電場法土壤水分傳感器研究

唐 洋，李光林

（西南大學工程技術(shù)學院，重慶 400716）

1 引 言

土壤水分的測量方法很多，有烘干稱重法、張力計法、石膏法、氣量法、射線法、TDR法、FDR法、紅外遙感法和核磁共振法等[1]。以上諸多方法雖具有各自的優(yōu)勢，但也存在不同的缺點，有的方法實時性差，如烘干法；有的方法使用的儀器價格昂貴，如TDR；有的需要取樣分析，不適于室外操作等。該文研制的基于電場法的土壤水分傳感器，具有成本低、便攜性好、反應(yīng)迅速并可實時自動監(jiān)測土壤水分等特點。

2 基本設(shè)計原理

土壤由空氣、土壤固體物質(zhì)和水組成。在無線電頻率、標準狀態(tài)時（20℃，1大氣壓）純水的介電常數(shù)為80.4，土壤固體物質(zhì)約3～7，空氣為1。土壤表觀介電常數(shù)與容積含水量存在非線性關(guān)系。土壤介電特性是下面幾個因子的函數(shù)[2]：電磁頻率、溫度和鹽度；土壤容積含水量；束縛水與土壤總?cè)莘e含水量之比；土壤容重；土壤顆粒形狀及其包含的水電形態(tài)。

在一定的電磁頻率范圍內(nèi)（50MHz～10GHz），礦物質(zhì)、空氣和水的介電特性為常數(shù)，土體的介電常數(shù)主要依賴于土壤容積含水量[3]（極微弱地依賴與土壤類型、緊實度、束縛水等）。插入含水土壤中的電極可簡化視為一個以土壤為介質(zhì)的電容器，土壤等效介電常數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成電信號來實現(xiàn)土壤水分測量[4]。系統(tǒng)原理框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

整個系統(tǒng)由單片機智能控制。用兩個繼電器分別接入信號源及檢測模塊的工作電路，單片機通過控制繼電器來開啟或關(guān)閉信號源及檢測模塊。利用單片機的定時功能設(shè)置測量時間。當測量開始，信號源及檢測模塊被啟動，信號源產(chǎn)生穩(wěn)定頻率和幅值的高頻振蕩信號輸入至電極探針，由于介質(zhì)的因素，輸入至電極探針的信號幅值發(fā)生變化，經(jīng)檢測電路檢測電壓幅值。此模擬量的幅值通過A/D轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字信號，單片機處理該數(shù)字信號并將結(jié)果顯示在LED上。當測量結(jié)束，信號源及檢測模塊被關(guān)斷，等單片機定時至下一個測量時間到來時再開啟測量。

2.1 傳感器探針

如圖2所示，電極由兩個不銹鋼條形長塊制成，其長度（埋入土中深度）為18 cm，寬度為2.5 cm，厚度為0.35cm，插入土中的極板間距為7.5cm。兩金屬電極間由一恒定的激勵源建立電場[5]。

2.2 信號源及檢測電路

土壤由于含有各種離子以及水分具有導電性。為了避免導電電流的影響，提高測量的精度，選擇頻率比較高的正弦信號作激勵源（50 MHz），這樣可使等效電容容抗遠小于導電電阻，導電電阻比電容阻抗大很多，就可以忽略純導電電流的影響[3]。

采用OX20系列MP2020型集成晶體振蕩器作為信號源，如圖3所示。該振蕩器頻率范圍10MHz～60MHz，可變頻率范圍±0.5×10-6（Min），電源電壓+5V±5%（+3.3V），尺寸 20mm×20mm×10mm。引腳5為地，在引腳2與引腳5之間連接一電阻，通過調(diào)節(jié)引腳1來調(diào)節(jié)頻率。引腳3為電源端，信號從引腳4輸出。

調(diào)節(jié)振蕩器使之穩(wěn)定在50 MHz，電壓幅值為4.5 V。該信號輸入傳感器探針后，其輸出為一同頻率不同幅值的等幅正弦信號。利用峰值檢波電路檢測輸出電壓。如圖4所示，運放A1是比較器，A2為跟隨器。二極管D2是為防止二極管D1截止后A1開環(huán)運行。電阻Rf是為了構(gòu)成深度電壓負反饋，以減小D1的非線性誤差。

