（测试计量技术及仪器专业论文）微波法测量粉粒物料水分含量的研究.pdf

沈5 h 工业大学硕士学位论文 摘要 微波是一种空间电磁波，它可阻在空间中自由传播，具有电场特性和磁场特性。粉 粒物料的水分含量直接影响生产效率和生产成本，因此对它的准确测量具有重要意义。 由于水和干的固体物料的介电常数相比非常悬殊，粉粒物料中的含水量将显著的影响其 介电常数，因此测量通过物料的微波的功率衰减、相位变化、谐振频率等与介电常数相 关的物理量，就可测量物料的含水率。本文基于微波测湿理论，对粉粒物料水分的微波 测量方法进行了探讨。同时本文也介绍了微波检测理论、各种微波器件和它们的工作原 理。 由于水的介电常数比其他物质大很多，经过含水物料后的微波能量衰减主要由水分 引起，通过测量衰减后的微波能量可以测量出物料的含水率，这是微波衰减法测湿的原 理。使用微波振荡源、隔离器、衰减器、发射接收天线搭建了微波衰减法测湿系统，应 用微波透射衰减法做t n 量砂子和石灰石的水分含量实验，做出了两种物料的水分含量 和测量输出值的拟合直线方程，并进行误差分析。对测量电路进行设计，做出电路图和 p c b 电路板。 被物料反射后的微波携带有物料含水量的信息，反射波和入射波相互干涉形成的驻 波同样包含这样的信息，据此提出应用反射法测量驻波系数来测量烧结材料的含水量的 方法，通过实验，提出测量驻波最大值的方法来测湿，通过测量不同含水物料反射后的 驻波最大值出现位置和最大值电压，分析结果记录表明测量可行。创新的将有源探头法 应用到测湿中，有源探头工作电流直流分量受到负载的影响，不同水分含量的物料作为 负载时对探头的影响是不同的，通过实验初步找到物料水分含量和有源探头直流工作电 流的关系。 经过对微波法测湿的理论研究和实验验证其可行性，为微波测湿的实际应用做实验 基础。 关键词：微波测湿，微波元件，驻波系数，粉粒物料 沈阳工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nm o i s t u r em e a s u r e m e n to fg r a n u l a rm a t e r i a lw i t h m i c r o w a v em e t h o d a b s t r a c t m i c r o w a v ei sas p a t i a le l e c t r o m a g n e t i cw a v e ，w h i c hc a ns p r e a df r e e l yi nt h es p a c ea n dh a s t h ec h a r a c t e r so fe l e c t r i cf i e l da n dm a g n e t i cf i e l d t h ew a t e rc o n t e n to ft h eg r a n u l a rm a t e r i a l a f f e c t st h ee f f i c i e n c ya n dc o s to fp r o d u c t i o n ，s oi th a st h ei m p o r t a n ts e n s et om e a s u r et h e m o i s t u r ec o n t e n t b e c a u s et h ed i e l e c t r i cc o n s t a n to fw a t e ra n dt h ed r ym a t t e rh a v eag r e a t d i f f e r e n c e ，i tw i l lb ea f f e c t e db yt h ew a t e rc o n t e n t ，s oa st om e a s u r et h ep o w e ra t t e n u a t i o n ，t h e p h a s ea l t e r , t h er e s o l l a n c ef r e q u e n c ya n ds oo na st h er e l a t e dp h y s i c a lq u a n t i t y ，c a nm e a s h r et h e m o i s t u r ep e r c e n t a g e t h i sp a p e rd i s c u s s e st h em i c r o w a v em e a s u r e m e n tt om e a s u r et h em o i s t u r e o ft h eg r a n u l a r a tt h es a m et i m e ，t h et h e o r yo fm i c r o w a v em e a s u r e m e n ta n ds o m ek i n d