元兴微波原理测量木块含水率实验—朱键组新

（华东） 近代物理实验（2-2）研究型实验开题报告课题名称：微波法测量木块含水率 成 员：朱键 孙元兴 尹慧中 学 号： 研究意义：木材含水率对木材的物理、力学性质有重要的影响，它是木材干燥过程中的重要参数，其对木材干燥过程中干燥速度的控制、对最终干燥后木材质量的参数等具有重要意义。例如：木材所有力学性质指标参数因其含水率的变化而发生很大变化。另外，木材含水率的研究价值广泛应用在商业建材中。为什么有些木门、木地板、木制家具等木制品销售出去以后会出现开裂、变形等质量问题呢？怎样减少这些问题对木业企业的损失呢？木制品制作完成后，造型、材质都不会再改变，此时决定木制品内在质量的关键因素主要就是木材含水率和干燥应力。生产制造企业需要正确掌握木制品的含水率。当木制品使用时达到平衡含水率以后，这个时候的木材最不容易开裂变形。销售木制品的经销商，通过对所销售的产品的含水率进行检测，掌握所销售产品的质量状态。选择产品质量好的厂家，凡是注重产品质量的生产厂家，都会对其产品的含水率进行检测。对于高素质的采购木制品的部门，很注重木制品的含水率指标。木材置于一定的环境下，在足够长的时间后，其含水率会趋于一个平衡值，称为该环境的平衡含水率EMC。当木材含水率高于环境的平衡含水率时，木材会排湿收缩，反之会吸湿膨胀。因此，木材干燥要适当，并非越干越好。不同地区、不同用途，对木材含水率的要求也是不一样的。 木材是一种吸湿物质，湿材在空气中放置，会不断蒸发水分；干材在空气中放置，空气中的水分也会被木材吸收，蒸发和吸收水的速度最后相等，达到动态平衡状态，这时的含水率为平衡含水率。木材平衡含水率受大气湿度的影响，因地区而不同。北方为12%左右，南方为18%左右，华中约为16%左右。木材平衡含水率在生产上有很大的意义。家具、门窗、室内装修等用材的含水率，必须干燥到使用地区的平衡含水率以下，否则木制品会开裂和变形。传统的对木材的烘干方法是烘干法：烘干法就是将木材的含水率试片烘至全干来测其含水率的方法。用烘干法测量木材含水率比较准确可靠，而且不受含水率范围的限制。但测量时有机质很多易挥发,挥发的有机质被当做水,使测量值比实际值偏高，并需要相当长的时间。而微波法测量含水率，不但数值准确可靠，不受含水率范围的限制，而且测量时有机质不会挥发，测得的含水率相当准确。还有一点好处就是测量时间快，不像烘干法那样需要一定的时间。另外微波法还有一些独特的优点:不接触、无损伤、连续、实时、灵敏度高;微波无毒害、不污染环境、便于维护、成本较低。实验原理：1.微波测湿原理微波也是一种电磁波, 其波长在1 1 之间, 频率在300 300之间。电磁波在介质材料中传播时, 其传播常数, 可由材料的介电常数的特性来表示。在波导空间:然而电磁波通过厚度为d 的介质材料时, 其衰减量和相移量分别为 由于水是强极性分子 , 在外加电场作用下, 将产生很强的取向极化, 与此同时还将产生位移极化。极化的结果将外加电场的能量转化成水分子的势能, 结果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来表示。由于分子的运动有惰性, 取向极化运动相对于外电场的变化有一段时间上的滞后, 这就是驰豫现象。驰豫的宏观效果使水分子产生损耗, 这一损耗可以用复介电常数的虚部来表示。在外加电场作用下, 水的极化程度远大于其它物质。在微波波段, 水的复介电常数要随频率而变化。蒸馏水一种单纯的介质, 在任意微波频率的照射下, 它的复相对介电常数的实部和虚部分别表示为式中, 和分别是水在极低频率和极高频率时的复相对介电常数的实部;代表驰豫时间。在频率为的正弦交变电场作用下, 电介质的极化驰豫现象通常可以近似的由德拜方程在X 波段（8 - 12 GHz，波长范围37.50 - 25.00 mm）, 水的复相对介电常数约为=60, =30。