微波-紅外測(cè)物質(zhì)含水量方法的研究

劉文利 石熠燦 黃秋月 賈貴儒 何志巍

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083）お

摘要

［目的］探尋能夠快速、準(zhǔn)確、方便地測(cè)量物質(zhì)含水量的方法。［方法］以砂子為例，基于微波加熱原理與紅外測(cè)溫原理，研究物質(zhì)在微波加熱下溫度變化和含水量的關(guān)系，繪制二者的變化規(guī)律曲線，提出一種新型測(cè)量物質(zhì)含水量的方法。［結(jié)果］試驗(yàn)表明，微波紅外法在測(cè)定物質(zhì)含水量時(shí)更能節(jié)省時(shí)間，提高工作效率，并且準(zhǔn)確方便。［結(jié)論］微波-紅外測(cè)定物質(zhì)含水量的方法可用于土壤、糧食等物質(zhì)含水量的測(cè)定，具有很好的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞 微波-紅外線測(cè)溫；溫度變化；含水量

中圖分類號(hào) SB121;OB484文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 0517-6611（2014）19-06397-02

お

Study on Microwave睮nfrared Measurement of the Water Content of the Material

LIU Wen瞝i, HE Zhi瞱ei et al

(College of Science, China Agriculture University, Beijing 100083)

Abstract ［Objective］ To obtain a method for rapidly, accurately and conveniently measure water content of the material. ［Method］ Using the sand as an example, the relationship between the temperature change and water content was studied based on microwave heating and infrared temperature measurement principle, and drew the curve. A new method to measure the material water content was put forward. ［Result］ The results showed that the method is time瞫aving, efficient and accurate. ［Conclusion］ This method can be used to measure the water content of soil and grain, which has a good development prospect.

Key wordsMicrowave瞚nfrared thermometry method; Temperature changes; Water content

基金項(xiàng)目 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51007092）；教育部培育基金項(xiàng)目（708014）。

作者簡(jiǎn)介

劉文利（1992-），女，河北石家莊人，本科生，專業(yè)：電子信息工程。*通訊作者，副教授，博士，從事材料物理方面的研究。

收稿日期 20140605

含水量對(duì)物質(zhì)（糧食、土壤等）性質(zhì)有重要影響，尋找一種快速、準(zhǔn)確測(cè)量物質(zhì)含水量的方法有其現(xiàn)實(shí)意義。以土壤為例，土壤含水量是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)重要參數(shù)。農(nóng)田土壤水與作物生長(zhǎng)關(guān)系最為密切，它直接影響到作物生長(zhǎng)的水、氣、熱、養(yǎng)分等的吸收狀況。另外，作物水分臨界期（作物水分臨界期指土壤缺水對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量影響最嚴(yán)重的時(shí)期）也有所不同，不同作物在不同成長(zhǎng)階段所需的水分是不同的。所以，農(nóng)田土壤水的分布狀況是作物生長(zhǎng)環(huán)境的核心，及時(shí)了解不同時(shí)期的土壤墑情狀況，同時(shí)結(jié)合天氣情況，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提出有針對(duì)性的、科學(xué)性的灌溉建議對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是十分必要的。測(cè)量土壤含水量為土壤墑情提供了科學(xué)的依據(jù)，能夠?yàn)楣?jié)水灌溉起到指導(dǎo)作用。

目前，測(cè)量物質(zhì)含水量的方法主要有：直接干燥法、紅外干燥法、電阻法、電容法、中子法、射線法等［1］。以上方法都能測(cè)得土壤含水量，但要滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，仍需要更快速、準(zhǔn)確、方便的測(cè)量含水量的方法。筆者以砂子為例，在大量試驗(yàn)操作的基礎(chǔ)上，提出了一種利用微波-紅外法測(cè)物質(zhì)含水量的方法。

1 試驗(yàn)原理

1.1 微波加熱機(jī)理

一般情況下，物質(zhì)都是由極性分子和非極性分子組成。在微波電磁場(chǎng)的作用下，物質(zhì)中的極性分子會(huì)從原來的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦S微波電磁場(chǎng)的交變而取向排列狀態(tài)［2］。例如：采用的微波頻率2 450 MHz，就會(huì)出現(xiàn)每秒24億5千萬次交變，分子間就會(huì)產(chǎn)生激烈的摩擦［3］。在這一微觀過程中，微波能量轉(zhuǎn)化為物質(zhì)內(nèi)的熱量，使物質(zhì)溫度呈現(xiàn)為宏觀上的升高。

