微波-红外测物质含水量方法的研究

刘文利 石熠灿 黄秋月 贾贵儒 何志巍

（1.中国农业大学理学院，北京 100083；2.中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083）お

摘要

［目的］探寻能够快速、准确、方便地测量物质含水量的方法。［方法］以砂子为例，基于微波加热原理与红外测温原理，研究物质在微波加热下温度变化和含水量的关系，绘制二者的变化规律曲线，提出一种新型测量物质含水量的方法。［结果］试验表明，微波红外法在测定物质含水量时更能节省时间，提高工作效率，并且准确方便。［结论］微波-红外测定物质含水量的方法可用于土壤、粮食等物质含水量的测定，具有很好的发展前景。

关键词 微波-红外线测温；温度变化；含水量

中图分类号 SB121;OB484文献标识码 A文章编号 0517-6611（2014）19-06397-02

お

Study on Microwave睮nfrared Measurement of the Water Content of the Material

LIU Wen瞝i, HE Zhi瞱ei et al

(College of Science, China Agriculture University, Beijing 100083)

Abstract ［Objective］ To obtain a method for rapidly, accurately and conveniently measure water content of the material. ［Method］ Using the sand as an example, the relationship between the temperature change and water content was studied based on microwave heating and infrared temperature measurement principle, and drew the curve. A new method to measure the material water content was put forward. ［Result］ The results showed that the method is time瞫aving, efficient and accurate. ［Conclusion］ This method can be used to measure the water content of soil and grain, which has a good development prospect.

Key wordsMicrowave瞚nfrared thermometry method; Temperature changes; Water content

基金项目 国家自然科学基金项目（51007092）；教育部培育基金项目（708014）。

作者简介

刘文利（1992-），女，河北石家庄人，本科生，专业：电子信息工程。*通讯作者，副教授，博士，从事材料物理方面的研究。

收稿日期 20140605

含水量对物质（粮食、土壤等）性质有重要影响，寻找一种快速、准确测量物质含水量的方法有其现实意义。以土壤为例，土壤含水量是农业生产中的一个重要参数。农田土壤水与作物生长关系最为密切，它直接影响到作物生长的水、气、热、养分等的吸收状况。另外，作物水分临界期（作物水分临界期指土壤缺水对作物生长和产量影响最严重的时期）也有所不同，不同作物在不同成长阶段所需的水分是不同的。所以，农田土壤水的分布状况是作物生长环境的核心，及时了解不同时期的土壤墒情状况，同时结合天气情况，对农业生产提出有针对性的、科学性的灌溉建议对农业生产是十分必要的。测量土壤含水量为土壤墒情提供了科学的依据，能够为节水灌溉起到指导作用。

目前，测量物质含水量的方法主要有：直接干燥法、红外干燥法、电阻法、电容法、中子法、射线法等［1］。以上方法都能测得土壤含水量，但要满足实际生产需求，仍需要更快速、准确、方便的测量含水量的方法。笔者以砂子为例，在大量试验操作的基础上，提出了一种利用微波-红外法测物质含水量的方法。

1 试验原理

1.1 微波加热机理

一般情况下，物质都是由极性分子和非极性分子组成。在微波电磁场的作用下，物质中的极性分子会从原来的热运动状态转变为跟随微波电磁场的交变而取向排列状态［2］。例如：采用的微波频率2 450 MHz，就会出现每秒24亿5千万次交变，分子间就会产生激烈的摩擦［3］。在这一微观过程中，微波能量转化为物质内的热量，使物质温度呈现为宏观上的升高。

微波加热的一个基本条件是：物质本身要有吸收微波。微波选择性加热的特点，是物质的相对介电常数越大，对微波能的吸收越多。水的相对介电常数随温度变化如图1所示，介电常数很大，是吸收微波很好的介质，所以凡是含水的物质必定会吸收微波。地球表面上大部分无水分的物质(如干燥的土壤和岩石等)的介电常数,一般介于1.7~6.0，砂子的相对介电常数为3~5；水的相对介电常数在0~40 ℃范围内变化时为88~73。岩石和土壤的介电常数与其含水量几乎呈线性关系增长，并且与水的介电常数特性相同，所以天然材料的电学特性的变化，一般是由于含水量的变化所致［4］。

图1 水的介电常数随温度的变化

1.2 红外测温原理

自然界一切温度高于绝对零度(-273.15℃)的物体，由于分子的热运动，都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波［5］，其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合辐射定律。 红外辐射原理-辐射┒律：

E=Aσε1ε2(T41-T42)

式中，A为光学常数，与仪表的具体设计结构有关；ε1为被测对象的辐射率；ε2为红外温度计的辐射率；T1为被测对象的温度（K）；玊2为红外温度计的温度（K）；它由一个内置的温度检测元件测出。

2 材料与方法

2.1 材料

供试原料砂子，市售。主要仪器：

RAYMX2C25018901010071红外测温仪（精确度0.1 ℃），WP700(MS7089T)微波炉（输出功率700 W），培养皿（规格6.0 cm），电子天平（精确度0.01 g，最大称重600.00 g），秒表（精确度0.01 s），注射器。

