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土壤射频介电特性的研究毕业论文 作者： 日期：2 个人收集整理 勿做商业用途 学号：089080252012 届本科生毕业论文题 目： 土壤射频介电特性的研究学院(系)： 机械与电子工程学院 专业年级： 机电081班 学生姓名： 李 福 超 指导教师: 郭 文 川 完成日期： 2012。5.30 土壤射频介电特性的研究摘 要本文旨在研究含水含盐土壤的介电特性，并建立含水含盐土壤的混合介电模型.为达到这个目的，通过矢量网络分析仪测量介电模型与土壤介电常数之间的对应参数，从而为监测土壤盐碱化和开发相关测量仪器提供理论和实验基础。样品采集于杨凌本地，并配制成不同含盐量、含水量的60个土壤样品，通过微波矢量网络分析仪共轴探头技术测量样品的介电常数,定性分析土壤介电常数（虚部)与土壤含盐量（0%3.0%)之间、信号频率 （10MHz4.5GHz）、温度（550)的关系。最终通过软件Design-Expert确定土壤介电模型中的待定参数;从而得到最佳频率下土壤介电虚部经验模型。本文的主要结论有:含盐量对介电常数虚部的影响随频率增大而降低;干燥土壤的盐分对土壤的介电常数影响较小，对于湿润土壤而言，对土壤的介电常数影响较大；在相对湿润的土壤中,对非盐碱化土壤而言，介电常数虚部远远小于实部；但对盐碱化土壤而言,介电常数虚部远远大于实部。所有这些结果表明在开发仪器监测土壤含盐量和土壤盐碱化程度方面，具有很大的潜力。通过复介电常数土壤反映含盐量是完全可能的。关键词: 土壤盐碱化;复介电常数；共轴探头技术;DesignExpertRadio frequency dielectric properties of soilAbstractThe paper aimed to study the dielectric properties of constant of moisture salt soil and establish mixture model. To fulfill the purpose， Through the vector network analyzer measure dielectric model and soil dielectric constant correspondence between parameters,provided the theory and experiment foundation for monitoring salting of soil and the development of related measuring instrument.Sample collection in Yang Ling and made into different salt concentration, water content of the 60 soil samples，through the microwave vector network analyzer were shaft probe measurement sample the dielectric constant of technology,The qualitative analysis of soil dielectric constant (imaginary part） and soil salinity (0 3.0), between the signal frequency （10 MHz 4.5 GHz)， temperature （5 50 ) of the relationship. Finally ，through the software DesignExpert determining soil dielectric model of the pending parameters and getting the best frequency soil dielectric imaginary part experience model.