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