微波检测实验——微波相位与含湿物质含水量变化关系的研究

徐少磊 孙文光

(同济大学物理系,上海 200092)

微波检测实验
——微波相位与含湿物质含水量变化关系的研究

徐少磊 孙文光

(同济大学物理系,上海 200092)

指出了在物理实验课程中开设微波实验的必要性,介绍已经开展的微波实验项目,着重介绍在测定含湿物质含水量的微波检测实验中进行的有关微波相位与含水量变化关系的研究,并说明该实验的特点和意义.

微波检测;反射法;含水量;相位

1 引言

在科学技术迅猛发展、日新月异的今天,大学的基础课程也在项目和内容上不断地充实和拓展.尤其是物理实验这门大学重要的基础课程,这方面更需要适应时代发展.现在是信息时代,技术上作为信息载体的微波在通信等许多工程技术领域正得到越来越广泛的运用.微波技术与许多产业相结合形成了更多新的边缘学科.所以在大学工科物理实验课程中把相关的一些微波实验充实进去也越来越得到大家的认同.我们在这方面也作了一些尝试,开展了一些相关的微波测量和微波检测的实验.这里介绍的是在测定粉状含湿物质含水量的微波检测实验中进行的有关微波相位与含水量变化关系的研究.

2 测定原理

含有湿度的物质一般是某种介质和水的混合物,其中的水分子在微波场的作用下产生了介质旋转极化现象,从而消耗了微波的能量.含湿物质在微波频段的复合介电常数和损耗角正切比这种物质脱水状态要高得多,其含水量的少量变化将会导致其复合介电常数发生很大变化,所以微波反射法湿度测定就是根据被测物质的这种特性确定其含水量的高低的.如果通过含湿物质的微波为TEM波,则相应的衰减常数α和相位差β分别为

如果微波通过厚度为 l的测湿样品后,其衰减量A和相位差φ分别为

其中,εγ,tanδ分别为复合介电常数和损耗角正切;λ为微波信号波长.

可见随着样品湿度不同,复合介电常数和损耗角正切的数值不同,微波通过样品后的振幅和相位将随着样品的含水量而变化.

在实际应用中一般并不直接测量物质的复合介电常数,而是可以测量微波通过物质时的衰减常数或者是相移常数、相移量、谐振频率等这样的一些物理量的变化来间接测量物质的含水量变化.我们开展的这个研究是通过由实验得出含水量h变化与通过样品后的微波相位差之间的关系曲线来定标含水量百分比的.

3 实验步骤及数据处理

3.1 实验框图和步骤

如图1所示,本实验是采用微波反射法测量含水量的方法,该方法通过运用微波双 T分支元件的特性,比较从(1)、(2)两路反射的微波信号在双T对称面反相叠加后通过(4)口输出到示波器上显示出微波通过样品后相位的微小变化.

图1 实验测量系统方框图

具体实验步骤是:先调整精密衰减器和短路活塞使示波器显示的波形的幅度为零(或最小).保持精密衰减器读数不变.放入样品后波形发生变化,调整短路活塞使示波器显示波形恢复到原来状态,记录短路活塞读数变化.再逐步改变样品含水量,重复以上操作.

3.2 测量时有关的条件参数

碳酸氢钠样品重量为131.35(g);反射板到喇叭距离为13.700(cm);样品容器到喇叭距离为2.860(cm);微波信号源频率为 9.370(GHz);精密衰减器刻度读数为1.3390(mm);用测量线测得信号源波长λ=2.314cm;未加水时初始相位φ′=0.639×2π(短路活塞初读数为14.786mm),加水后相位表单位 rad.

3.3 数据关系曲线

图2为碳酸氢钠样品含水量 h与微波相位差φ的关系图,图中标点的曲线是实验数据绘就的材料含水量与相位变化关系曲线,光滑曲线是拟合修正后的关系曲线.修正曲线关系为

图2 碳酸氢钠样品含水量 h与微波相位差φ的关系图

4 数据分析

我们从实验得到的数据进行分析,可以看出微波通过类似含一定湿度的碳酸氢钠之类粉状样品后,含水量的变化会使信号的相位也发生比较明显的变化,并呈现出一定的规律性.

我们从相关的图表曲线知道,在一定的范围内通过微波信号相位的变化能定标并测量类似样品物质的含水量.

另外,我们把这个实验的数据与以往用微波反射法测量含水量与微波信号通过样品后幅度衰减变化的实验数据进行比较后发现:微波相位对含水量的变化的反应较微波幅度衰减变化要灵敏一些.

不过,从数据也反映出在测量粉状被测样品含水量时,含水量测量的范围还是比较有限,这需要在原来的基础上进一步改进实验方法.

5 结束语

本实验巧妙地利用了微波双T分支元件的特性,比较好地检测出不同含水量的粉状样品对微波相位变化的影响.开展这一类微波实验,进一步了解微波特性和它的一些应用,确实能对学生起到拓展知识面和开阔眼界的作用.

[1] 李绪益.电磁场与微波技术[M].广州:华南理工大学出版社,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)