个人收集整理，勿做商业用途文档为个人收集整理，来源于网络The main conclusions of this paper：Salt content of the imaginary part of dielectric constant impact on frequency increases， and reduce; The dry soil on soil salt of dielectric constant little influence for wet soil for soil dielectric constant impact is bigger; In the relatively wet soil, the features of the soil is concerned, dielectric constant imaginary part far less than real part； But for salting of soil concerned， dielectric constant imaginary part far greater than real part. All these results show that in the development of instrument monitoring soil salinity and degree of soil salinity, with a great potential。 Through the complex dielectric constant soil salinity is entirely possible reflect.文档为个人收集整理，来源于网络文档为个人收集整理,来源于网络Keywords： salting of soil; complex dielectric constant; Axis probe of technology ； Design-Expert目录1 引言- 1 -1.1 研究目的及意义 1 1。2 国内外研究进展- 1 -1.3 主要研究内容和创新研究成果- 2 -2 材料与方法- 3 -2。1实验参数选择依据 3 -2.1.1. 土壤含水率范围的选择- 3 -2。1。2 土壤容重的选择- 4 -2.1.3土壤含盐类型与范围的选择 5 2。1。4 实验温度的选择- 6 2。1。5 信号频率的选择 7 -2。2 实验样品的制备- 7 2。2.1土壤样品预处理 7 -2。2。2土壤样品初始含水率的测定 7 2.2。3土壤样品的配制 8 2。3 土壤介电特性的测量- 9 -2。3.1 频率对土壤介电特性的影响- 11 2.3.2温度对土壤介电特性的影响 11 -2.3。3含盐量对土壤介电特性的影响 11 -3 实验结果与分析- 11 -3.1 频率对土壤介电特性的影响- 11 -3.2 温度对土壤介电特性的影响- 13 -3。3 含盐量对土壤介电特性的影响 15 -3.4.温度、含盐量对介电常数的综合影响- 16 3.5 含水量、含盐量对介电常数的综合影响 19 -4 含水含盐土壤介电模型的建立- 19 -4.1 模型建立所采用的软件介绍- 19 -4.2介电模型的建立- 20 4。2.1含水含盐土壤介电常数实部模型的建立 20 4.2。2 含水含盐土壤介电常数实部模型的建立 21 5。含水含盐土壤介电模型的分析与验证 23 5.1含水含盐土壤介电模型的分析- 23 5.2含水含盐土壤介电模型的验证 23 6 结论与建议 24 -参考文献 26 -附录一- 28 附录二 29 I1 引言1。1 研究目的及意义盐渍化土壤是盐化土壤、碱化土壤、盐土和碱土的一个总称。一般来说，在土壤的表层或根系活动层中，含有过量的可溶性盐类，使一般栽培作物的生长发育受到严重抑制，甚至死亡，若不经过改良就不能栽培作物，这种土壤我们称之为盐土。