高频电磁波测量土水系统环保传感器的设计与制造

[D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2005.05.056 第27卷第5期 北京科技大学学报 Vol.27 No.5 2005年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2005 高频电磁波测量土水系统环保传感器的设计与制造 冯振华”田跃”尚秋林)许洪彦》邱宏》 1)北京科技大学应用科学学院物理系，北京1000832)加拿大安大略大学环境工程系，安大略省N6A5B9,加拿大 摘要提出了一种通过利用微波方法测量物质复介电常数来分析土水系统特性的方法，并 设计了一种环保传感器.该传感器采用较简单的单端微波反射系数法，并利用多孔陶瓷材料制 成渗透室.本文论述了此种传感器的设计、制造以及实现测量的方法， 关键词复介电常数：电介质损耗：土水系统：多孔陶瓷 分类号X523 利用电磁波与含水物质之间的相互作用规 射型、谐振型与非谐振型、闭式与开式，一般来 律是微波测湿法的基础，关于含水量与介电常 说，闭式结构适宜于切取样品来检测，而不适宜 数之间的关系，国外有很多学者做过相关的研 连续在线检测.当然，待测样品为气体或液体时 究.如Martti T.Hallikainen等人用波导管技术和天 是例外的，闭式结构因其包含的不理想因素和外 线技术测量了不同含水量下的土壤微波介电常 界干扰比较少，因此准确度比较高. 数，证明介电常数会随土壤体积含水量增加而 1测量方法与传感器类型的选定 增大，并且和土壤的温度、盐度、粒度有一定的关 系.James R.Wang给出土壤复介电常数与含水 1.1环保监测原理 量的经验模型，R Neril等人进行了修正.J.W. 复介电常数表明了物质的电学性质影响与 Scholte等人证明了相对介电常数和介电损耗都 其电磁波能量的相互作用，它的实部与虚部分别 随体积含水量线性增长，并且它们和土壤容积密 表明了极化作用（能量存贮）与传导作用（能量损 度也呈线性增长关系：同时，相对介电常数随土 耗).表达式为： 壤盐度增加而线性降低，介电损耗则相反). 8'=8'-je" (1) 另外，由于土壤中含水量的变化影响复介电 其中，ε为复介电常数的实部，表明物质存储电 常数的实部，水溶液中含盐量的变化影响土壤的 荷的能力；e”为复介电常数的虚部，表明物质中 导电性，即介电常数的虚部，介电常数的变化会 电场能量的损耗：j户√一1.物质的复介电常数，常 直接影响雷达图像刻录目标物的后向散射系数. 以真空介电常数为标准，得出相对复介电常数 Thomas J..Jackson等人通过实验发现，在一特定的 Er: 体积含水量下，增加盐度会降低土壤的发射率 (2) K.Sreenivas等人详细地研究了盐度对土壤L波 其中，8o=8.854×10-2Fm1为真空介电常数，8为 段介电特性的影响，得出了复介电常数的实部仅 相对介电常数，”为相对损耗因子. 受含水量和粒度的影响，而和盐度无关，虚部和 土水系统的复介电常数受许多物理属性影 盐度密切相关的结论， 响，如水含量、颗粒度、密度、矿物成分、温度和 材料的电磁参数测试方法按测量原理可分 土壤孔液盐度.所以，有可能通过检测土水系统 为网络参数法和谐振腔法两大类.测量这些电磁 复介电常数的变化来反映环境的变化.笔者开发 参数所用的微波传感器种类很多，如传输型与反 的这套地下土水监测系统，就是利用传感器采集 收稿日期：2004-10-15修回日期：200412-16 污染样品反射的电磁波信号，再使用测量系统分 基金项目：国家自然科学基金资助项目0No.40371095) 析复介电常数变化的规律，从而了解样品周边环 作者简介：冯振华(1981一)，男，硕士研究生 境的变化情况

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 一 一 高频 电磁波测 量土水系统环保传感器 的设计与制造 冯 振华 ” 田 跃 ‘， 尚秋林 ” 许 洪 彦 ” 邱 宏 ” 北京 科技大 学 应 用科学 学 院物理 系 ， 北 京 加拿 大安 大 略大 学环 境工 程 系 ， 安大 略 省 ， 加 拿 大 摘 要 提 出 了一 种 通过利 用 微波 方 法 测量物 质 复介 电常数来分 析土 水 系统特性 的方 法 ， 并 设 计 了一种 环 保 传 感器 该传 感器采用较 简单 的单端微波 反射 系 数法 ， 并利用 多孔 陶 瓷材料 制 成 渗透室 本文 论 述 了此种 传 感 器 的设 计 、 制 造 以及 实 现测 量 的方法 关键词 复介 电常数 电介质损 