so f m i c r o w a v ed e v i c e ss oa st oi t so p e r a t i o np r i n c i p l ei si n t r o d u c e d b e c a u s et h ed i e l e c t r i cc o n s t a n to f w a t e ri sg r e a t e rt h a no t h e r s ，t h ea t t e n u a t i o no f m i c r o w a v e t h r o u g ht h ew a v e rc o n t e n tm a t e r i a li sc a u s e db yw a t e r , m e a s u r i n gt h ep o w e ro ft h em i c r o w a v e a f t e ra t t e n u a t i o n ，t h ew a t l h p e r c e n t a g ei sg a i n e d ，t h i si st h et h e o r yo fm i c r o w a v ea t t e n u a t i o n m o i s t u r em e a s t a e m e n t u s i n gt h em i c r o w a v es u r g es o u r c e ，i s o l a t o ra t t e n u a t o r ，a n dt h eb e a n a i n g r e c e i v i n ga n t e n n at ob u i l dt h em i c r o w a v ea t t e n u a t i o nm o i s t u r em e a s u r e m e n ts y s t e m b a s e do n t h em i c r o w a v et r a n s m i s s i o na t t e n u a t i o nm e a s 蝴e n t , t h em o i s t u r ee x p e r i m e n t so ft h eg r a v e a n dt h el i m e s t o n ei sa c c o m p l i s h e d ，t h ep o l y f i te q u a t i o na b o u tt h e s et w om a t e r i a lm o i s t u r ea n d t h em e a s u r e do u t p u tv o l t a g es i g n a li sa c h i e v e d ，t h ec a u s e so ft h ec r i e ri sa n a l y z e d ，d e s i g nt h e m e a s u r e m e n tc i r c 诚 t h er e f l e c t e dm i c r o w a v ec a r r i e st h em a t e r i a lw a t e rc o n t e n ti n f o r m a t i o n t h er e f l e c t e dw a v e a n dt h ei n c i d e n tm yi n t e r f e r et h es t a n d i n gw a v et h a tc o n t a i n ss i m i l a r l yi n f o r m a t i o nm u t u a l l y a c c o r d i n gt ot h ea b o v ep r o p o s e d ，t h ea p p l i c a t i o nr e f l e c t i o nm e t h o ds u r v e ys t a n d i n g - w a v er a t i o s u r v e y sa g g l u t i n a t e st h em a t e r i a lm o i s t u r ec o n t e n t 1 1 1 r o u g ht h ee x p e r i m e n t ，p r o p o s e dt h e s u r v e ys t a n d i n gw a v em a x i m u mv a l u em e t h o dm e t s n r e sw e t d i f f e r e n t l yc o n t a i n sm o i s t u r e 2 沈刚丁业大学硕l 学位论文 a f t e rt h es u r v e yt h em a t e r i a lr