据统计我国农林牧土地面积68912万hm2，受盐碱化危害的面积高达3382万hm2，占农林牧土地面积的4.91%。土壤盐碱化是目前世界上面临的一个严重问题,土壤和水的盐化和碱化，常常是土壤开发利用的限制因素。在农业发展的历史进程中，这个问题的重要性己日益增加。在许多地方，由于土壤和水的盐渍化和碱化迅速扩展,已经引起农业生产的明显下降。在干旱和半干旱地区,灌溉对于农业生产是一个必不可少的先决条件,土壤盐化和碱化问题则具有特别的意义。因此加强土壤碱化的监测和预报具有极其重要的价值。作为一个农业国，在面临耕地大面积减少，淡水资源匮乏的情况下，我国北方地区的盐碱土地是潜在的耕地后备资源,存在巨大的开发潜力。1995年，清华大学,日本东京大学合作对我国大面积的盐碱地改善进行了研究，并取得了显著的成效。因此，利用当代先进的高科技手段深入了解土壤介电特性的测量理论与方法并由此开发出新一代具有实时采集与处理能力的反映土壤介电特性的高精度仪器,无论对于农业水资源的合理利用还是农作物生长的精细管理都具有难以估量的经济意义。另外由于我国土壤类型多种多样，土壤基本物理化学特性各不相同，因此，土壤介电常数受多种因素的影响，如果想要得到高精度的土壤含水量，就必须先搞清楚不同土壤的介电特性常数，明确土壤因素是如何影响土壤介电常数的。本文旨在研究测试信号的频率、样品温度、含盐量、含水率和土壤容重等对土壤介电特性的影响规律,建立描述含水含盐土壤介电特性的数学模型，评价模型的可靠性,为开发便携式土壤含水率测量提供了基础数据。1.2 国内外研究进展土壤湿度的研究和探测一直是微波遥感的研究重点之一。但是 ，对含水含盐土壤 的介电特性实验观测和研究很少,对利用微波遥感进行含水含盐土壤探测，进而监测土 壤盐碱化程度的可能性探索的有关报道更少。野外定位观测法，是土壤盐碱化监测的主要手段，这是一种由点到面，由微观到宏观的工作方法。它是指在各典型区设置较长期的固定观测点或水盐平衡场，以了解不同区域范围内水盐的时空变化，预测盐碱化的发展趋势（石元春1991）。这些野外定位观测法在土壤敖碱化监测研究中起了重要作用。但传统的野外定位观测法与遥感方法相比，不仅费时、费力,而且观测点少，代表性差，无法实现大面积动态监测。总之非盐碱化土壤的含水量的反演历来是微波遥感经典研究课题。然而利用微波遥感手段对盐碱化土壤含盐量的研究非常少，而且大多是初步的定性的探讨，Arver（1977)通过己采用的土壤一水介电模型强调了盐度对介电常数的作用。他指出在一给定的微波频率下，复介电常数的实部随着盐度的增加而降低，而虚部则随之升高。虚部对盐度的敏感性，随着频率的降低而增高。20世纪80年代，有报道使用可见光，近红 外波段监测土壤盐碱化.但是，此方法有一定的局限性 ：(1)在海岸 、沙地等区域 ,由于沙子和土壤表面析出的盐粒极为接近，很难从图像上加以区分。（2)在较为湿润地 区，土壤中的盐溶液还没有达到饱和析出，可见光 、近红外波段便很难识别。（3)在一些排水不通畅或土壤质地比较粘重的地段，会发生苏打或镁盐的积累。如含有氯化镁的 盐土易潮解，某些碱化土壤能发生有机质胶洗作用，常把土体表面染成黑褐色，光谱的 反射能力低，和正常情况正好相反，对从光学影像区分盐渍化土壤造成了障碍。由于以上问题的存在，需要发展一种更为有效的土壤盐碱化监测手段。土壤中含水量的变化影 响介电常数的实部,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，这为微波遥感探测土壤表层的含水量和土壤溶液中的含盐量提供了可能 。文档为个人收集整理，来源于网络本文为互联网收集,请勿用作商业用途目前，测量介电常数的方法有很多，其中包括平行板技术、同轴探头技术、传输线技术、自由空间法和谐振腔技术等(郭文川和朱新华2009）。同轴探头测量技术最早起源于上世纪80年代由布雷克里和斯塔奇利发明，且最早的目的是为了解决活体生物组织电参数无损测量的问题。