耗 土 水 系统 多孔 陶瓷 分 类号 利 用 电磁 波 与 含 水 物 质 之 间 的相 互 作 用 规 律 是 微 波 测湿 法 的基 础 〔，， 关 于 含 水 量 与 介 电常 数 之 间 的 关 系 ， 国外 有 很 多 学 者 做过 相 关 的研 究 如 廿 等 人 用 波 导管技 术和 天 线 技 术 测 量 了不 同含 水 量 下 的土 壤 微 波 介 电常 数 ， 证 明介 电常 数 会 随 土 壤 体 积 含 水 量 增 加 而 增 大 ， 并且 和 土壤 的温度 、 盐度 、 粒度 有一 定 的关 系 〔 自 给 出土 壤 复 介 电常 数 与含 水 量 的经验 模 型 ， 等 人进 行 了修 正 等 人 证 明 了相 对 介 电常 数 和 介 电损 耗 都 随体积含水 量 线性 增 长 ， 并且 它 们 和 土 壤 容 积 密 度 也 呈 线 性 增 长 关 系 同 时 ， 相 对 介 电常 数 随土 壤 盐度 增 加 而 线 性 降低 ， 介 电损 耗 则 相 反’习 另外 ， 由于 土壤 中含 水 量 的变 化 影 响复介 电 常数 的实部 ， 水 溶液 中含 盐量 的变化 影 响土壤 的 导 电性 ， 即介 电常 数 的虚 部 ， 介 电常 数 的变化 会 直 接影 响雷 达 图像刻录 目标物 的后 向散射 系 数 等人 通 过 实验 发现 ， 在一特 定 的 体积 含 水量 下 ， 增加 盐度 会 降低 土 壤 的发射 率 等 人 详 细 地 研 究 了盐度 对 土壤 波 段 介 电特 性 的影 响 ， 得 出 了 复介 电常数 的实 部仅 受含 水 量 和 粒度 的影 响 ， 而 和 盐 度 无 关 ， 虚 部 和 盐度 密 切 相 关 的结论 材 料 的 电磁 参 数 测 试 方 法 按 测 量 原 理 可 分 为 网络 参 数法 和 谐 振腔法 两 大类 测 量这 些 电磁 参数 所 用 的微波 传 感 器种 类 很 多 ， 如 传输 型 与反 射 型 、 谐 振 型 与 非谐 振 型 、 闭式 与 开 式 一般 来 说 ， 闭式 结 构 适 宜 于切 取 样 品来 检 测 ， 而 不 适 宜 连 续 在 线 检 测 当然 ， 待 测 样 品 为气 体 或 液 体 时 是例 外 的 ， 闭式 结构 因其 包 含 的不 理想 因素和 外 界 干 扰 比较 少 ， 因 此 准 确 度 比较 高 测 量方 法 与传 感器 类型 的选 定 环 保 监 测 原理 复 介 电常 数 表 明 了物 质 的 电学 性 质 影 响 与 其 电磁 波 能量 的相 互 作用 ， 它 的实 部 与 虚部分 别 表 明 了极 化 作 用 能量 存 贮 与传 导作 用 能量 损 耗 表 达 式 为 ’ “ ’勺“ ‘， 其 中 ， 扩为 复 介 电常数 的实 部 ， 表 明物质 存储 电 荷 的能 力 砂为复 介 电常 数 的虚 部 ， 表 明物 质 中 电场 能量 的损 耗 、 厂丁 物 质 的复 介 电常数 ， 常 以真 空 介 电常 数 为 标 准 ， 得 出相 对 复 介 电常 数 成 君 召 习 ， · ，， —一 — 称 一 右 ， 肠 一 石。 收稿 日期 今 于 修 回 日期 一 基金 项 目 国家 自然科学 基金 资助 项 目伽 作者 简介 冯 振华 一 ， 男 ， 硕 士 研 究 生 其 中 ， 。 ‘ 一 ” · 一 ’ 为 真 空 介 电 常 数 ， 式为 相 对 介 电常 数 ， 酬为相 对 损 耗 因 子 土 水 系 统 的复 介 电常 数 受 许 多物 理 属 性 影 响 ， 如 水 含 量 、 颗 粒 度 、 密 度 、 矿 物 成 分 、 温 度和 土 壤 孔 液 盐度 所 以 ， 有 可 能通 过 检测 土 水 系 统 复介 电常数 的变化 来 反 映环 境 的变 化 笔 者 开发 的这 套地 下土 水监 测 系统 ， 就 是 利用 传 感器 采集 污染 样 品反射 的 电磁 波 信 号 ， 再 使用 测 量 系统 分 析 复 介 电常 数 变 化 的规 律 ， 从而 了解 样 品周边环 境 的变 化 情 况 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．2005．05．056