水的介电常数比其它物质的介电常数大得多, 一般基质的0.25, 0. 01。材料含有水份后, 它的相移和衰减将会明显增大。因此通过测量含水物质在微波场中的介电常数, 就能间接测得该物质的含水量的多少。尽管如此, 但微波测湿往往不是测量复介电常数, 而是测量微波通过物料时的衰减常数、相移常数或相移量、谐振频率等来进行间接测量。水分子极化的宏观效果使微波电场能量发生衰减, 检测信号相对变小, 拾取表面波附近电场分量的变化就能够反映物质含水量的多少。这就是微波测湿的物理基础。值得注意的是, 水被吸入材料中后, 其本身特性也将发生显著的变化, 不再与蒸馏水相同。水对材料的影响程度, 与水在材料中的状态有关。水在生物机体中呈现束缚状态。实验方法：1. 衰减量 A 和相移量的测量利用传输波及波的干涉特性的驻波测量法进行测量测量原理如图1所示,在驻波测量线中,从左边进入的波与通过样品谐振腔后从右边进入的波干涉后形成驻波. 在放基准样品时, 调两路波幅（质点在震动过程中偏离平衡位置最大的距离）E1 与E2 相等,使得在测量线中得到纯驻波,并保持E1 不变. 当换上待测样品后, E2 变为E2, 驻波亦产生了相应的变化, 如图二所示。设此时测量线测得的驻波比（驻波波腹电压与波谷电压幅度之比）为S，最小点位移为x , 则（电压终端反射系数）等效反射系数的模值所以由待测样品引起的微波衰减变化量和相移变化量分别为 2.驻波法测量波导波长当测量线终端短路时，传输线上形成纯驻波，波导波长是指波导中导行电磁波的波长，在数值上等于驻波相邻两个极值点之间距离的两倍。场强在极大值点附近变化缓慢，峰顶位置不易确定，而且探针位于波节处对场分布的影响最小，因此采用驻波极小点的未知来测量波导波长。测量时移动波导测量线探针，测出驻波相邻两个波节点之间的距离，即可求得波导波长。为提高测量精度，采用“交叉读数法”确定驻波波节点的位置。如图三所示，测量波节点附近两边指示器读数同为电平M的点，取这两点位置的平均值为波节点的位置坐标，则相邻两个波节点的位置坐标分别为： 从而，测量线上的波导波长为： 波导测量线的开槽会影响波导波长，在精确测量中需要求出无槽波导中的波导波长分析可得：有槽波导测量线的波导波长与相同截面的无槽波导波长的关系为：式子中为测量线的槽宽，a、b分别为波导的截面宽度和高度。在开槽影响很小的情况下，一般测量中不区分和，测出即为。通过波导波长可计算出自由空间波长微波测量系统实验装置 实验采用3cm波导测量线，探针与波导中的电场平行，电场的变化在探针上产生感应电动势，经过晶体二极管检测后由指示器读出，电动势大小的位置由平行于槽的标尺读数指出。调节微波测量系统装置调节匹配是微波测量中必不可少的工作内容。采用驻波测量线，调节微波系统达到匹配状态基本方法：调大驻波极小点的E1直到其最大；或者调小驻波极大点的E2直到其最小。例如，调大驻波极小点的方法：测量线的探针放在驻波极小点处，调节接在测量线输出端的调配元件（单螺钉调配器），使探针的输出指示稍微增大（注意不要增大太多，否则会发生假象即波形移动，这时极小点电场可能未增大），通过左右移动探针察看极小点是否真正增大。这样反复调节调配元件，使极小点逐步增大直到最大，则测量系统达到最佳匹配状态。在上图所示的微波测量系统中，波导测量线的输出端口直接连接可变短路器，使用波导测量线采用“交叉读书法”测量波导波长。3.驻波比的测量功率衰减法测量驻波比。测量时，先把测量线的探针置于驻波波节点，调节精密可变衰减器，使指示器的读数在满刻度的80%附近，并记下读数与精密可变衰减器衰减量的分贝值；再移动探针至波腹点，改变精密可变衰减器衰减量，使指示器的读数仍为，这时精密可变衰减器衰减量的分贝值为，则有：因此被测驻波比S为实验内容：1.准备实验样品（1）需要制作同样类型同等体积的木块若干（6块）（2）需要把木块烘干（3）.需要制作六种含水量不同的木块2.