当终端开路的同轴探头放入样品中或与表面相互接触时，根据测试件反射给网络分析仪的信号幅值和相位，就可以计算出该物体的介电常数。测量系统由网络分析仪，同轴电缆，测试探头，测试软件和计算机组成.此外,同轴探头技术能够测量宽频范围内的介电特性,此外，该技术测量频率范围广，对样品制备较简单，适合与介电常数较小，介电损耗较大的非磁性样品,是目前研究介电特性的主要手段.同轴探头测试技术具有简单，无损，快捷,精度较高等优点，特别适用于宽频范围内的介电特性测量（吕俊峰 2009）。1.3 主要研究内容和创新研究成果（1）根据土壤介电常数的理论分析,采集杨凌本地的土壤样品，配制成不同含盐量、含水量的60个土壤样品，为进一步分析土壤的介电特性作实验准备。（2)利用先进的矢量微波网络仪的共轴探头技术，测量样品的介电常数，同时测量相应样品的机械组成、体密度、含水量、含盐量等参数.（3）研究测试信号的频率、样品温度、含盐量、含水率和土壤容重等对土壤介电特性的影响规律,建立描述含水含盐土壤介电特性的数学模型,为开发便携式土壤含水率测量提供了基础数据.2 材料与方法2.1实验参数选择依据2.1。1。 土壤含水率范围的选择参考文献3中有如下记载：2003 年 4 月 5日, 在西安市吴家坟附近麦地进行了钻孔取样。样品分析结果表明， 麦地土壤含水量较高, 平均含量为 13. 4.上部 0200cm 含水量变化在 10. 3 13。 5% , 平均含 量12. 0% ; 中部 210400 cm 土壤含水量增加， 其变化范围在 11. 6% 15. 6%, 平均含量为 13. 3%; 下部410600 cm 含水量在 13。 3% 15. 7 ， 平均含量为15。 0 。虽然麦地在 210400 cm 含水量相当高,但比 400 cm 以下含水量偏低, 表明小麦根系也吸收了该层段中一定的水分.2005 年 4 月对长安大学城附近和双竹村少陵塬麦地进行了样品的采集， 样品测定结果（ 图 3d） ，麦地土壤含水量较高， 平均含量为 21. 0% 。上部 0200 cm 含水量变化在 16. 219。 7 , 平均含量为 18。 0; 中部 210400 cm 土壤含水量增加, 变化在 16. 422. 1%， 平均含量为 18。 8% ； 下部410600 cm 含水量在 18. 4%25. 0 ， 平均含量为 23. 3。文档为个人收集整理，来源于网络文档为个人收集整理,来源于网络参考文献2中有如下记载：2008年3月22日,在咸阳市双照镇庞南村麦地进行了一个6m深的钻孔采样.通过样品含水量测定结果(图42）得知，庞南村麦地土壤含水量变化范围在116199，平均含水量为16。7.根据土层含水量在垂向上的变化,将土层由上向下划分为3层。最上部0200cm土层为第l层，含水量变化在14.419.6，平均含水量为17.5。第2层210400cm土层含水量较高，变化在16。619.3,平均含水量为17.7%。第3层位于410600cm这一层土壤含水量在3个土层中最低，且波动很大，变化在11。619.9，平均含水量为14.8.对比分析发现,3个土层含水量高低顺序为第2层第l层第3层。为保证数据的可对比性，于2008年4月24日在距离庞南村不远的北上召麦地增加了一个6m深的采样点（图4-2），采样前期曾有过人工灌溉。b孔测定结果显示，北上召麦地土壤含水量变化在17。227.8,平均为22。5,较a孔明显增大。按照土壤含水量在垂向上的变化，从上向下可将其分为3个层次。第l层位于0200cm，含水量在17。222.8，平均含量为18。9%。第2层位于210400cm，含水量在18。9%27.8，平均含量为24。8。第3层位于410600cm，含水量变化在22.626。6，平均含量为23.8。3个土层含水量变化特点为第2层第3层第1层。分析发现，北上召土壤平均含水量较其他3个采样点都大，这与样地前期人工灌溉有关；而且该处地势较低，水分容易聚集。也是土壤含水量较大的一个原因。