·614* 北京科技大学学报 2005年第5期 12单端同轴微波传感器 和虚部) 对于污染的土壤、建材等样品，测试频率一 对于单端同轴系统，接受的电磁波信号主要 般在50MHz到几个GHz,所以对于这种宽频带 是反射.环状样品放入同轴容器后，接入ANA, 测试来说，最适宜的测量方法是同轴线传输法向， 就可以测出特定频率下电压脉冲信号的幅度与 同轴线传输系统可分为单端与双端系统.对于双 相位角.反射信号用S,表示，它和散射参数有密 端系统来说，要想得知物质的复介电常数就必须 切的关系，其中第一个下标表示接受信号的端 测量S,S2,和S(=S),然后根据经典的N-R法m 口，第二个表示信号源端口.S确定后，即可以计 就可以计算出复介电常数.在该方法中，待测材 算出样品的复介电常数，从而了解其传导特性与 料样品被置于同轴线或矩形波导取样器中，通过 极化特性. 自动矢量网络分析仪ANA测量样品区散射参 本项目选用的网络分析仪为HP8753D,其 数，然后通过散射方程反演，就得到了材料的复 工作频段为0.3MHz到3GHz,内置S参数测试仪， 介电常数.如果样品较多，则需花较多的时间：此 外，样品的容积与尺寸必须完全适合于样品室， 2环保微波传感器的设计 对于粉状和液状样品，样品容器制造也较困难. 相反，若使用单端同轴传输线系统，就比较简单 2.1外形尺寸及模块化设计 且灵活，仅需测量反射系数S:就可以. 为了配合同轴电缆的阻抗一标准同轴传 本项目研究工作是设计一种单端闭合同轴 输线502，所以同轴系统（传感器）的阻抗也应为 传输线系统，这样无论样品是固体，还是粉状和 502.同轴系统（传感器）大体应分为四部分：连接 N型射频同轴连接器的接口、传输腔、样品室和 液状，都可以放入样品容器，而且闭合式结构也 可以使测量结果受到的外界干扰最小：另外，不 短路端.由于样品室要盛放土质样品，所以应该 采取探针或同轴探头的原因主要是考虑到土水 根据地质学标准使其直径足够大，以容纳各种最 系统是高损耗物质，利用探针或探头发出的电 典型的土质类型，如沙粒、岩石粒、淤泥、煤粉、残 磁波信号，仅可以深入被测物表面几个毫米的深 渣、粘土和泥土颗粒，这样就可以在实验室尽量 度；同时，相比于探针，同轴容器有更高的精 真实地模拟实地环境的土质.根据文献[11]，环状 度，并能准确反映非匀质和大容积样品的复介电 样品空间径向至少14.2mm,长度至少35mm. 常数. 根据文献[12]，要想使连接ANA的同轴容器 13复介电常数测试系统 阻抗为502，要求同轴容器内外导体直径满足 测量复介电常数的系统，如图1所示，由以下 60in6) Z=Ve: =50 (3) 几部分组成：自动矢量网络分析仪(ANA)、微波 传感器（同轴样品容器）、一套连接用的同轴电缆 且由上述样品要求知： b-a=14.2×2=28.4mm (4) 和一台用于数据处理的PC机.通过ANA产生特 定频率段的电磁波信号，然后检测样品反射回来 其中，Z为同轴容器阻抗；b为外导体直径；a为内 的信号，将信号送入计算机，经过软件处理，就可 导体直径；ε为样品容器中填充样品的相对介电 以得到待测频率下样品的复介电常数（包括实部 常数，即复介电常数的实部 由此确定内导体直径21.6mm,外导体内径 PC用数据处理 为50mm,外导体外径定为65mm,如图2所示. HP-[B连接电缆 同轴容器的柱状部分应该足够长，以尽量避 免锥状和柱状连接处电磁波的反射影响，根据报 单端同轴 道样品与锥状部分距离至少150mm,为了使影响 传感器 降到最低，将这个长度定为250mm. 被测样品 使用ANA对样品进行复介电常数测量时， HP-8753D网络分析仪同轴电缆 必须保证样品在同轴容器内部的位置确定不变， 并且和内外导体壁良好的紧密接触.为了使测 图1测试系统简图 量产生的误差减到最低，使传感器的柱状部分截 Fig.1 Diagram of the detection system 成三部分，即把样品室分离出来，然后用螺纹联

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 单端 同轴 微 波 传 感 器 对 于 污 染 的土 壤 、 建 材 等样 品 ， 测 试 频 率 一 般 在 到 几 个 ， 所 以对 于 这 种 宽频 带 测试 来 说 ， 最适 宜 的测 量 方法 是 同轴 线 传输法 同轴 线传 输 系 统 可分 为单 端 与双 端 系 统 对 于双 端 系统来 说 ， 要 想 得 知物质 的复介 电常数 就 必 须 测 量 ，，， 及 ， 和 凡 ， 凡 ， 然 后 根 据 经 典 的 一 法〔 ， 就 可 以计 算 出复 介 电常 数 ， 在 该 方 法 中 ， 待 测 材 料 样 品被 置 于 同轴线 或矩 形波 导取 样器 中 ， 通 过 自动 矢 量 网 络 分 析 仪 测 量 样 品 区 散 射 参 数 ， 然 后 通 过 散射 方 程 反演 ， 就得 到 了材 料 的复 介 电常数 如 果样 品较 多 ， 则 需花较 多 的时 间 此 外 ， 