基于微波原理的地表土壤测湿技术.docx
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基于微波原理的地表土壤测湿技术
山东大学
控制科学与工程学院
测控技术与仪器
课程设计报告书
项目名称:
基于微波原理的地表土壤测湿技术
班级:
测控技术与仪器2班
学号:
200800170243
姓名:
徐兆武
时间:
2011.12.9
摘要:
土壤含水量是影响农作物收成与水保的重要因素之一。
土壤湿度对于制定灌溉进程表、水与溶质流的评价、净太阳辐射潜热与显热的划分等方面都是很重要的。
由于水的介电常数比其他电介质的介电常数要大得多,因此,通过测量含水土壤在微波场中的介电常数,便能间接测得该物质中含水量的多少。
由于水的吸收损耗远较其它电介质大,所以,当微波功率通过物料时,其衰减量的大小将主要取决于物料中水分含量的多少,这就是衰减法微波测湿的原理。
关键字:
土壤湿度、含水量、衰减法微波测湿
Abstract
Soilwatercontentisoneofthemostimportantfactorsofcropharvestandwaterconservation.Soilmoistureisimportantfordrawinguptheprocesstableofwatering,evalutionofwaterandsolutemassflow,thelatentheatandsensibleheatofsolarradiaionandsomethingelse.
Becauseofthepermittivityofwaterisbiggerthanotherdielectric’s,sogetthroughmeasuringcontainingwatersoil’sinthemicrowavefield,wecanindrectgettinghowmanywaterinthesoil.Bacauseoftheabsorptionlossofwaterismuchbiggerthanotherdielectric’s,sowhenmicrowavepowerthroughthemateriel,thequantityofattenuationwillmainlydependsonhowmuchwaterinthemateriel.Thisisthetheoryofmicowavehumiditymeasurementmethodofdecay.
Keyword:
Soilmoisture,watercontent,micowavehumiditymeasurementmethodofdecay
正文:
一、概述
微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波,是无线电波中一个有限频带的简称,即波长在1米(不含1米)到1毫米之间的电磁波,是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。
微波频率比一般的无线电波频率高,通常也称为“超高频电磁波”。
微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。
微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。
微波与普通的无线电波相比,仅是波长或频率不同而己。
但是正是这一区别,才使微波除了与普通无线电波具有共同点之外,还有其本身的一些特点。
其主要特点如下:
(1)微波在其传播过程中,若所遇物体的几何尺寸大于或者可与波长相比拟时,就会产生反射,波长越短,传播特性越与几何光学相似(或近于直线传播的特性)。
(2)普通无线电波会被高空电离层所吸收或者被反射回来,而微波则能够穿过电离层至外层空间。
电视广播、卫星通信、宇宙航行、射电天文学等等都是利用微波的这一特性才得以实现。
(3)微波的频率很高,因此可以利用的频带较宽、信息容量大,从而使微波通信得到了广泛的应用和发展。
(4)微波频率高、振荡周期短,因此,低频范围(普通无线电波段)内所使用的元(器)件,对于微波已经不再适用,而必须研制适用于微波的元〔器)件。
(5)某些物质吸收微波后会产生热效应,因此可以利用微波作为加热或者烘干的手段,其特点是穿透性强,可以深入物质内部,加热速度快而且均匀,从而在工农业和食品业等部门得到广泛的应用,此外,微波热效应在生物学、医学等领域的应用前景也十分广阔。
二、方案
衰减法微波测湿的测量原理示意图如图1所示。