文档为个人收集整理，来源于网络个人收集整理,勿做商业用途 图2-1 咸阳麦地土壤含水率上述两篇文章均只引用了其中的一部分,只为说明含水率的变化范围.针对以上参考文献西安与咸阳地区麦地土壤含水量对比研究的结论以及确保今后实验数据的实用性，对于实验中含水率的选择，我们将对杨凌本地土壤实际含水率进行实地考察，土壤采集点选在了学校多处实验田,所取土壤为自然状态下未经灌溉、施肥和耕耘的土壤，试验田的土壤已经两个月没有进行人为改良，取样深度为距地面以40cm，而且取自不同试验田。取回的土壤经过人工去除一些可见的杂质，如秸秆，石砾，杂草等，之后经过粉碎机进行粉碎,并立即进行含水率的测量。第一次的测量结果为,不同采集点土壤的含水率各不相同，实际测量结果为：10.29，12.67，11.89。将未处理的土壤放置一天后在进行去杂质，粉碎并立刻测含水率，第二天的到的结果9.72，10.08%，10。52，三次测量数据见表2-1。说明暴露在空气中使得含水率有所下降，本次所采集的土壤在之前的几天都未下过雨，为了充分说明,又在下雨之后的一天采集了之前三个地方的土壤进行了含水率的测量,采样深度仍为距地表面40cm的深度,测量结果有了明显的增大，分别为17。29%，18.01%,18。92，三组数据均为一一对应。综上所述，经讨论,将实验土壤含水率初步定在了9%25,具体数值将根据实验实际情况确定。本文为互联网收集，请勿用作商业用途本文为互联网收集，请勿用作商业用途表2-1 不同地方含水率测量值第一天测量结果第二天测量结果下雨后一天测量结果采样点110.299.7217.29%采样点212。67%10。08%18.01采样点311。8910.52%18。922.1。2 土壤容重的选择单位体积自然状态下土壤(包括土壤空隙的体积)的干重，是土壤紧实度的一个指标。土壤容重一般采用环刀法，测量原理如下：用一定容积的环刀(一般为100)切割未搅动的自然状态土样，使土样充满其中，烘干后称量计算单位容积的烘干土重量。本法适用一般土壤,对坚硬和易碎的土壤不适用。土壤容重严格地讲应该称为干容重，又称土壤密度，是土壤干基质的质量与总容积之比。一般含矿物质多而结构差的土壤(如砂土），土壤容积比重1.41.7之间；含有机质多而结构好的土壤（如农业土壤），在1。11.4之间。Topp等（l980）在试验中观察到，当土壤容重在1.001。78范围内变化时，土壤固相并不对土壤介电特性与含水率等参数的关系产生影响,因为土壤密度或孔隙度不影响湿润土壤的介电常数。Hook(1996)认为 （烘干土壤介电常数的平方根）变化范围为1。41.7，并不需要考虑容重变化。如果土壤容重取1.55，对于所有农用土壤来说测定介电特性已经足够了,其对应的水分误差为.0019，这误差还包括容重的变化。为保证参考文献对本实验的适用性，选择实地进行测量实验土壤采集点的容重值，对土壤采样点使用环刀法测量结果显示在距地表40cm左右的土壤容重值变化范围从1.11。5不等，并且通过预实验发现容重对复介电常数的影响较小.因此根据研究对象的特性，试验中将土壤容重固定为1.4。2.1.3土壤含盐类型与范围的选择参考文献13中对我国土壤盐碱化进行的分析如下：引起盐土形成的主要元素，有钙、镁、钠、钾、氯、硫、碳、氮和硼。在盐土中还常有微量的铜、锌、碘等。能形成可溶性盐的元素，此外，都是地壳中存在的最普遍的一些元素。在地质时期,地壳上连续不断发生物理化学变化，促使大量的氯化物、硫酸盐和硼酸盐积累，风化过程对于大陆上天然水、沉积物和土壤中盐分的出现及积聚起着主要作用.火成岩风化所形成的盐溶液的化学组成，在很大程度上取决于岩石的矿物成份。Kovda根据风化过程中元素的活度和迁移能力把它们分为5级：a。不能淋溶的石英中的Sib.微淋溶的Fe，Al，51c.可淋溶的51，P，Mnd.易淋溶的Ca，Na，K，Mg，Cu，Co，Zne.极易淋溶的Cl，Br,I,S，C，B元素迁移能力越强，则参与盐土形成过程中的该元素的绝对量和相对量就越多。在d、e级中的元素，将构成影响现代盐分积累的主要化合物.