样 品 的容积 与尺 寸 必 须 完 全 适 合 于 样 品 室 ， 对 于 粉 状 和 液 状 样 品 ， 样 品容 器 制 造 也 较 困难 相 反 ， 若 使 用 单 端 同轴 传 输 线 系统 ， 就 比较 简 单 且 灵 活 ， 仅 需测 量 反射 系 数及 ，就 可 以 本 项 目研 究 工 作 是 设 计 一 种 单 端 闭合 同轴 传 输 线系 统 ， 这 样无 论 样 品是 固体 ， 还 是 粉 状 和 液状 ， 都 可 以放 入 样 品容 器 ， 而且 闭合 式 结 构 也 可 以使测 量 结 果 受 到 的外 界 干 扰 最 小 另 外 ， 不 采 取 探 针 或 同轴 探 头 的 原 因 主 要 是 考 虑 到 土 水 系 统 是 高损 耗 物 质 ， 利 用 探 针 或 探 头 发 出 的 电 磁 波 信 号 ， 仅 可 以深 入 被测 物表 面几 个 毫 米 的深 度 ‘ 同 时 ， 相 比于 探 针 ， 同轴 容 器 有 更 高 的精 度 ， 并 能准 确 反 映 非匀 质 和 大 容积 样 品 的复介 电 常 数网 复介 电常数 测 试 系统 测 量 复介 电常 数 的系 统 ， 如 图 所 示 ， 由 以下 几 部 分 组 成 自动 矢 量 网络 分 析 仪 、 微 波 传 感 器 同轴 样 品容 器 、 一 套 连 接 用 的 同轴 电缆 和 一 台用 于 数 据 处 理 的 机 通 过 刊 产 生特 定 频 率 段 的 电磁 波 信 号 ， 然 后检 测 样 品 反射 回来 的信 号 ， 将信 号送 入 计 算 机 ， 经 过 软件 处 理 ， 就 可 以得 到待 测 频 率 下 样 品 的复介 电常 数 包 括 实 部 和 虚 部 对 于单 端 同轴 系 统 ， 接受 的 电磁 波 信 号 主 要 是 反射 环 状 样 品放 入 同轴 容器 后 ， 接 入 ， 就 可 以测 出特 定 频 率 下 电压 脉 冲 信 号 的幅度 与 相 位 角 反射信 号用况 表 示 ， 它和 散射 参 数有 密 切 的关 系 「 ， 其 中第 一 个 下 标 表 示 接 受信 号 的端 口 ， 第 二个 表 示信 号源端 口 昌 确 定后 ， 即可 以计 算 出样 品 的复介 电常 数 ， 从而 了解 其 传 导特 性 与 极化 特 性 本 项 目选 用 的 网络 分 析 仪 为 卜 ， 其 工作频 段 为 到 ， 内置 参 数测试 仪 环保微 波传 感器 的设 计 外 形 尺 寸 及模 块 化 设 计 为 了配 合 同轴 电缆 的 阻 抗 — 标 准 同轴 传 输 线 ， 所 以 同轴 系 统 传 感 器 的 阻抗 也 应 为 同轴 系统 传感 器 大体应 分 为 四部 分 连 接 型射 频 同轴 连 接 器 的接 口 、 传 输腔 、 样 品室和 短 路 端 由于样 品 室 要 盛 放 土 质 样 品 ， 所 以应 该 根 据地 质 学 标准 使其 直 径足够 大 ， 以容纳 各种 最 典型 的土质 类 型 ， 如 沙 粒 、 岩 石 粒 、 淤 泥 、 煤粉 、 残 渣 、 粘 土 和 泥 土 颗 粒 ， 这 样 就 可 以在 实验 室 尽 量 真 实地模拟 实地 环 境 的土 质 根据 文献 【 ， 环 状 样 品 空 间径 向至 少 ， 长 度 至 少 根 据 文 献 ， 要 想 使 连 接 的 同轴 容 器 阻抗 为 ， 要 求 同轴 容 器 内外 导体 直径 满足 ， 、 万 蝙 瓦舒 二 一 ” 。 单端同轴 被测样品 口 巨口 传感器 图 测 试 系 统 简 图 卜 ， 且 由上 述 样 品 要 求 知 一 二 其 中 ， 为 同轴 容 器 阻 抗 为外 导 体直 径 为 内 导 体 直 径 己 为样 品容器 中填 充样 品 的相对 介 电 常数 ， 即复介 电常数 的 实 部 由此 确 定 内导 体直 径 ， 外 导体 内径 为 ， 外 导 体外 径 定 为 ， 如 图 所 示 同轴 容器 的柱 状 部 分应 该足够 长 ， 以尽 量 避 免锥状和 柱 状连 接 处 电磁 波 的反射 影 响 根 据 报 道 样 品与锥状 部 分距 离 至 少 ， 为 了使 影 响 降到 最 低 ， 将 这 个 长 度 定 为 使 用 对 样 品进 行 复介 电常 数 测 量 时 ， 必 须保证 样 品在 同轴 容器 内部 的位 置确 定 不变 ， 并 且 和 内外 导 体 壁 良好 的紧 密 接 触‘ 为 了使测 量 产 生 的误 差 减 到最低 ， 使 传 感器 的柱 状 部 分截 成 三 部 分 ， 即把 样 品 室 分 离 出来 ， 然 后 用 螺 纹 联

