEM波,則相應的衰減常數α和相位差β分別為

如果微波通過厚度為 l的測濕樣品后,其衰減量A和相位差φ分別為

其中,εγ,tanδ分別為復合介電常數和損耗角正切;λ為微波信號波長.

可見隨著樣品濕度不同,復合介電常數和損耗角正切的數值不同,微波通過樣品后的振幅和相位將隨著樣品的含水量而變化.

在實際應用中一般并不直接測量物質的復合介電常數,而是可以測量微波通過物質時的衰減常數或者是相移常數、相移量、諧振頻率等這樣的一些物理量的變化來間接測量物質的含水量變化.我們開展的這個研究是通過由實驗得出含水量h變化與通過樣品后的微波相位差之間的關系曲線來定標含水量百分比的.

3 實驗步驟及數據處理

3.1 實驗框圖和步驟

如圖1所示,本實驗是采用微波反射法測量含水量的方法,該方法通過運用微波雙 T分支元件的特性,比較從(1)、(2)兩路反射的微波信號在雙T對稱面反相疊加后通過(4)口輸出到示波器上顯示出微波通過樣品后相位的微小變化.

圖1 實驗測量系統方框圖

具體實驗步驟是:先調整精密衰減器和短路活塞使示波器顯示的波形的幅度為零(或最小).保持精密衰減器讀數不變.放入樣品后波形發生變化,調整短路活塞使示波器顯示波形恢復到原來狀態,記錄短路活塞讀數變化.再逐步改變樣品含水量,重復以上操作.

3.2 測量時有關的條件參數

碳酸氫鈉樣品重量為131.35(g);反射板到喇叭距離為13.700(cm);樣品容器到喇叭距離為2.860(cm);微波信號源頻率為 9.370(GHz);精密衰減器刻度讀數為1.3390(mm);用測量線測得信號源波長λ=2.314cm;未加水時初始相位φ′=0.639×2π(短路活塞初讀數為14.786mm),加水后相位表單位 rad.

3.3 數據關系曲線

圖2為碳酸氫鈉樣品含水量 h與微波相位差φ的關系圖,圖中標點的曲線是實驗數據繪就的材料含水量與相位變化關系曲線,光滑曲線是擬合修正后的關系曲線.修正曲線關系為

圖2 碳酸氫鈉樣品含水量 h與微波相位差φ的關系圖

4 數據分析

我們從實驗得到的數據進行分析,可以看出微波通過類似含一定濕度的碳酸氫鈉之類粉狀樣品后,含水量的變化會使信號的相位也發生比較明顯的變化,并呈現出一定的規律性.

我們從相關的圖表曲線知道,在一定的范圍內通過微波信號相位的變化能定標并測量類似樣品物質的含水量.

另外,我們把這個實驗的數據與以往用微波反射法測量含水量與微波信號通過樣品后幅度衰減變化的實驗數據進行比較后發現:微波相位對含水量的變化的反應較微波幅度衰減變化要靈敏一些.

不過,從數據也反映出在測量粉狀被測樣品含水量時,含水量測量的范圍還是比較有限,這需要在原來的基礎上進一步改進實驗方法.

5 結束語

本實驗巧妙地利用了微波雙T分支元件的特性,比較好地檢測出不同含水量的粉狀樣品對微波相位變化的影響.開展這一類微波實驗,進一步了解微波特性和它的一些應用,確實能對學生起到拓展知識面和開闊眼界的作用.

[1] 李緒益.電磁場與微波技術[M].廣州:華南理工大學出版社,2000.210

THE EXPERIMENT OF MICROWAVE DETECTION——THE RESEARCH OF CHANGES IN THE RELATIONSHIP BETWEEN MICROWAVE PHASE AND THE MOISTURE CONTENT OF MATERIAL MOISTURE CONTENT

Xu Shaolei Sun Wenguang
(Department of Physics,Tongji University,Shanghai 200092)

The essay has pointed out the necessity of establishing microwave experiment in the physics courses and instructs the carried out program of microwave experiment especially the research of changes in the relationship between microwave phase and the moisture content of material moisture content,it also illustrated the features and significance of the experiment.

microwave detection;reflection method;moisture content;phase

2009-05-13)