可溶性盐的分布和盐分的聚积过程，同一定的地形、地貌和水文地质条件有关。从土壤化学角度来看，盐分的溶解度是鉴别盐分在土壤中移动的最主要的性质之一，这种性质影响者土壤盐渍化的程度和各种化学组成盐类的分布。当干燥的土壤吸水时，各种化合物开始溶解,如果存在有相当多的固体盐类，就能得到饱和的溶液.引起盐碱土形成的主要盐类有如下几种:a。碳酸盐。在漠境、半漠境、草原甚至森林草原的土壤、底土和地下水中,到处都有碳酸盐存在，这些盐类的作用取决于所含的碳酸盐化合物的性质、盐分累积的数量和它们的溶解度，还取决于它们对植物的毒害作用,对土壤胶体性质和水分物理性质的影响.b.硫酸盐。几乎在各类型土壤中都有不同数量的硫酸盐存在，在草原和漠境的土壤和地下水中，硫酸盐累积得相当多.c.氯化物.溶解度大、毒性大是所有氯化物的特点。氯化物和硫酸盐都是盐土形成的主要化合物。冲洗含有氯化钠和硫酸钠的盐土是很容易的。如果土壤不含硫酸钙，则冲洗氯化钠盐土就有形成碱土的可能性。d。硼酸盐。土壤中很少出现过量的硼酸盐，一般只有在特殊的地质条件下才会发生。盐分为纯NaCI，原因有二:一是使用纯NaCI便于含盐量的实验分析，二是盐碱化土壤中NaCI最为普遍，且对植物的危害最严重，更具有研究意义。图2-2 土壤盐渍化程度与含盐量关系图含盐量的范围参考图2-2可知当含盐量大于2。2%时，农作物已经死亡,同时为了实验能够充分说明含盐量对土壤介电特性的影响,本文将土壤含盐量范围初步定为:0%3。0%，具体含盐量等级为：0，0.2,0。3%，0.8，1。5,3%2。1。4 实验温度的选择温度是影响土壤介电特性的重要因数之一,同时也是影响农作物生长的重要因数之一。农作物生长的三基点温度指农作物生长的最适温度、最低温度和最高温度。在最高温度和最低温度时,农作物生长发育停止，在最适温度时，农作物生长速度最快。在最高温度和最低温度时再升高或降低，农作物开始出现伤害甚至致死。表22农作物三基点温度范围表本文的主旨是为开发相关测量仪提供理论依据，针对上述温度与农作物生长之间的关系，将实验温度初步定为550，而且由表2中的最是温度可知，25是以上六种农作物的最适温度，所以今后将对25下含水含盐土壤的介电特性做重点分析。2。1.5 信号频率的选择参考文献17中提到：当频率高于25MHz时(取决于土壤类型），所有样品相对介电常数均随含水量增加然而在低频 条件下只要含水量达到0。35与0.48之间的临界值，亦即湿密度增加时相对介电常数仅随含水量增加而增加当含水量较高时,介电常数和湿密度均随含水量的增加而下降.其结论是具有不同含水量的两种湿样品的相对介电常数随频率 的变化曲线（其中至少有一种含水量高于临界值）在25 MHz附近发生交叉。在临界值以下，具有低含水量的样值曲线在所有频率处均位于另一条曲线之下。在给定频率处有效电导率的最大值是含水量的函数.这一点可通过假设有效电导率为净水电导率 (它随含水量增加而增加，直至土壤中的盐完全溶解为水为止，然后再下降)和表层水电导率随湿密度及临界值前的含水量的增加而增加,然后再下降。当频率大于1000 MHz时,相对介电常数仅微弱取决于含盐量（用实测电导率表示）。在频率降低至1兆赫时,这种依赖性有所增加.这是唯一的有效电导率随含水量增加的样值,即使含水量高于临界值亦如此。只要 含水量低于最大值可以预料，孔隙水电导率要大于地面水电导率。测量结果表明，所研究的样品在3 MHz附近出现松驰现象。由上述结论可知，不同信号频率下的实验结果可能会有所不同，所以实验中的信号由E5071C矢量网络分析仪提供，提供的信号频率为10MHz4.5GHz，希望能够在宽频率范围内找到相对较好的相对介电常数规律，为开发相关测量仪提供更为合理的理论数据。2.2 实验样品的制备2。2。1土壤样品预处理由于从田间采集回来的土壤含水量介于水分饱和和风干的状态之间,通常需要进行干燥.为了尽量保持土壤的原有特性,采用在3560的温度下进行，烘干后在碾碎并去除土壤中大的团粒,尽可能使土壤样品均匀，因为土壤介电常数的测量（同轴探头技术）要求被测物质均匀，且土壤粒径小于0.3mm。