[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