微波加熱的一個(gè)基本條件是：物質(zhì)本身要有吸收微波。微波選擇性加熱的特點(diǎn)，是物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)越大，對(duì)微波能的吸收越多。水的相對(duì)介電常數(shù)隨溫度變化如圖1所示，介電常數(shù)很大，是吸收微波很好的介質(zhì)，所以凡是含水的物質(zhì)必定會(huì)吸收微波。地球表面上大部分無水分的物質(zhì)(如干燥的土壤和巖石等)的介電常數(shù),一般介于1.7~6.0，砂子的相對(duì)介電常數(shù)為3~5；水的相對(duì)介電常數(shù)在0~40 ℃范圍內(nèi)變化時(shí)為88~73。巖石和土壤的介電常數(shù)與其含水量幾乎呈線性關(guān)系增長(zhǎng)，并且與水的介電常數(shù)特性相同，所以天然材料的電學(xué)特性的變化，一般是由于含水量的變化所致［4］。

圖1 水的介電常數(shù)隨溫度的變化

1.2 紅外測(cè)溫原理

自然界一切溫度高于絕對(duì)零度(-273.15℃)的物體，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波［5］，其輻射能量密度與物體本身的溫度關(guān)系符合輻射定律。 紅外輻射原理-輻射┒律：

E=Aσε1ε2(T41-T42)

式中，A為光學(xué)常數(shù)，與儀表的具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有關(guān)；ε1為被測(cè)對(duì)象的輻射率；ε2為紅外溫度計(jì)的輻射率；T1為被測(cè)對(duì)象的溫度（K）；玊2為紅外溫度計(jì)的溫度（K）；它由一個(gè)內(nèi)置的溫度檢測(cè)元件測(cè)出。

2 材料與方法

2.1 材料

供試原料砂子，市售。主要儀器：

RAYMX2C25018901010071紅外測(cè)溫儀（精確度0.1 ℃），WP700(MS7089T)微波爐（輸出功率700 W），培養(yǎng)皿（規(guī)格6.0 cm），電子天平（精確度0.01 g，最大稱重600.00 g），秒表（精確度0.01 s），注射器。

2.2 方法

確定砂子含水量與溫升的關(guān)系，

試驗(yàn)步驟與條件：①確定砂子的濕重玀，根據(jù)含水量x%確定需要稱量的水的質(zhì)量m1=M·(x%)（稱量質(zhì)量接近m1時(shí)，用注射器緩慢滴加）與干燥砂子的質(zhì)量m2=M·(x%)（干燥砂子取得方法：將砂子在微波爐中加熱，直至質(zhì)量變化在0.5 g之內(nèi)）。②將稱好的砂子與水?dāng)嚢杈鶆颉＂蹖⒒旌虾玫纳白友b到規(guī)格為6.0 cm的培養(yǎng)皿中，裝時(shí)不進(jìn)行刻意按壓，每個(gè)蒸發(fā)皿裝砂子35 g（誤差不超過0.3 g）。④用紅外線測(cè)溫儀測(cè)量蒸發(fā)皿中砂子的初始溫度玹1（表面中間溫度）。⑤將其放到輸出功率為700 W的WP700(MS7089T)微波爐的中央高火并按照事先確定的時(shí)間進(jìn)行加熱。⑥加熱結(jié)束2~3 s后，取出蒸發(fā)皿用紅外線測(cè)溫儀進(jìn)行測(cè)溫，測(cè)中間表面溫度直至中間溫度不再升高，記錄下中點(diǎn)最高溫度玹2。⑦根據(jù)加熱時(shí)間與溫差繪制曲線。

3 結(jié)果與分析

3.1 微波作用時(shí)間與溫升關(guān)系

圖2為測(cè)含水量分別為5%、10%、15%時(shí)，每個(gè)樣品的平均溫差與加熱時(shí)間的關(guān)系曲線。加熱時(shí)，微波作用時(shí)間從第3秒開始，間隔為3 s。由圖2可以看出，就總體而言，溫差隨加熱時(shí)間的增長(zhǎng)一直呈現(xiàn)增加的變化趨勢(shì)。然而，隨著加熱時(shí)間的變化，曲線的斜率逐漸變小，說明溫差的增加是由快速趨于緩慢的。從3條曲線的變化趨勢(shì)可以看出，固定加熱時(shí)間，不同含水量所對(duì)應(yīng)的溫差不同，曲線的斜率與含水量成正比。通過對(duì)圖2的整體分析，確定了3條曲線的溫差隨著加熱時(shí)間變化規(guī)律：每條曲線在21 s后溫差在單位時(shí)間內(nèi)變化逐漸縮小，時(shí)間溫差曲線變化趨勢(shì)逐漸放緩；隨著含水量的增加，曲線的斜率也是增加的。因此，在確定最佳加熱時(shí)間時(shí)，舍棄了后面的數(shù)據(jù)，只對(duì)0~21 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖2加熱時(shí)間與溫差的關(guān)系曲線