e f l e c t i o ns t a n d i n gw a v em a x i m u mv a l u et oa p p e a rt h ep o s i t i o na n d t h em a x i m u mv a l u ev o l t a g e t h ea n a l y s i sm s a l tr e c o r d i n gi n d i c a t e dt h es u r v e yi sf e a s i b l e t h e i n n o v a t i o na c t i v ep o k eh e a di nt h el a wt oa p p l yt om e a s u r e sw e tc e n t e r a c t i v ep o k e sh e a di n t h eo p e r a t i n gc u r r e n td i r e c tc o m p o n e n tt or e c e i v et h el o a dt h ei n f l u e n c e t h ed i f f e r e n tm o i s t u r e c o n t e n tm a t e r i a lt o o kw h e nl o a dt ot h ei n f l u e n c ew h i c hp o k e sh e a di ni sd i f f e r e n t f o u n dt h e m a t e r i a lm o i s t u r ec o n t e n tt h r o u g ht h ee x p e r i m e n ta n da c t i v ep o k e sh e a di nt h eo p e r a t i o ne l e c t r i c c u r r e n ti e l a t i o n s t h ef e a s i b i l i t yo fm i c r o w a v em o i s t u r em e a s u r e m e n ti sc o n f i m a e db yt h em i c r o w a v e m e a s u r e m e n tt h e o r ya n dt h ee x p e r i m e n t s i ti se x p e r i m e mb a s i so f p r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：m o i s t u r ec o n t e n tm e a s u r e m e n tw i t hm i c r o w a v e m i c r o w a v ec o m p o n e n t ， s t a n d i n gw a v ec o e f f i c i e n t , p o w d e rs u p p l i e s - j 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导f 进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：碰i 趑日期：壁厶21 塑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 沈阳工业大学硕上学位论文 1 绪论 1 1 引言 微波是电磁波中介于普通无线电波( 长波、中波、短波、超短波) 与红外线之间的 波段，它是属于无线电波中波长最短即频率最高的波段。微波和普通的无线电波、可见 的和不可见的光波、x 射线、￥射线一样，本质上都是随时间和空间变化的呈波动状态 的电磁波。尽管它们的表现不同，例如可见光可以被人眼所感觉到而其他波段则不能； x 射线和y 射线具有穿透导体的能力而其他波段的则不具备这种能力；无线电波可以穿 透浓厚的云雾而光波则不能等等。但它们都是电磁波，之所以有这么多不同的表现，归 根到底是因为它们的能量不同。微波波段区别于其他波段的主要特点是其波长可同电 路或元件的尺寸比拟，因此电磁波在电路内甚至元件内的传播时间( 相位滞后) 不再是 微不足道的，在无线电电子技术中的集总参数的概念就不再有效。在较低频率的电路中 往往可以区分出电路的某一部分是电容( 即电场集中的地方) ，另一部分是电感( 磁场 集中的地方) 或电阻( 损耗集中的地方) 而连接它们的导线则没有电感和电容也没有电 阻，这就构成集总参数电路。但到了微波波段，元件中的电场和磁场已经构成一个整体 即交变的电磁场或电磁波，使用的元件成为传输线、波导、谐振腔等，因此集中参数的 方法失效，代之而起的是分布参数电路和场的概念。