样品含水率的测量（1）需要设计好实验装置框图来连接实验仪器。（2）连接好实验仪器后，想办法用测量线测得驻波比d,最小点位移x ,还有波导波长，通过这三个物理量用公式求出由待测样品引起的微波衰减变化量和相移变化量。（3）需要尽量精确得到所有不同含水木块样品的含水率（4）得出含水木块样品含水量与微波功率衰减量的关系曲线。 得出含水木块样品含水量与微波相位移量的关系曲线。这两条曲线就是我们要得出的定标曲线。（5）拿一块泡了0.6h的湿木头，用微波法测量其含水率。实验方案设计：1.实验框图 实际测量电路下图所示. 微波信号由HT分成两路: 路直接从左端进入测量线; 路经过传感器从测量线右端输入。两路波相干后形成的驻波通过驻波测量线检测。实验时,微波频率f = 9370M Hz, 样品为木块, 样品容器紧靠接收喇叭放置。首先, 以干木块基准样品, 调衰减器( 2) , 使两路波幅相等。然后, 在保证衰减器( 2) 不变的条件下, 测得不同含水率的样品相应的驻波比和相位移,得到实验曲线。（选频放大器可以读出驻波比） 2. 样品的配制含水样品：木块（找木块、形状良好）样品定标：1.准备木块在网上购买同样类型同等体积与质量的木块若干（6块），2.木块烘干晒干（提前准备）、用微波炉或烘箱烘干。 如何检验木块被烘干每次烘干后检验木块重量，若不存在质量变化，则可证明已经烘干l考虑到一些木材烘干后会掉木屑或分裂，所以选择一类木材 3.得到含水率不同的木块：木块浸泡室温下（温度会不会影响吸水率）分别对相同木块浸泡0.25h、0.5h、0.75h、1h、1.5h、2h、3h 拿出浸泡后的木块，在室温下放置一段时间（15分钟），避免木块滴水（微波测湿一般都是相对测量. 首先在一定条件下测得标准样品的含水量与驻波比或相位移的关系曲线 定标曲线. 则在同样条件下,测定待测样品的驻波比和相位移, 就可以从定标曲线上查得相应的含水量。）3.实验装置连接与测量（1）按照实验装置框图来连接实验仪器，调节微波的测量系统。（2）在样品谐振腔内放置基准样品，通过选频放大器读出驻波比S。（3）首先样品谐振腔内放置基准样品，测量时移动波导测量线探针，记录所有电平为M（根据测量时电平的波动范围适当自定义大小）的点所在的位置，通过这些点画出如图三所示的波形图，然后通过波形图一，用交叉读数法确定驻波节点的位置，从而得出波导波长。（4）然后样品谐振腔内换待测样品，测量方法如步骤（3），画出波形图二，然后和波形图一叠放在一起，如图二一样，求出大小。4.样品含水率的具体测量 （1）把已经准备好的木块样品按照浸泡时间长短依次样品腔中，通过测量线测得的驻波比S,波长，最小点位移 ,通过原理公式求出由待测样品引起的微波衰减变化量和相移变化量。（2）通过烘干法分别得到所有泡水木块样品的含水率（3）通过上面两步得出的待测样品的含水率和微博衰减变化量,相移变化量。得出含水木块样品含水量与微波功率衰减量的关系曲线。得出含水木块样品含水量与微波相位移量的关系曲线。这两条曲线就是我们要得出的定标曲线。（4）拿一块泡了0.6h的湿木头，测出它的微波相位移量，通过定标曲线得出含水率，再与通过烘干法得出的含水率进行比较，得出误差分析。5.拓展：选择不同类型的木块进行试验检测不同类型木块的吸水率是否一致预期结果：1.得出含水样品含水量与微波功率衰减量的关系曲线，进行误差分析。2.得出含水样品含水量与微波相位移量的关系曲线，进行误差分析。3.最重要的是成功得到了一种全新的的微波测量含水率的方法。实验器材微波源、波长表、测量线、波导、短路片、可变电抗器、衰减器、晶体检波器、木块、双T分支元件、喇叭管、隔离器、烘箱、天平参考文献：1朱建堂, 陈向东. 激光、红外、微波NDT新技术的应用与发展. 实用测试技术, 1996(4)2时振栋, 黎安尧, 王晦光. 电磁波的应用. 高等教育出版社, 1990. 73栾桂冬, 张金锋, 金欢阳. 传感器及其应用