由分析得該試驗(yàn)最佳加熱時(shí)間為10 s。10 s時(shí)溫度隨時(shí)間升高最快，加熱時(shí)間相對(duì)較短，有效減少了水分蒸發(fā)，降低了試驗(yàn)誤差。同時(shí)利用了紅外測(cè)溫儀時(shí)間短、精度高的特點(diǎn)，使得實(shí)時(shí)測(cè)量成為可能。

通過大量數(shù)據(jù)分析，最佳試驗(yàn)條件為：輸出功率700 W微波爐高火加熱10 s。

3.2 溫升與含水量關(guān)系曲線

圖3為微波加熱10 s下，含水量不同物質(zhì)的溫度升高值與砂子含水量的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。圖3所示，在砂水混合均勻的前提下，含水量低于5%時(shí)，低含水量使得砂子吸收微波的能力較弱，溫升比較緩慢。含水量在5%~20%時(shí)，溫度升高迅速并在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定上升并且趨于線性（由于砂子中含有雜質(zhì)所以曲線在誤差允許范圍內(nèi)與預(yù)期的直線有一定的偏離）。含水量高于20%時(shí)，考慮到砂子含水能力有限，砂子與水不能再均勻混合因此溫升再次趨于緩慢。

圖3 溫升與砂子含水量關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)曲線

猜想曲線其后期可能趨勢(shì)：隨著砂子含水量的增多，水的介電常數(shù)將起主導(dǎo)作用。如圖1所示，由于溫度越高，水的電容率越小，所以相同作用時(shí)間溫升較慢，曲線可能出現(xiàn)飽和直線或者斜率逐漸下降的趨勢(shì)。

3.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)曲線的普適性：配制含水量分別為8.5%、13.5%、18.0%的砂子進(jìn)行驗(yàn)證，每個(gè)含水量裝10組，分別加熱10 s，取平均值后繪制驗(yàn)證曲線。驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)曲線與待測(cè)物質(zhì)質(zhì)量的關(guān)系：配制質(zhì)量為45 g，含水量分別為5%、10%、15%的砂子，以及質(zhì)量為35 g，含水量分別為8.5%、13.5%、18.0%的砂子進(jìn)行驗(yàn)證，每個(gè)含水量裝10組，分別加熱10 s，取平均值后繪制驗(yàn)證曲線，得圖4。

圖4 驗(yàn)證曲線

由圖4可以看出，以上2組驗(yàn)證曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線基本吻合。說明該曲線與所稱量的待測(cè)物質(zhì)的質(zhì)量無關(guān)，具有一定的普適性。分析認(rèn)為，試驗(yàn)中砂水混合均勻，在微波爐轉(zhuǎn)動(dòng)加熱條件下避免了局部加熱。又由于水是吸收微波的主要物質(zhì)，在含水量相同的前提下，溫度升高與砂水混合物的質(zhì)量無關(guān)。

4 結(jié)論

經(jīng)過多次重復(fù)試驗(yàn)，利用試驗(yàn)得到的多組數(shù)據(jù)，確定了此方法測(cè)物質(zhì)含水量準(zhǔn)確有效。利用此方法可以測(cè)出其他物質(zhì)（土壤、小麥、玉米、水泥、陶瓷的原材料，甚至木材等）的溫升與含水量關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)曲線，利用微波加熱原理與紅外測(cè)溫原理制成加熱兼測(cè)溫的儀器，通過儀器中的程序，由標(biāo)準(zhǔn)曲線和升高的溫度確定該物質(zhì)的含水量。該方法具有一定的實(shí)際意義，可應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。將水分測(cè)量技術(shù)與電子技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線上連續(xù)、自動(dòng)測(cè)量與控制［6］。

參考文獻(xiàn)

［1］ LI Y，LIU S B，LIAO Z H，et al.Comparision of two methods for estimation of soil water content from measure reflectance［J］.Canadian Journal of Soil Science,2012,92(6):845-857.

［2］ 王紹林.微波加熱原理及其應(yīng)用［J］.物理，1997,24(4)：42-47.

［3］ 李里特.食品物性學(xué)［M］.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1998:420-421.

［4］ 邵蕓,呂遠(yuǎn),董慶,等.含水含鹽土壤的微波介電特性分析研究［J］.遙感學(xué)報(bào)，2002(6)：416-423.

［5］ 楊湘,金慶波.紅外測(cè)溫技術(shù)的應(yīng)用［J］.天津冶金，1999(1):29-33.

［6］ 劉文芝.固體含水量測(cè)量綜述［J］.氣象水文海洋儀器,1994(2):23-27.