Vol.27 No.5 冯振华等：高频电磁波测量土水系统环保传感器的设计与制造 615· 外导体（不锈钢） mm,并且要在端面打1.8mm的细长孔.如果与 中65mm 内导体锥部联成一体，一方面加工难度很大：另 一方面，如果插孔加工有误，整个内导体还要重 φ21.6mm 新加工.因而插孔轴设计为有弹性内收作用的插 孔，这样可以保证与N型联接插针的紧密接触. Φ50mm 此外，传感器外导体锥部与柱部也设计成分段过 A-A 盈装配. 内导体（不锈钢） 图2同轴传感器A-A截面图 2.4传感器材料选择 Fig.2 Cross sectional view of the coaxial sensor 传感器外壳选用不锈钢材料.传感器内腔即 接尾部短路端与前部的柱状导体，另外，样品与 内外导体之间的空腔中要填充低介电常数的良 内外导体之间微小的缝隙同样会引起测量复介 好绝缘材料，并且要求耐蚀性好，聚四氟乙烯 电常数时的错误，将样品室分离成单独的一个环 (PTFE)是最佳的选择， 腔，有利于用各种方法减小这些微隙.这样，改进 2.5聚四氟乙烯的填充 的模块化设计，可以保证样品在同轴腔内的尺寸 聚四氟乙烯的模压成型过程中，主要考虑两 与位置都被严格控制，同时样品长度的固定也使 点：一是压制过程中内外导体的同轴问题：二是 得测量误差得以减小到最低， 压制过程中排气的问题 2.2前端锥腔设计 内外导体的同轴度，会受两个因素影响：一 样品容器的柱状部分与ANA通过直径约10 方面外导体锥腔与柱腔在机加工时，由于机床本 mm的标准同轴电缆连接.为避免同轴电缆与网 身精度限制，或者加工时的误差，使得外导体锥 络分析仪间的界面反射，由一个锥形腔进行过 部与柱部轴线可能不完全重合：另一方面，内导 渡，这个锥腔锥度不宜过大，而且其阻抗也必须 体轴长至少330mm,属于较难加工的细长杆类， 符合502，这一点由下式保证： 由于加工中的机械振动等问题，使得内导体轴线 tane 不可能与外导体轴线完全重合. Zo=60 In =502 (5) 聚四氟粉料在压制前，要进行预处理：先要 tane 2 用高温炉烘干2h(温度120℃)，然后过筛，避免粘 其中，81外导体锥度，82内导体锥度.设定9=16°， 团与结粒.压制过程中，速度要缓慢，这是为了保 0,=7°.传感器的整体外形尺寸如图3. 证空气更好的排出：如果压的太快，会使成型的 传感器外导体 传感器内导体 聚四氟中出现气穴与孔洞，影响传感器绝缘层的 16 介电性质.为了解决聚四氟乙烯在压制过程的同 轴度定位与排气问题，设计了一套聚四氟乙烯封 装成型模具，图4为模压成型原理示意图 2.6样品室多孔陶瓷 样品室中的样品为长35mm的环状填充.为 250 35257.5 适应水污染的环保需要，采用了多孔陶瓷技术， 锥部收尾端与N型联接头 环状样品 尾部短路端 在传感器中部的样品室外导体壁上打均匀密布 图3同轴传感器外形图（单位mm) Fig.3 Outline drawing of the coaxial sensor 的小孔，环状区放入尺寸合适的多孔陶瓷产品， 2.3传感器的联接 膜具腔体 聚四氟粉料 同轴样品容器与标准同轴电缆间的连接，参 》w 考国际标准N型接头的尺寸，将锥部前端直接加 F压力 工成形，这样外导体联接头与锥部浑然一体，避 F压力 免了电磁波信号不必要的端面反射；另外，内导 体联接需要单独加工一段阴头插孔轴，然后利用 内导体定位联接杆传感器外导体传感器内导体内导体联接杆 图4聚四氟粉料的模压成型原理示意图 过盈配合装卡在内导体的锥部前端，这样是考虑 Fig.4 Sketch map of PTFE mould pressing forming 到机加工工艺性，内导体联接孔前端直径约3

、 勺】 ， 冯 振 华等 高频 电磁 波 测 量 土 水 系 统环 保 传 感器 的设 计 与 制 造 外导体 不锈钢 中 中 〔 内导体 不锈钢 图 同 轴传 感 器 截 面 图 眨 对 接 尾 部 短 路 端 与前 部 的柱 状 导 体 另外 ， 样 品 与 内外 导 体 之 间微 小 的缝 隙 同样 会 引起 测 量 复 介 电常数 时 的错误 ， 将样 品室分 离成 单独 的一 个环 腔 ， 有利 于用各 种 方 法减 小这 些 微 隙 这 样 ， 改进 的模 块 化 设计 ， 可 以保证 样 品在 同轴 腔 内的尺 寸 与位 置 都被严 格控 制 ， 同时样 品长度 的 固定 也使 得 测 量 误 差 得 以减 小 到 最 低 前端 锥 腔 设 计 样 品容 器 的柱 状 部 分 与 通 过 直 径 约 。 