在微波领域中以麦克斯韦方程为基 础的宏观电磁理论得到了充分的应用，当进一步过渡到亚毫米波、红外线阻至可见光或 频率更高的电磁波时，由于波长逐渐同分子或原子的尺寸相比拟，宏观电磁场理论就不 再那么有效和完善了，这时就必需运用量子理论的方法。总之，微波波段的范围是由所 应用的独特元件、技术和研究方法所决定的，通常把波长为1 米到1 毫米( 即频率为 3 0 0 m h z 到3 0 0 g i - i z 间的波段称为微波) ，波长从1 毫米到o 0 1 毫米的亚毫米波段是微 波与红外的过渡波段。 1 2 微波的特点及应用 自本世纪初无线电技术开始发展以来，使用的波段不断的扩展，从最初使用的长波 和中波波段一方面扩展到超长波段，另一方面尤为迅速的向短波方向发展，经过短波、 超短波，在4 0 5 0 年代扩展到分米和厘米波，在6 0 7 0 年代又扩展到毫波和皿毫米 沈阳工业人学硕l 学位论文 波。现在，在无线电波和光波之间已不存在空白。从上世纪8 0 年代以来，微波在通讯 领域取得了飞速发展，也使人们对微波的认识进。1 步加深。下面，简要的介绍一下微波 的一些基本特点及它在现代生产生活中的应用。 1 2 1 微波的特点 微波与普通的无线电波相比，仅是波长或频率不同而已。但是f 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。 1 2 2 微波的热效应和微波能的应用 高频感应和介质加热早已应用在许多工业部门。在微波波段，材料的介质损耗增大 特别是含水的材料对微波能的吸收非常有效，从而使微波成为很好的加热手段。因为微 波加热具有效率高、穿透深度大、加热迅速等一系列优点，所以微波加热和微波烘干正 日益广泛地应用于粮食、烟草、木材、纺织等生产部门。微波代替原来所用的煤、蒸汽 进行加热或烘烤可以节约能源，提高产品质量，改善劳动条件，便于实现生产过程的自 动化等优点。微波在未来的能源的探索和开发中也起着重要的作用，例如，在受控热核 聚变研究中利用毫米波电子回旋共振效应加热等离子体，在空间太阳能发电站的设计中 沈阳工业人学硕上学位论文 用微波作为将能量送回地面的手段。微波检测项目包括增强塑料和各种金属非金属复合 胶接结构于蜂窝结构中的分层、脱粘、固体推进剂和飞机轮胎内部气孔、裂缝，金属板 与介质板材的厚度，非金属材料的湿度、密度、混合物组分比、固化度；各种线径、微 小位移、未消振动、微小体积和等离子体温度等。 1 2 3 微波检测技术在不同领域的应用 微波检测【2 】是- - i 3 微波技术应用学科。它研究的内容以微波非通讯应用为主，包括 微波检测方法和装置的基本原理、结构、类型、特点和范围。也就是将微波作为传递信 息的媒介，对各种可适用的材料、构件和产品进行非破坏性检测和故障诊断，对所需要 的物理性能及技术工艺参数等非电量进行接触或非接触的快速测量。 目前，作为无损检测工具，高分辨微波成像技术的应用能力已经得到验证；微波对 微小的运动以及标示生命存在的呼吸运动等信息很敏感，即使是失去意识的生命，也能 探测到；冶金工业中需要对高炉的料位，平炉、转炉钢水液位、连续浇铸的钢水液面厚 度或高度进行测量。在这种高温多粉尘强噪声的环境下，使用微波技术进行测量也具有 其独特的实用性；另外，使用微波技术遥感大气形成过程中的瞬问状态目前也得到应 用；在交通管理系统中也出现了微波车辆感知器。 微波技术凹最早应用于军事、国防工业，目前已部分转向民用工业，并且取得了一 定的成果。由于微波应用具有广泛的前景，国外许多的研究机构都投入了大量人力物力 进行开发。 1 3 粉粒物料水分测量研究概况 粉粒物料存在于很多生产领域中，如食品、医药、饲料、化工、冶金等等生产过程 都离不开粉粒物料，这些物料中的水分含量对产品质量都有着重要的影响。所以，对粉 粒物料水分的在线测量就显得尤为重要，进而实现对攘个生产工艺进行在线控制。 传统的水分测量方法是烘干法，但是它往往需要很长时间，且不能对水分进行在线 测量，无法对产品质量进行在线控制。烘干法是直接测量法，目前应用最多的是间接测 量法，所谓间接法也就是通过测量跟水分含量有关的电量或者非电量的变化，来反映水 分含量的测量方法。主要有电阻法、电容法、中子法，红外法等，各有特点，但也各有 局限性。 沈阳丁业大学硕士学位论文 ( 1 ) 电阻法 电阻法【4 j 是应用最早的水分电测方法。干砂和干土等矿物的导电性均很低，而非结 合水和弱物理结合水( 即一般所指水分) 对物料电阻的影响较大，在一定范围内，这些吸 湿物料的水分与电阻的对数成线性关系，当含水量增加时，电阻减小，此即电阻法的测 量原理。 ( 2 ) 电容法 电容法【5 j 这种方法把物料作为电介质，通过测量物料的介电常数来测量其含水量。 由于用电容式传感器测量电容时，在电容两端还有一个并联的电导成分，因此总的变化 是由电容与电导的比值来反映的，因此只要测量出相应的值即可以测量出水分的含量。 ( 3 ) 中子法 中子法【6 】1 7 】是利用水中的氢原子核对快中子的减速作用原理测量物料水分的该法不 破坏物质自然结构。