2.2.2土壤样品初始含水率的测定土壤样品初始含水率的测定采用经典的烘干法（1）定温:调节干燥箱的温度，使上升到105度左右(2)烘干铝盒：取干净的空铝盒，在烘箱内烘30min至1h，取出放在干燥器内称重,在烘30min后，在进行称重,称重前后质量差不超过0.003g，即为恒重,也就是铝盒质量。（3)称取样品：称取样品并放在已烘干的铝盒中一起称量,记做（4）烘干样品：将铝盒放入烘箱内烘干，在105110度（温度过高有机质会碳化散逸）下烘1214h取出铝盒（图2-4)，在干燥器中冷却20min后称量质量,记做(5）结果计算式中：-空铝盒质量-烘前铝盒和样品质量烘后铝盒和样品质量样品中水含量样品的干质量土样的质量含水率，也称为质量含水量2。2。3土壤样品的配制样品制备的目的:1。剔除土壤以外的侵入体（如植物残茬、昆虫、石块等）和新生体（如铁锰结核和石灰结核等），以除去非土壤的组成部分;2.适当磨细，充分混匀，使分析时所称取的少量样品具有较高的代表性，以减少称样误差;3.全量分析项目,样品需要磨细（图2-3）,以使分解样品的反应能够完全和彻底；4。使样品可以长期保存，不致因微生物活动而霉坏。方法步骤：（1）确定要配制每一份样品应取预处理后土壤质量。每种取样品土质量m,相应预处理后的质量（2）根据土壤质量,计算每一个含水量级别应加入水的质量 。其中是要配制样品的土壤含水量.（3）分别取0，0。3,0。8%，1.5%，3%NaCl加入到（2）中计算相应的水中，每种样品配制4个含水量级别，5个含盐量级别，共有60个样品.(4）每份土壤样品配制完成时，用保鲜膜保存24小时，使水分,盐分，土壤充分混合均匀，然后装入容器中，装入过程中注意要均匀，在室温条件下封装静置24小时，为最后的样品制备提供土样。图2-3 土壤预处理粉碎图2-4 在105110下烘干样品（5）上一步骤得到的土壤为已知含水率、含盐量,此时根据之前所确定的容重1。4，由计算式可计算出此容重对应的土壤质量9.2295g。式中:-土壤样品容重为1。4时对应的土壤质量.土壤样品容重1.4土壤样品半径10。8mm土壤样品高度18mm使用FA2104N电子天平称取9.2295g，并使用液压成型机（图2-5）压制为容重1。4的样品（图2-6)，供测量使用图2-6 经过压制成型的样品图2-5 液压成型机 2。3 土壤介电特性的测量土壤介电特性的测量采用同轴探头技术。同轴探头测量系统主要由网络分析仪,同轴电缆和终端开路的同轴探头组成。网络分析仪主要由扫频信号发生器，测试装置，接收器，微处理器组成.其工作原理:将探头与待测样品表面充分接触，扫描信号发生器发出激励信号,信号通过与端口连接的同轴电缆传输至探头端口.由于探头与土壤样品接口的输入阻抗和网络分析仪的输出阻抗不能理想的匹配，则会产生反射信号和传输信号送回网络分析仪,接着将反射信号中所包含的幅值和相位信息转印到中频段或者低频段,进行幅值和相位的比较，从而计算出介电特性关系，并将测量的数据传到计算机，测量原理图如图27所示。测量数据计算机待测样品探头端口信号源图2-7 介电特性测量原理在研究土壤微波介电特性过程中，采用 E5071C矢量网络分析仪（图28）测定介电参数， 使用DK981型电热恒温水浴锅（图29）提供试验所需要的温度（550），图2-10则为正在进行土壤介电特性的测量。图2-9 DK981型电热恒温水浴锅图2-8 E5071C矢量网络分析图2-10 土壤介电特性测量2。3。1 频率对土壤介电特性的影响选取不同含水率（6.7220。81%），不同含盐量的(0%3%）的土壤固体样品，将配置好的样品放入恒温沸水锅中，根据Agilent公司的仪器操作说明,将同轴探头与被测物质（本实验为土壤样品)紧密接触测量,在室温，频率为10MHz4500MHz下测定土壤介电参数，每个样品测量3次，测量结果取3次平均值.2.3.2温度对土壤介电特性的影响在室温下，将每一种的含水率的土壤样品放入恒温水浴锅中。