的标 准 同轴 电缆 连 接 为避 免 同轴 电缆 与 网 络 分 析 仪 间 的 界 面 反 射 ， 由 一 个 锥 形 腔 进 行 过 渡 ， 这 个锥 腔锥 度 不 宜 过 大 ， 而 且 其 阻抗 也 必 须 符 合 ， 这 一 点 由下 式保 证 、︸ 户卜沪 「鲤塑 生 ， 八 ， 八 乙 一气 下「一 各乙 竺卫竺 其 中 ， 外 导体锥 度 ， 氏 内导 体锥度 设 定 口 氏二 传 感 器 的整 体 外 形 尺 寸 如 图 传感器外导体 传感器 内导体 环洲份 另少淋少俐吩万欢召外二父父外 必欢召幼 次妙沁洲交必二如砰用旧致仍乞仍 产」 。 ， 险 … 锥部收尾端与 环状样 品 尾部短路端 图 同 轴传 感器 外 形 图 单位 传 感 器 的联 接 同轴 样 品容 器 与标 准 同轴 电缆 间 的连 接 ， 参 考 国际标准 型接 头 的尺 寸 ， 将锥 部 前端直接 加 工 成 形 ， 这 样外 导 体 联 接 头 与 锥 部 浑 然 一 体 ， 避 免 了 电磁 波信 号 不 必 要 的端 面 反射 另外 ， 内导 体 联接 需要 单独 加 工 一段 阴头插孔 轴 ， 然后利 用 过 盈配 合装 卡在 内导体 的锥部 前端 ， 这样 是考 虑 到机 加 工 工 艺 性 ， 内导体 联 接 孔 前 端 直 径 约 ， 并且 要 在 端 面 打拟 的细 长 孔 如 果 与 内导 体 锥 部联 成 一 体 ， 一方 面 加 工 难 度 很 大 另 一 方 面 ， 如 果 插 孔 加 工 有误 ， 整 个 内导 体 还 要 重 新加 工 因而插 孔轴 设 计 为有 弹性 内收作用 的插 孔 ， 这 样 可 以保 证 与 型联 接 插 针 的紧 密 接 触 此 外 ， 传 感 器 外 导体锥 部 与柱 部 也 设计 成 分段 过 盈 装 配 传 感 器 材 料 选 择 传 感 器 外 壳选 用 不 锈 钢 材 料 传 感 器 内腔 即 内外 导 体 之 间 的空 腔 中要 填 充 低 介 电常 数 的 良 好 绝 缘 材 料 ， 并 且 要 求 耐蚀 性 好 聚 四氟 乙 烯 是 最 佳 的选 择 ， 聚 四 氟 乙 烯 的填 充 聚 四氟 乙 烯 的模 压 成 型过 程 中 ， 主 要 考 虑 两 点 一 是 压制 过程 中 内外 导 体 的 同轴 问题 二 是 压 制 过 程 中排 气 的 问题 内外 导 体 的 同轴 度 ， 会 受 两 个 因素 影 响 一 方 面 外 导体锥腔 与柱 腔在 机加 工 时 ， 由于机床本 身精 度 限制 ， 或 者 加 工 时 的误 差 ， 使得 外 导 体锥 部 与柱 部 轴 线 可 能不 完全 重合 另一 方 面 ， 内导 体 轴 长 至 少 ， 属 于 较 难 加 工 的细 长杆 类 ， 由于加 工 中的机械 振动 等 问题 ， 使得 内导体轴 线 不 可 能 与外 导 体 轴 线完 全 重 合 聚 四氟粉 料 在 压 制 前 ， 要 进 行 预 处 理 先 要 用 高温 炉 烘 干 温 度 ℃ ， 然 后 过 筛 ， 避 免粘 团与 结粒 压 制过 程 中 ， 速度 要 缓慢 ， 这 是 为 了保 证 空 气 更 好 的排 出 如 果 压 的太 快 ， 会 使 成 型 的 聚 四氟 中 出现气 穴 与孔洞 ， 影 响传 感 器 绝 缘 层 的 介 电性质 为 了解 决聚 四氟 乙 烯 在压 制 过 程 的 同 轴度 定位 与 排气 问题 ，设 计 了一 套 聚 四氟 乙 烯 封 装 成 型模 具 ， 图 为模 压 成 型 原 理 示 意 图 样 品 室 多 孔 陶 瓷 样 品 室 中 的样 品 为长 的环 状填 充 为 适 应 水 污 染 的环 保 需 要 ， 采 用 了多孔 陶 瓷技 术 ， 在 传 感 器 中部 的样 品 室 外 导 体 壁 上 打 均 匀 密 布 的小孔 ， 环 状 区 放 入 尺 寸合 适 的 多孔 陶 瓷产 品 主办 、 爹鑫荃 协产 哪 、 簇葬分常公气丫 月 一于多妙一一 写妇州 阵 一 焦鬓参翅 踞 琳枷 丫 磷 莽椒 丫彩嘴斗和 以娜 介 筑现飞 幕幕暇吮 一 一导翩 黔 、 丫续尔认舞人 令 气 玫 妙 图 聚 四 报 粉料 的模 压 成 型 原 理 示 意 图 代