物料体积可以很大，其缺点是氢的散射特性不稳，物料中刁i 得含有 除水以外的其它含氢物质( 如碳氢化合物) ，须注意放射性中子源的安全防护。 ( 4 ) 红外法 红外法【8 1 又称红外线吸收法，此法是利用造型材料对红外线特征吸收光谱的吸收量 随含水量而变的原理测试水分的，测量粉粒态造型材料时一般采用反射式光学结构。红 外线吸收法的特点是不与被测物料接触，响应速度很快，可测导电性物质，物料温度和 密度对测量结果的影响小，测量水分范围不受限制，但有些粉粒物料中的物质也具有一 定程度的吸收红外线的能力，此外难测物料内部水分，仪器价格也较高。 鉴于以上方法的种种缺欠，微波法就显示出了其优点，在线实时、处理方便、结构 简单，近些年来，其成本的迅速下降也是它能广泛应用的一个重要原因。 微波非接触测量技术嘲【l o 】属于低功率微波能的应用范畴，其基本原理是以微波作为 信息传递的媒介，根据被测物料对微波有辐射、反射、透射、散射、干涉、衍射、谐振 和多h 勒效应等物理特性，利用对非电量有敏感响应的微波传感器将待测物件的非电量 转换成微波电参量的变化进行测量。微波最大的优点就是可以通过空间辐射的方式穿过 介质的内部，测量过程中传感器可以不与被测物质接触，非常适合于工业生产的在线检 测。微波非接触测量的精度高，可靠性好，抗干扰能力强，容易实现无损耗、实时、在 沈阳工业大学硕士学位论文 线快速测量，又无辐射危险，操作和使用非常安全，冈此微波非接触测量投术有着极其 广阔的应用前景。 目前，国内利用微波进行在线水分测量的仪器鲜见，在国际，i = ：也只有同本和德国等 少数几个国家研制成功过微波测湿仪。这个课题的研究在国内属于比较先进、靠近发展 前沿、急需研究解决的课题。 1 4 本文工作简介 微波测湿技术在国内还没有大规模展开，微波检测成本较高制约了它的发展。虽然 国外的微波测湿系统有产品问世，但也不是大规模的应用，所以做本课题还是具有很强 的实用价值和市场价值的。 由于过程检测及过程控制发展的需求，寻求在线实时测量方法越来越迫切。微波法 的优点使其成为在线测量首选。可阻使微波传感器对着物料表面，含水量不同的物料对 微波传输能量的衰减不同，会使微波接收功率变化，该信号可经过隔离放大处理后作为 测量信号，经过处理，得到物料含水量，并将信号远传至控制室做后续处理。 本文主要的工作有： ( 1 ) 学习微波测量理论，研究微波检测的应用，熟悉微波器件的性能，设计可行 的粉粒物料水分检i 卿4 方案，为实际应用打下基础： ( 2 ) 针对微波透射法测量，选用合适微波器件，构建微波收发装置，完成微波发 射、接收装置的组建。并且根据需求对电路进行优化设计。 ( 3 ) 开展大量实验工作，做出微波透射衰减法测量不同物料水分含量的标定曲 线，对测量结果做误差分析。并对测量电路就行改进设计。 ( 4 ) 针对微波反射法测量，选用合适微波传感器，构建微波装置。对粉粒物料水 分检测做了大量实验，对最大值、最小值和驻波比分别对应含水量曲线进行分 析，提出测最大值的方案，又通过实验找出不同水分含量各个最大值出现的位 置，分析结果，得出可以把传感器位置固定在找出的第一个最大值出现位置的方 法测量物料含水量。 沈“n 丁业大学硕上学位论文 ( 5 ) 在有源探头法中，通过使用小孔直接耦合、波导开口天线耦合、喇叭天线耦 合和表面电磁波导天线耦合四种不同的耦合方式测量粉粒物料水分含量的实验， 验证了此测量方法的可行性。 在实验基础上，得到了微波透射衰减法测量某些物料的水分含量的定标曲线，并能 把测量结果实时传送，可以反馈给控制过程，指导生产。本文的创新之处在于：将有源 探头和驻波比测量应用于微波测湿技术中。 沈阳工业大学坝十学位论义 2 粉粒物料水分含量微波法检测系统设计 现在炼铁厂生产线上对粉粒物料f 5 】【l ”，如精矿粉，铁矿石，石灰石等的含水量测量 一般的是人工采样测量一次需要时问较长，测量效率很低。随着对生产效率提高的要 求，需要一种既能降低测量时间，又能把测量结果直接用于指导生产的测量方法。本课 题j f 是为了解决这个工程问题而提出的。通过参考文献和分析比较现有的水分测量方 法，提出了使用微波法测量粉粒物料的含水量。 2 1 各种微波检测方法概述 微波检测方法按照作为传感器的微波器件的不同可以分为空间波法【2 】【l “、传输线法 1 3 1 和谐振腔法【1 4 】【1 5 l 。 ( 1 ) 空间波法 电磁波由波导或同轴线引至天线发射，形成空间波，在空间波传播途中放置被测物 质，电磁波穿过物体后再由接收天线接收进入波导或同轴线，这种方法叫做空间透射 法；如果电磁波碰到物料后返回，再由原天线返回波导或同轴线，这种方法叫做空间反 射发，统称空间波法。 空间波法一直沿用至今，它的主要优点是可以不和被测物料接触，在一些不便于接 近物料的情况下，常用这种方法。空间波法大体类型如图2 。1 所示。 