实验前,样品置于零下25的冰箱中进行冷却降温10分钟，同时将电热恒温水浴锅的水槽中加满水，仪器通电，并设置温度点为高于待测温度12。待测温度分别为:以每5为一个梯度,分别为0、5、15、45、50。将配制的土壤样品放于水槽中，当槽内水温达到设定值时，保温20分钟，然后将水浴锅连同土壤样品一起置于同轴探头测量系统下，保持样品处于水浴锅中的状态下完成介电参数的测量，测量的频率选为10MHz到4500MHz范围内，每个样品测量3次,测量过程中探头和样品之间紧密接触。2。3。3含盐量对土壤介电特性的影响将以前配制好的不同含水率级别（6.72，11。25，14。52%，20。81），不同含盐量（0%,0.3,0。8%,1。5，3%）的土壤样品。的样品取出用于实验测量，同轴探头置于土壤样品上方紧密接触,由计算机控制网络分析仪而完成介电参数测量。测量的频率选为10MHz到4500MHz范围内，在对数坐标下选取101个频点.测量中，注意探头和样品之间要充分接触不能残留空气，每个样品测3次，记下所测数据以备分析处理。3 实验结果与分析3。1 频率对土壤介电特性的影响频率对土壤节电特性的影响分析所采用的数据为：含水率为14。52，温度为25（室温)，信号频率为10MHz4。5GHz。参数选择依据：根据土层含水量在垂向上的变化3,将土层由上向下划分为3层。最上部0200cm土层为第l层，含水量变化在14.4%19.6，平均含水量为17.5%，其余土层含水率则相应降低，而实验所采取的土壤则为距地表面20cm左右的土壤，所以选择含水率为14.52%的参数作为研究对象就价值；关于温度，则是参考表2-2并取其平均值25比较符合实际。图31到图35分别为(含水率为14.52,温度为25）不同含盐量土壤的频率对土壤节电特性的关系图，含盐量分别为0，0.3%，0。8%，1。5%，3.0。土壤样品为农业土壤.图31给出的是含盐量为0%土壤样品的频率与介电特性的关系图，图中曲线分别为介电常数实部和介电常数虚部，和 都随着信号频率的增高而下降，而且在低频段时下降速率很快,然而从100MHz开始下降速率开始逐步减缓，当信号频率到达300MHz左右时,随着信号频率的增大和 的数值变化越不显著,总之，频率越高数值越趋近于稳定。将和 在图3-1到图3-5中进行比较发现在低频率时的下降速率明显比高很多，在低频段的下降速率已经趋近于线性，而随频率增大而变小的趋势始终在减小，最终到达稳定值后不再下降。图31中的数值在大部分频率段上都高于，而在图3-2到图3-5中， 则在大部分的频率段上都高于，这是因为含盐量对介电常数虚部的影响比对的影响要显著的多，在下面的含盐量对土壤节电特性的研究中中将会有更仔细的分析结果。图3-2 含盐量为0.3%时频率与介电常数的关系含盐量0.3%含盐量0%图3-1 含盐量为0%时频率与介电常数的关系图3-4 含盐量为1.5%时频率与介电常数的关系含盐量1.5%图3-3 含盐量为0.8%时频率与介电常数的关系含盐量0.8%图3-5 含盐量为3.0%时频率与介电常数的关系含盐量3.0%3。2 温度对土壤介电特性的影响温度对土壤介电特性的影响的分析所采用的数据为：固定含盐量为0。3%,固定信号频率100MHz，数据取自不同含水率（6。72%20。81)。参数选择依据：根据图2-2可知当含盐量为0。3时,土壤虽然具有一定的含盐量但是对于农作物的生长尚未产生危害,与此同时0.3%也是含盐量对农作物正常生长与否的一个临界值，太低则体现不出含盐量的作用,太高则不符合实际，没有较大的研究价值;关于信号频率的选取,从上面信号频率对介电特性的影响的图形以及分析中可以得知，在100MHz时频率对两参数和 的影响逐渐趋于平缓,而且本论文的实验结论以及数据主要是为了开发相关测量仪所奠定理论基础，所以从装置信号源的制造成本，以及实现的难易程度考虑，选取信号频率为100MHz是最具有性价比的，此时无论是从经济角度,还是执行的难易程度上来讲都是最优选择.影响介电常数的重要因数之一便是温度，已有大量研究