616 北京科技大学学报 2005年第5期 由于其具有耐高温、耐腐蚀、热稳定性好的特点， 1997 并且当流体流经孔隙时，内外表面会产生各种各 [2]Hallikainen M T.Ulaby F T.Microwave dielectric behavor of wet soil-part:empirical models and experimental observations. 样的物理效应（如毛细虹吸效应等）.利用这种新 IEEE Trans Geosci Remote Sensing,1985,GRS23(1):25 型陶瓷材料，将其组装入单端闭合式同轴容器 [3]Scholte J W,Shang J Q,Rowe RK.Improved complex permit- 中，通过多孔陶瓷材料过滤吸附，就可以顺利测 tivity measurement and data processing technique for soil-water 出水土系统中渗入传感器内的渗透液的复介电 systems.Geotech Test J,2002,25(2):187 [4]Jackson T J,Nell P E T.Salinity effects on the microwave emis- 常数，这样，一方面可以保证传感器由于材料的 sion of soils.IEEE Trans Geosci Remote Sensing,1987,GE-25 优良性能长期埋入地下而不必经常维护，节约了 (2):214 日常修缮费用；另一方面，保证了传感器内部取 [5]Shen L C,Marouni H,Zhang Y X,et al.Analysis of parallel-disk sample holder for dielectric permittivity measurement.IEEE 样的渗透液与外界环境变化的一致性，解决了渗 Trans Geosci Remote Sensing,1987,25:534 透这个难题.该传感嚣整体结构简单，加工方便， [6]Ulaby F T,Bengal T H.Microwave dielectric properties of dry 改进调试也容易很多， rocks.IEEE Trans Geosci Remote Sensing,1990,28(3):325 [7]Nicolson A M,Ross GE Measurement of the intrinsic properties 3结论 of materials by time-domain techniques.IEEE Trans Instrum Meas,1970,M-194:377 建立了一套通过测试土质复介电常数来监 [8]Engelder D S,Buffler C R.Measuring dielectric properties of 测环境的传感器系统，它利用微波传感器对环境 food products at microwave frequencies.Microwave World, 1991,12(2):2 进行监测，有不接触、无损伤、连续、实时、远距 [9]Bake-Janis J.Transmission/reflection and short-circuit line per- 离、无毒害、不污染环境、易于维护、成本较低等 mittivity measurements.NIST(US)Technical Note,1990.1341 一系列优点.作为环保类传感器，它能够高精度、 [10]Rudge A W.Handbook of Antenna Design.Peregrenus,1983 稳定和方便地对地下水、河流和地下土质污染进 [11]Quigley R M G.Mineralogy and geochemistry of canadian soft soils:a geotechnical perspective.Can Geotech J,1980,20:288 行有效的监测地，与传统的监测方法相比，不仅 [12]Shaw M R,Millard S G,Houlden M A,et al.A large diameter 节约开支、方法简单，而且能够连续动态地监视 transmission line for the measurement of the relative permittivity 其水系统环境的变化，满足了早预防、早处理、避 of construction material.Br J NDT,1993,35(12):696 免后患、减少损失的合理环保要求， [13]Struchly M A.Stuchly SS.Coaxial line reflection method for measuring dielectric properties of biological substances at radio 参考文献 and microwave frequencies,a review.IEEE Trans Instrum Meas,1982,M-29(2:176 [1]Kraszewski