二 二 l 发射接收天线 ，= 习， b 反射波法 图2 1 空间波法基本类型 图2 1 a 是一种常用的透射波法，图中以喇叭天线做为收发天线。想象中的空间波应 该是一个平面波，能像光一样直线传播，然而在实际测量湿度的场合下，两个天线间的 沈阳工业火荆断十学位论文 空间距离彳i 允许拉的太远，因此，两个天线间的电磁场田分布不是理想的平面波，再加 上被测物料的本身不均匀性，微波通过物料箱时，会发生绕射和反射，导致测量的不准 确。为了减小微波绕射所引起的误差，被测物料应该足够大，而且要尽量放的离天线近 一些，尽可能靠近接收天线放置，或在物料周围放一些吸收材料，以保证只有穿经物料 的微波能量才能进入接收天线。 图2 1 b 表示的是空间反射波法，只使用一个天线，既作发射，又作接收用，所接 收的是含有物料水分信息在内的反射波。装置简单，易于安装，便于应用在生产线上。 ( 2 ) 传输线法 传输线的形式很多，凡是用传输线来做传感器的测量方法都叫传输线法。一般来 说，传输线法适合用于接触式测量，而空间波法则多用于非接触式测量。传输线法与空 问波法的区别在于被测物料放置在传输线中，而不是搁置在空间中。由于传输线内的电 磁场是规则的，例如在矩形波导管中，宽边中央电场最大，在此处开槽插入被测物料， 分辨率高。 常用的传输线传感器分为波导式、同轴式、带状线式和微带式等。根据传输线的特 点可以制成其他形式传感器，适应各种物料水分的测量，所以传输线法较空间波法运用 更广泛。 ( 3 ) 谐振腔法 谐振腔法是将调频微波信号经分功器分为两路进入矩形测试腔和基准腔，经检波后 送入电子开关s 和示波器。测量时首先在两个腔体内同时注入基准样品，调节腔体频率 微调以及衰减器，使得两个腔的谐振峰在示波器的屏幕上重合。然后再测试腔中注入测 量的抽样。由于样品含有水分，介电常数发生变化，腔的谐振频率发生偏移。通过对谐 振频率的偏移量测量，来实现对水分含量的测量，这种方法称为谐振腔法 1 7 1 1 8 】。谐振腔 法测湿的方框图如图2 2 所示。 沈阳工业大学倾士学位硷文 图2 2 谐振腔法测湿方框图 还有一种分类方法是按测量的微波分量分类。 在微波澳4 湿的过程中，能够表现物料介电常数的微波参量有微波的衰减或相移、或 微波谐振频率 1 9 1 ，所以基于这种分类的微波测湿法有衰减法【2 0 】口l 】和相移法口2 1 。 ( 1 ) 衰减法 信号源发送的微波经过物料对，功率被衰减，以至于进入检波器的能量减小，故检 波后的电平变小，这种以测量微波功率变化的大小来反映待测物料的含水量的方法就叫 做衰减法。 微波衰减法检测可以用替代法和双t 平衡桥法。替代法是测量微波衰减的一种比较 重要而且常用的方法。它是利用标准的衰减器的衰减量替代被测物料的衰减量进行测量 的。图2 3 是用替代法测量物料含水量的方框图。 发射天线 图2 3 替代法测湿的方框图 沈阳工业大学碗l 学位论文 桥路法口3 】1 2 4 1 是以精密衰减器作为比较标准，利用微波电桥电路进行测量的_ 干十方 法。桥路法的测试系统如图2 4 所示。微波信号从双t 的h 臂输入平分为两路：路经 过可变衰减器、相移器到第二个双t 的2 臂；另一路经过待钡4 样品至0 达第：个双t 的3 臂，两路信号在第二个双t 汇合后经检波指示。桥路法的优点是测量结果与晶体检波率 无关，能克服微波信号源幅度不稳定造成的误差，降低了对微波信号源的稳幅要求。这 种方法精度高量程大，适合与低水分或高分辨率的测量。缺点是需要微波元件较多，系 统复杂，i 因为在任何一个双t 的2 、3 臂后面都必须接有隔离器以防止微波反射到双t 中形成驻波影响测量，而且调整系统匹配也复杂。桥路法的误差主要决定于精密衰减器 的精度和系统的匹配情况。 冈 1 笪兰塑i 图2 4 双t 桥路法测试系统框图 ( 2 ) 相移法 介电常数伫5 的变化不但体现在微波功率的衰减上还体现在微波的相位的移动上。微 波相移测湿多用于造纸工业。因为纸张对微波的吸收衰减不仅取决于纸张的含水量，而 且与纸张的电导率有关，丽纸张的电导率在整个造纸过程中并不是一个严格受控制的参 量，所以就要通过对微波的相移的测量来实现对纸张含水量的测量。图2 5 为相移法口6 】 测湿的方框图。它使用矢量电压表，以一路为基准，测量样品支路的相移的变化量来确 定湿度。 沈阳t 业大学硕l 学位论文 图2 s 相移法测湿方框图 2 2 系统各部分组成及其作用 从上节各种微波测试方法框图可以看出，无论使用何种方法，整个测试系统中必定 需要一些必要的微波器件，本节详细介绍各种微波器件的功能和作用。 2 , 2 1 微波器件简介 ( 1 ) 微波信号源 微波信号源嘲是微波振荡发射装置。微波振荡器件可以分为微波电真空器件、微波 半导体器件和微波激射器件三大类。其中微波半导体器件较微波电真空器件，具有体积 小、重量轻、工作电压低、寿命长、机械强度高的优点，在微波测湿中就普遍采用这种 振荡信号源。图2 6 是它的基本结构框图。 