2.2 方法

确定砂子含水量与温升的关系，

试验步骤与条件：①确定砂子的湿重玀，根据含水量x%确定需要称量的水的质量m1=M·(x%)（称量质量接近m1时，用注射器缓慢滴加）与干燥砂子的质量m2=M·(x%)（干燥砂子取得方法：将砂子在微波炉中加热，直至质量变化在0.5 g之内）。②将称好的砂子与水搅拌均匀。③将混合好的砂子装到规格为6.0 cm的培养皿中，装时不进行刻意按压，每个蒸发皿装砂子35 g（误差不超过0.3 g）。④用红外线测温仪测量蒸发皿中砂子的初始温度玹1（表面中间温度）。⑤将其放到输出功率为700 W的WP700(MS7089T)微波炉的中央高火并按照事先确定的时间进行加热。⑥加热结束2~3 s后，取出蒸发皿用红外线测温仪进行测温，测中间表面温度直至中间温度不再升高，记录下中点最高温度玹2。⑦根据加热时间与温差绘制曲线。

3 结果与分析

3.1 微波作用时间与温升关系

图2为测含水量分别为5%、10%、15%时，每个样品的平均温差与加热时间的关系曲线。加热时，微波作用时间从第3秒开始，间隔为3 s。由图2可以看出，就总体而言，温差随加热时间的增长一直呈现增加的变化趋势。然而，随着加热时间的变化，曲线的斜率逐渐变小，说明温差的增加是由快速趋于缓慢的。从3条曲线的变化趋势可以看出，固定加热时间，不同含水量所对应的温差不同，曲线的斜率与含水量成正比。通过对图2的整体分析，确定了3条曲线的温差随着加热时间变化规律：每条曲线在21 s后温差在单位时间内变化逐渐缩小，时间温差曲线变化趋势逐渐放缓；随着含水量的增加，曲线的斜率也是增加的。因此，在确定最佳加热时间时，舍弃了后面的数据，只对0~21 s的数据进行分析。

图2加热时间与温差的关系曲线

由分析得该试验最佳加热时间为10 s。10 s时温度随时间升高最快，加热时间相对较短，有效减少了水分蒸发，降低了试验误差。同时利用了红外测温仪时间短、精度高的特点，使得实时测量成为可能。

通过大量数据分析，最佳试验条件为：输出功率700 W微波炉高火加热10 s。

3.2 温升与含水量关系曲线

图3为微波加热10 s下，含水量不同物质的温度升高值与砂子含水量的对应关系曲线。图3所示，在砂水混合均匀的前提下，含水量低于5%时，低含水量使得砂子吸收微波的能力较弱，温升比较缓慢。含水量在5%~20%时，温度升高迅速并在一定范围内稳定上升并且趋于线性（由于砂子中含有杂质所以曲线在误差允许范围内与预期的直线有一定的偏离）。含水量高于20%时，考虑到砂子含水能力有限，砂子与水不能再均匀混合因此温升再次趋于缓慢。

图3 温升与砂子含水量关系的标准曲线

猜想曲线其后期可能趋势：随着砂子含水量的增多，水的介电常数将起主导作用。如图1所示，由于温度越高，水的电容率越小，所以相同作用时间温升较慢，曲线可能出现饱和直线或者斜率逐渐下降的趋势。

3.3 验证试验

验证标准曲线的普适性：配制含水量分别为8.5%、13.5%、18.0%的砂子进行验证，每个含水量装10组，分别加热10 s，取平均值后绘制验证曲线。验证标准曲线与待测物质质量的关系：配制质量为45 g，含水量分别为5%、10%、15%的砂子，以及质量为35 g，含水量分别为8.5%、13.5%、18.0%的砂子进行验证，每个含水量装10组，分别加热10 s，取平均值后绘制验证曲线，得图4。

图4 验证曲线

由图4可以看出，以上2组验证曲线与标准曲线基本吻合。说明该曲线与所称量的待测物质的质量无关，具有一定的普适性。分析认为，试验中砂水混合均匀，在微波炉转动加热条件下避免了局部加热。又由于水是吸收微波的主要物质，在含水量相同的前提下，温度升高与砂水混合物的质量无关。

4 结论

经过多次重复试验，利用试验得到的多组数据，确定了此方法测物质含水量准确有效。利用此方法可以测出其他物质（土壤、小麦、玉米、水泥、陶瓷的原材料，甚至木材等）的温升与含水量关系的标准曲线，利用微波加热原理与红外测温原理制成加热兼测温的仪器，通过仪器中的程序，由标准曲线和升高的温度确定该物质的含水量。该方法具有一定的实际意义，可应用于工农业生产。将水分测量技术与电子技术，特别是计算机技术结合起来，可实现生产线上连续、自动测量与控制［6］。

参考文献

［1］ LI Y，LIU S B，LIAO Z H，et al.Comparision of two methods for estimation of soil water content from measure reflectance［J］.Canadian Journal of Soil Science,2012,92(6):845-857.

［2］ 王绍林.微波加热原理及其应用［J］.物理，1997,24(4)：42-47.

［3］ 李里特.食品物性学［M］.北京:中国农业出版社，1998:420-421.

［4］ 邵芸,吕远,董庆,等.含水含盐土壤的微波介电特性分析研究［J］.遥感学报，2002(6)：416-423.

［5］ 杨湘,金庆波.红外测温技术的应用［J］.天津冶金，1999(1):29-33.

［6］ 刘文芝.固体含水量测量综述［J］.气象水文海洋仪器,1994(2):23-27.