A.Microwave Aquametry.New York:IEEE Press Design and production of an environmental protecting sensor by high-frequency microwave to measure complex permittivity of a soil-water system FENG Zhenhua",TIAN Yue",SHANG Qiulin,XU Hongyan,QIU Hong" 1)Applied Science School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Department of Civil and Environmental Engineering,University of Wester Ontario,Ontario N6A 5B9,Canada ABSTRACT A new method was proposed to analyze the character of a soil-water system by measuring the com- plex permittivity with high-frequency microwave,and an environmental protecting sensor was designed.In the de- sign,the single-ended reflex coefficient method was used and porous ceramics was made into the permeation cell. This paper described the design,production and date processing technique KEY WORDS complex permittivity;dielectric loss;soil-water system;porous ceramics

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 由于其 具 有 耐高温 、 耐腐蚀 、 热 稳 定性 好 的特 点 ， 并且 当流 体流 经 孔 隙 时 ， 内外表 面会 产 生 各种各 样 的物 理 效 应 如 毛 细 虹 吸 效 应 等 利 用 这 种 新 型 陶 瓷 材 料 ， 将 其 组 装 入 单 端 闭合 式 同轴 容 器 中 ， 通 过 多孔 陶 瓷 材料 过 滤 吸 附 ， 就 可 以顺 利 测 出水 土 系 统 中渗 入 传 感 器 内 的渗 透 液 的 复 介 电 常 数 这 样 ， 一 方 面 可 以保 证 传 感 器 由于 材 料 的 优 良性 能长 期 埋 入地 下 而 不 必 经 常 维护 ， 节 约 了 日常 修 缮 费用 另一 方 面 ， 保证 了传 感 器 内部 取 样 的渗透 液 与外 界环 境变 化 的一 致 性 ， 解 决 了渗 透 这 个难题 该传 感 嚣整 体 结构 简单 ， 加 工 方便 ， 改进 调 试 也 容 易很 多 结 论 建 立 了 一 套 通 过 测 试 土 质 复 介 电常 数 来 监 测 环 境 的传 感器 系 统 ， 它利 用 微 波 传 感 器 对 环 境 进 行 监 测 ， 有 不 接触 、 无 损 伤 、 连 续 、 实 时 、 远 距 离 、 无 毒 害 、 不 污 染 环 境 、 易 于 维 护 、 成 本 较 低 等 一系 列 优 点 作 为环 保 类 传 感器 ， 它 能够 高精度 、 稳 定和 方 便 地 对 地 下 水 、 河 流和 地 下 土质 污 染进 行 有 效 的监 测 地 ， 与传 统 的监 测 方 法 相 比 ， 不 仅 节 约 开 支 、 方 法 简单 ， 而 且 能够 连 续 动 态 地 监 视 其水 系 统环 境 的变 化 ， 满足 了早 预 防 、 早 处 理 、 避 免 后 患 、 减 少 损 失 的合 理 环 保 要 求 参 考 文 献 昨 ， ， 工 一 丫 ， 叨 ， ， ， ， 一 卜 ， ， ， 工 砒 ， ， ， 一 ， ， ， 一 眠 竹 ， ， 工 雌 川 勿 介 砒口 ， ， ， 〔 ， 眠 介 ， ， 一 飞 ， 阮 ， ， 一 一 诉 ， 卿 ， 川 罗 份 ， ， ， 耐 ， ， 切 ， ， ， 明 触 ， ， ， 一 一 触 一 声百刃 己 艺咬 毛 口 了艺咬入 ， 乙 刀 阳 ， ， ， ， ， 七 ， ， 一 丽 刀 一加 ， ， 一 ， 一