体效应管；波导：微波传输的通道： 金属调谐杆( 螺旋钡9 微器) ：调节微波 频率；螺钉：连接并固定体效应管的一 极( 负) ；穿心电容；固定体效应管的 另一极( 正) ，并引入偏置电压。 图2 6 体效应管振荡器 沈m t 业大学硕士学位论文 从图中可以看出，整个微波信号源主体是一个谐振腔，在谐振腔的各个部位开孔或 者做各种工艺使得整个谐振能够完成，微波能够产生进而发射出去。 图2 7 体效应管电压一电流特性 体效应管【2 8 】是产生微波振荡信号的物理器件。体校应器件具有负阻效应 2 3 】f 2 8 】： 1 9 6 3 年耿氏在实验中观察到，当在一块n 型砷化镓样品的两端加上直流电压时，通过 样品的电流呈现出特殊规律。在电压比较低时( 0 e 。( 闽值电场) 时，越来越多的电子从主 谷跃迂到子谷。由于子谷的电子迁移率u 比主谷的迁移率u ，要低得多，这部分电子漂 移速度很低。因此随着子谷中电子数的增加，总的电子平均漂移速度反而随着电场的增 加而减小 3 0 】，因此引起体内传导电流的减小，表现出负阻特性。当e e 。时，所有电子 都已经从主谷转移到子谷，电子漂移速度趋于饱和，如图2 9 所示。因为通过样品的电 流与电子平均漂移速度成正比，而电场与外电压成正比，所以样品的直流伏安特性形状 与速度一电场特性形状相似，其中a b 段为负阻区，体校应二极管的偏置点应取在这个 i 区域内。 微波谐振腔使用1 0 一1 5 v 直流电压供电时就能产生振荡，工作电流为3 2 0 - - 5 0 0 m a 谐振腔中装上不同的场效应管后输出的微波频率有微小的变化，这对测量结果影响不 大。在实验中，一般使用1 2 v 直流供电，振荡源的工作电流为4 0 0 m a 左右。由于在本 次测湿实验系统中测量微波功率的检波二极管的输出灵敏度很高，很容易就引入了噪声 影响，为了抑止噪声影响，对微波振荡源供电时，给直流电源加了一个1 k h z 的调制方 波，这样，在处理检波二极管输出时，只要电路中加一个带通滤波电路就能有效地抑止 噪声。 ( 2 ) 可变衰减器 沈阳工业大学硕l 学位论文 衰减器1 9 1 用来调节传输系统中功率电平的大小，在波导中放上涂有微波吸收材料的 衰减片，便可构成波导型结构的吸收式衰减器，微波测湿中使用这种衰减器较多。当波 导中传输t e l 0 波时，电场沿矩形波导的宽边呈证弦分布，波导中心处的电场最强，两 个窄边处的电场为零。如果有一吸收片由平行于波导窄边向波导中心移动，则在不同位 置时由于所处的电场大小的不同，所引起的衰减也不同。最大衰减量通常不超过3 0 一4 0 分贝，吸收片可用玻璃、陶瓷或其他介质材料作衬底，上面涂敷石墨粉或蒸镀一薄层表 面电阻为2 0 0 3 0 0 附平方厘米的镍铬合会，最外层涂上一层氧化硅或氟化镁的保护层， 使性能稳定可靠，一般在衰减器标出移动距离刻度，微波测湿实验中采用精密衰减器， 标有测微螺旋刻度，以满足测量精度要求。 ( 3 ) 隔离器 隔离器【9 】实际上是一种具有方向性的衰减器( 非互易衰减器) ，当微波信号按指 定方向传输时几乎没有衰减，而沿反方向传输时，微波信号就受到很大的衰减。隔离器 主要用于微波振荡器与负载之间作去耦元件，隔离掉由于负载不匹配而产生的反射波， 保证微波信号源稳定地工作。隔离器按工作原理分，可分为谐振式和场移动式两种。谐 振式隔离器用于l 瓦以上的大功率传输系统。微波测湿为小功率传输，只能使用场移动 式隔离器。 场移动式隔离器是利用铁氧体在外加恒定磁场作用下所具有的非互易性而构成的一 种微波元件。它使正向传输的波无衰减( 实际上是衰减很小) 地通过，而对于反向的波 则有较大的衰减。在微波测湿系统中使用隔离器时，可以把负载不匹配所引起的反射通 过隔离器吸收，不能返回信号源，使信号源稳定地工作。 ( 4 ) 定向耦合器 在微波系统中，经常需要将一路传输功率分为几路，而且对于功率的分配比例要求 可不同。定向耦合器属于功率分配元件。而且也是多端口微波器件。定向耦合器的种类 和形式很多，结构差异很大，工作原理也不尽相同。可以从不同的角度对定向耦合器进 行分类，例如按照传输线类型、按照耦合方式或按输出的相位关系来区分不同种类。这 类多端口元件在微波技术中获得了广泛的应用。定向耦合器属于四端口网络，如图2 1 0 所示。 沈阳t 业大学硕士学位论文 图2 1 0 定向耦合器方框图 它由主波导1 2 和副波导3 4 组成。主线的两个端口为( 1 ) 和( 2 ) ，副线的两 个端1 3 为( 3 ) 和( 4 ) 两线间有一定的耦合机构。当功率由端口( 1 ) 输入时，部分 功率直接从端口( 2 ) 输出：还有部分功率耦合到副线中，从端口( 4 ) 输出，而端口 ( 3 ) 无输出；或从端口( 3 ) 输出，则端口( 4 ) 无输出。这决定于定向耦合器的耦合 结构。假定端口( 4 ) 无输出，则端口( 4 ) 与端口( 1 ) 彼此隔离，故称端口( 4 ) 为隔 离器，而端口( 3 ) 为耦合器。显然，端口( 2 ) 为直通端。 