徐少磊 孫文光

(同濟(jì)大學(xué)物理系,上海 200092)

微波檢測(cè)實(shí)驗(yàn)
——微波相位與含濕物質(zhì)含水量變化關(guān)系的研究

徐少磊 孫文光

(同濟(jì)大學(xué)物理系,上海 200092)

指出了在物理實(shí)驗(yàn)課程中開(kāi)設(shè)微波實(shí)驗(yàn)的必要性,介紹已經(jīng)開(kāi)展的微波實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,著重介紹在測(cè)定含濕物質(zhì)含水量的微波檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行的有關(guān)微波相位與含水量變化關(guān)系的研究,并說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和意義.

微波檢測(cè);反射法;含水量;相位

1 引言

在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展、日新月異的今天,大學(xué)的基礎(chǔ)課程也在項(xiàng)目和內(nèi)容上不斷地充實(shí)和拓展.尤其是物理實(shí)驗(yàn)這門大學(xué)重要的基礎(chǔ)課程,這方面更需要適應(yīng)時(shí)代發(fā)展.現(xiàn)在是信息時(shí)代,技術(shù)上作為信息載體的微波在通信等許多工程技術(shù)領(lǐng)域正得到越來(lái)越廣泛的運(yùn)用.微波技術(shù)與許多產(chǎn)業(yè)相結(jié)合形成了更多新的邊緣學(xué)科.所以在大學(xué)工科物理實(shí)驗(yàn)課程中把相關(guān)的一些微波實(shí)驗(yàn)充實(shí)進(jìn)去也越來(lái)越得到大家的認(rèn)同.我們?cè)谶@方面也作了一些嘗試,開(kāi)展了一些相關(guān)的微波測(cè)量和微波檢測(cè)的實(shí)驗(yàn).這里介紹的是在測(cè)定粉狀含濕物質(zhì)含水量的微波檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行的有關(guān)微波相位與含水量變化關(guān)系的研究.

2 測(cè)定原理

含有濕度的物質(zhì)一般是某種介質(zhì)和水的混合物,其中的水分子在微波場(chǎng)的作用下產(chǎn)生了介質(zhì)旋轉(zhuǎn)極化現(xiàn)象,從而消耗了微波的能量.含濕物質(zhì)在微波頻段的復(fù)合介電常數(shù)和損耗角正切比這種物質(zhì)脫水狀態(tài)要高得多,其含水量的少量變化將會(huì)導(dǎo)致其復(fù)合介電常數(shù)發(fā)生很大變化,所以微波反射法濕度測(cè)定就是根據(jù)被測(cè)物質(zhì)的這種特性確定其含水量的高低的.如果通過(guò)含濕物質(zhì)的微波為TEM波,則相應(yīng)的衰減常數(shù)α和相位差β分別為

如果微波通過(guò)厚度為 l的測(cè)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(fù)合介電常數(shù)和損耗角正切;λ為微波信號(hào)波長(zhǎng).

可見(jiàn)隨著樣品濕度不同,復(fù)合介電常數(shù)和損耗角正切的數(shù)值不同,微波通過(guò)樣品后的振幅和相位將隨著樣品的含水量而變化.

在實(shí)際應(yīng)用中一般并不直接測(cè)量物質(zhì)的復(fù)合介電常數(shù),而是可以測(cè)量微波通過(guò)物質(zhì)時(shí)的衰減常數(shù)或者是相移常數(shù)、相移量、諧振頻率等這樣的一些物理量的變化來(lái)間接測(cè)量物質(zhì)的含水量變化.我們開(kāi)展的這個(gè)研究是通過(guò)由實(shí)驗(yàn)得出含水量h變化與通過(guò)樣品后的微波相位差之間的關(guān)系曲線來(lái)定標(biāo)含水量百分比的.

3 實(shí)驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)處理

3.1 實(shí)驗(yàn)框圖和步驟

如圖1所示,本實(shí)驗(yàn)是采用微波反射法測(cè)量含水量的方法,該方法通過(guò)運(yùn)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(hào)在雙T對(duì)稱面反相疊加后通過(guò)(4)口輸出到示波器上顯示出微波通過(guò)樣品后相位的微小變化.

圖1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)方框圖

具體實(shí)驗(yàn)步驟是:先調(diào)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(shù)不變.放入樣品后波形發(fā)生變化,調(diào)整短路活塞使示波器顯示波形恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài),記錄短路活塞讀數(shù)變化.再逐步改變樣品含水量,重復(fù)以上操作.

3.2 測(cè)量時(shí)有關(guān)的條件參數(shù)

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(hào)源頻率為 9.370(GHz);精密衰減器刻度讀數(shù)為1.3390(mm);用測(cè)量線測(cè)得信號(hào)源波長(zhǎng)λ=2.314cm;未加水時(shí)初始相位φ′=0.639×2π(短路活塞初讀數(shù)為14.786mm),加水后相位表單位 rad.

3.3 數(shù)據(jù)關(guān)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(guān)系圖,圖中標(biāo)點(diǎn)的曲線是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪就的材料含水量與相位變化關(guān)系曲線,光滑曲線是擬合修正后的關(guān)系曲線.修正曲線關(guān)系為

圖2 碳酸氫鈉樣品含水量 h與微波相位差φ的關(guān)系圖

4 數(shù)據(jù)分析

我們從實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可以看出微波通過(guò)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(huì)使信號(hào)的相位也發(fā)生比較明顯的變化,并呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性.

我們從相關(guān)的圖表曲線知道,在一定的范圍內(nèi)通過(guò)微波信號(hào)相位的變化能定標(biāo)并測(cè)量類似樣品物質(zhì)的含水量.

另外,我們把這個(gè)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)與以往用微波反射法測(cè)量含水量與微波信號(hào)通過(guò)樣品后幅度衰減變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn):微波相位對(duì)含水量的變化的反應(yīng)較微波幅度衰減變化要靈敏一些.

不過(guò),從數(shù)據(jù)也反映出在測(cè)量粉狀被測(cè)樣品含水量時(shí),含水量測(cè)量的范圍還是比較有限,這需要在原來(lái)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法.

5 結(jié)束語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)巧妙地利用了微波雙T分支元件的特性,比較好地檢測(cè)出不同含水量的粉狀樣品對(duì)微波相位變化的影響.開(kāi)展這一類微波實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步了解微波特性和它的一些應(yīng)用,確實(shí)能對(duì)學(xué)生起到拓展知識(shí)面和開(kāi)闊眼界的作用.

[1] 李緒益.電磁場(chǎng)與微波技術(shù)[M].廣州:華南理工大學(xué)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)