有信号源发出一定功率的微波信号,经隔离器隔离后,将功率信号送入传感器。
由于传感器中的物料把微波的能量吸收掉了一部分,因此微波功率被衰减,进入检波器的能量将减少,检波后的电平也减小,这样就可以把物料含水量的多少用仪表显示出来。
图1
测量系统中的隔离器的作用是:
只允许微波信号单向通过,这样可以避免后级对前级的干扰,保证了信号源的稳定性。
精密衰减器的作用是用来校准初值,由于土壤的不同,各种土壤的含湿量初值差别很大,往往会超出仪器的测量范围。
通过精密衰减器的校准,就可以保证仪器在较大的测量范围内有较高的精度。
实际的测量系统结构如图2所示,为了提高测量精度,对微波进行了调制,调制频率为1000Hz。
当接收器接到微波信号后,先有检测器对其检波,然后再由选频放大器对1000Hz的信号进行选频放大,经放大后的信号在转化成直流信号显示。
图2
选频放大器只对1000Hz的信号进行选频放大,抑制了其他频率的干扰,提高了测量的信噪比。
微波的发射天线为喇叭形天线,他可以保证按照一定方向发射微波信号,接收天线也是如此。
由于金属对微波有很强的反射作用,所以,在微波场周围应避免有大块的金属物体。
三、微波测湿的原理
不同的外加电场频率,是水分子损耗能量的原因各不相同。
从低频到超短波频段,主要为正负电荷迁移所引起的导电损耗;微波频段,主要为偶极子的取向极化损耗,当波长为1cm时,这种损耗最大;红外频段时,主要为粒子间的共振吸收损耗;光波频段内,主要是电子与原子核间的共振吸收。
这种损耗与频率的关系如图3所示。
图3
水分子是强极性分子,在外电场作用下将产生强的趋向激化,与此同时还将产生位移极化。
极化的结果是将外电场的能量转换成水分子的势能,这一势能意味着将从外电场获得的能量储存起来,可以用复介电常数的实部ε表示。
由于分子运动有惰性,转向极化运动相对于外电场的变化有一时间上的滞后,这一滞后即为弛豫。
弛豫效果是使水分子产生损耗,这一损耗可用复介电常数的虚部λ表示。
由于水分子是极性很强的偶极子,在外电场作用下,水的极化程度远大于其他物质。
在微波频段,不同波长对应水的介电常数不同,图4列出了常温时不同波长下的水的介电常数。
波长(cm)
1.26
3.25
8.22
10.00
17.20
52.0
ε
30.8
61.5
76.3
77.2
79.3
80.3
λ
35.2
31.4
15.6
13.1
7.9
2.75
图4不同波长下的水的复介电常数
在频率3-30GHz范围内(即波长从10-1cm),水的ε为77.2-30,tanδ为0.17-1.2;而其他电介质的ε为1-5,tanδ约为0.0001-0.05。
可见,水的介电常数比其他电介质的介电常数要大得多。
因此,通过测量含水物质在微波场中的介电常数,便能间接的测得该物质中含水量的多少。
由于水的吸收损耗远较其他电介质大,所以,当微波功率通过物料时,其衰减量的大小将主要取决与物料中水分含量的多少,这就是衰减法微波测试的原理。
四、方案的可行性分析
目前,关于土壤测湿的方法有很多种。
其中烘干称重法测量土壤含水量是最简单也是最常用的方法之一。
下面就微波测湿法和烘干称重法进行对比分析,进而验证微波测湿法的可行性。
称重法
也称烘干法,这是唯一可以直接测量土壤水分方法,也是目前国际上的标准方法。
用土钻采取土样,用0.1g精度的天平称取土样的重量,记作土样的湿重M,在105℃的烘箱内将土样烘6~8小时至恒重,然后测定烘干土样,记作土样的干重Ms。
土壤含水量=(烘干前铝盒及土样质量-烘干后铝盒及土样质量)/(烘干后铝盒及土样质量-烘干空铝盒质量)*100%。
称重法具有各种操作不便等缺点,但作为直接测量土壤水分含量的唯一方法,在测量精度上具有其它方法不可比拟的优势,因此它作为一种实验室测量方法并用于其它方法的标定将长期存在。
微波测湿法是一种基于测量土壤介电常数的方法,在测量的实时性与精度上都比其它测量方法更具优势,而且在使用操作更加方便灵活,可适用于不同用途的土壤水分测量。
五、总结
综上所述,微波测湿法在测量的实时性与精度上都比其它测量方法更具优势,而且在使用操作更加方便灵活,可适用于不同用途的土壤水分测量。
在未来的发展过程中,将会成为国内外广泛使用的一种土壤水分测量方法。
参考文献
[1]常太华,苏杰,田亮.检测技术与应用[M]北京:
中国电力出版社,2003
[2]徐科军,马修水,李晓林.传感器与检测技术,第二版[M]北京:
电子工业出版社,2008.2
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