由于各类定向耦合器的使用情况不同，其要求也各不相同，为了衡量它们的性能优 劣，规定了若干技术指标，通常定向耦合器的技术指标有四个： ( 1 ) 耦合度定义为输入端输入功率p 1 和耦合端输出功率p 3 之比。定向耦合器 多为一多端口网络； ( 2 ) 隔离度定义为输入端输入功率p 1 和隔离端输出功率p 4 之比； ( 3 ) 输入驻波比指端口( 2 ) 、( 3 ) 、( 4 ) 均接匹配负载时，输入端口( 1 ) 的驻波比： ( 4 ) 频带宽度是指耦合度、隔离度( 或定向性) 及驻波比都满足指标要求时， 定向耦合器的工作频带宽度。 ( 5 ) 喇叭天线 为了使发射的微波具有很强的方向性，起天线作用的微波传感器要具有特殊结构。 常用的是喇叭形天线传感器口”，结构简单、制造方便，它可以看作是波导管的延续，结 构如图2 t 1 所示。 图2 1 1 喇叭天线 - 1 5 - 沈阳工业人学硕l 学位论文 喇叭形天线在波导管与敞开的空间之间起匹配作用，以获得最大能量输出，它与波 导管赢接相连。 ( 6 ) 检波器 检波器是用来检测微弱微波信号相对功率的指示器。它由检波晶体管和检波接头组 成。检波晶体管本身比较脆弱，在手拿、储藏和使用中都必须小心，稍有不慎便有可能 将其损坏。例如，当把晶体管插入检波接头中时便可能由于人体所积累的静电而把它损 坏。因此在拿晶体管之前最好先将手摸摸接地物，再用一手拿住它的接地端。晶体管在 储藏中也可能因为附近的大功率辐射而损坏，所以应保存于铅盒中。当用晶体管检查较 高电平时，最好采用低阻抗指示器，避免在晶体管上发生高的反电压。将晶体管接到其 他设备时，须将这些设备接好地线。 微波检波器的灵敏度一般为1 微安微瓦或1 毫伏儆瓦，即输入信号已经小于1 毫 瓦，输出信号也很弱，通常环境存在的电磁波干扰电平以及放大器本身的噪音电平都已 经超过了这样微弱的电平信号，为了能从这样大的干扰信号中识别出有效的测量信号， 使得放大器具有信号的识别并只放大这种信号，最简单的方法就是让微波信号源输出一 种具有方波调制的微波信号，这样得到的测量信号是已经调制的信号，而干扰信号却不 含有调制信息，只要在放大器中加入选频电路，就能只让加了调制的有用信号通过并对 之放大，从而识别有用的测量信号。 用于三厘米波段的是一种调谐式波导检波接头，检波晶体管横向地插入波导中，好 象一根探针。在晶体管前面设有一个双螺钉调配器，同时在晶体管后面放了一个短路活 塞，以便在波导的整个工作频段内调到最小的驻波比，得到最高的灵敏度，在调配螺钉 及同轴输出插口的基座上均有防止高频泄露的抗流装置。 ( 7 ) 其他元件 除了以上介绍的器件之外，在微波系统中还经常能够看到以下一些器件，它们是为 了对系统进行优化而设计出来的，起着增加微波系统精确度和可靠性的作用。 1 ) 分支接头 e - t 接头和h t 接头是三分支传送系统。分支波导与主波导垂直，分支平面与电场 所在平面一致，称e - t 接头。分支平面与磁场平面一致称h t 接头。将e t 接头与h t 沈m t 业大学硕士学位论文 接头合并起来构成了双t 接头。这样做，即能提高实际电桥的灵敏度，又能简化检测系 统的电路结构。微波检测系统中用具有理想电桥特性的匹配双t 来代替实际的电桥电 路。其示意框图如图2 1 2 所示。 3 2 图2 1 2 双t 接头 其中引入的螺钉和膜片是为了双t 接头能在较宽的频带内匹配。 e 臂和h 臂彼此隔离，它们之间无能量耦合；2 臂和3 臂也是彼此隔离的，由2 臂 输入时，1 ( h ) 臂和4 ( e ) 臂有输出，3 臂无输出；由3 臂输入时，1 ( h ) 臂和4 ( e ) 臀有输出，2 臂无输出 2 ) 匹配负载 匹配负载是一种接在传输线终端的单口微波元件，它几乎无反射的吸收入射波的全 部功率，在微波系统中建立起行波工作状态。 3 ) 短路活塞 短路活塞可以在传输系统中建立驻波，用作调谐。它的作用相当于长线中长度可调 的短路线段或短线单跨线。用于微波测量的活塞，具有精密的定位刻度。信号转换电路 在测量电路中的作用 2 2 2 各部分匹配问题及系统最大功率输出问题 与低频电路的设计不同，微波电路和系统的设计，不管是无源电路还是有源电路， 都必须考虑器阻抗匹配1 9 t 3 2 1 的问题。其根本原因是低频电路中所流动的是电压和电流， 而微波电路所传输的是导行电磁波，不匹配会引起严重的反射。 本设计只涉及如何调节整个系统的匹配问题。 沈m 丁业大学硕士学位论文 整个微波系统是一个整体，它的各个部分之问肯定存在一个相互之间工作时是否匹 配的问题。首先，需要确认微波信号远是否工作，这是最主要的。 前面已经知道，体效应管是工作在直流电压下的。它的工作电压为直流1 0 1 5 伏，电流为2 5 0 - - 5 0 0 毫安。用一般稳压电源即可满足要求。这么高的电流，体效应管 的散热问题就显得相当重要了，散热不好将使振荡器的工作稳定性大大变坏，蘸至烧坏 管予，体效应管的正反向电阻几乎相等，但