2.3 單片機處理部分

系統(tǒng)使用8051單片機，硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。單片機P0引腳用于與ADC的數(shù)據(jù)傳遞，顯示部分采用LED串行靜態(tài)顯示，P1輸出位控碼，P3.1（TXD）發(fā)送段碼。引腳P1.6和P1.7分別接繼電器，控制信號源及檢測模塊的工作電路。

軟件采用C51編程。利用定時器編寫測量間隔時間，實現(xiàn)電路周期檢測、數(shù)據(jù)采集處理及結(jié)果顯示。C51的設(shè)計既具有一般高級語言的特點，又能直接對單片機系統(tǒng)的硬件進行操作，表達和運算能力較強，生成代碼效率高，支持浮點數(shù)運算。軟件結(jié)構(gòu)清晰、有條理，便于擴展、移植和維護。

3 實驗測定

3.1 儀器標定

（1）試驗土壤：重慶地區(qū)紫色土壤

（2）實驗儀器：Agilent E8257C信號發(fā)生器；Agilent DSO6034A數(shù)字存儲示波器；JA31002型電子精密天平：分辨率0.01g；DZ60型電熱恒溫真空干燥箱。

（3）試驗方法：取耕層土樣15L左右，充分風干混勻再密封24h，利用實驗室儀器測得電極傳感探頭在標準信號激勵下的輸出電壓信號U1。同時取少許土樣，用標準的恒溫箱烘干法測其含水量F1。將土壤加適量水充分混勻后繼續(xù)密封，24 h后用同樣的方法測得（U2、F2）。利用同樣的方法繼續(xù)測量下去，直至U不隨水分含量變化為止。每次測量重復三次取其平均。實驗標準數(shù)據(jù)如表1。

表1 含水量與傳感器輸出電壓對應(yīng)關(guān)系

從圖6可以看出，當土壤含水量不超過25%時，土壤含水量的變化與檢測電壓呈線性關(guān)系。將數(shù)據(jù)（U、F）采用最小二乘法進行線性回歸，得擬合方程U=K·F。即得到傳感器輸出電壓與含水率的關(guān)系，將此對應(yīng)關(guān)系通過Keil C51編程調(diào)試后燒寫至單片機。

3.2 測量及數(shù)據(jù)分析

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)

圖3 集成晶體振蕩器

圖4 檢波電路

圖5 單片機硬件結(jié)構(gòu)

圖6 含水量與傳感器輸出電壓對應(yīng)關(guān)系

用標定好的傳感器對含水量不相同的幾處實驗地進行測量，記錄測得土壤水分。同時用環(huán)刀取土樣帶回實驗室用標準烘干法測得其含水率值，如表2所示。

表2 土壤水分測試結(jié)果

由表2可知該傳感器測量精度較高，在0%～25%的含水率范圍內(nèi)效果理想，可用于農(nóng)作物自動灌溉，實現(xiàn)土壤水分實時監(jiān)測，達到節(jié)水灌溉的目的。

4 結(jié)束語

由于旱地作物正常生長所需土壤含水量小于26%，在實際應(yīng)用中，若土壤水分傳感器在檢測低于25%的含水量時具有高靈敏度和線性性，即可以滿足生產(chǎn)上的需要[6]。該文研制的傳感器通過實地測量驗證，具有良好的效果。同時它使用簡單，安裝、調(diào)試、標定、維護方便；結(jié)構(gòu)小巧便于攜帶和埋設(shè)，不擾動土壤，能滿足實際應(yīng)用的要求；適用于土壤水分的快速測定、連續(xù)動態(tài)觀測及長期定點監(jiān)測。還可對其進行功能擴展，采用更強的單片機系統(tǒng)，添加無線發(fā)送及接收模塊，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

該設(shè)計針對重慶地區(qū)紫色土進行了試驗。但當土壤類型發(fā)生變化時，其介電特性也將發(fā)生變化，所以若要將此傳感器應(yīng)用于其他土壤類型，還需在其他類型土壤上進行研究并對其重新標定。為了解決這一問題，避免用戶重新標定帶來的使用不便，在儀器進一步開發(fā)中可以將常見的土壤類型都進行標定，通過軟件編程寫入程序，采用功能更強的單片機來處理，用戶在使用中根據(jù)土壤類型選擇，從而使其功能更加完善，有利于實際生產(chǎn)應(yīng)用。

[1] 陳家宙，陳明亮，何圓球.各具特色的當代土壤水分測量技術(shù)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學，2001（3）：25-28.

[2] Paltineanu I C，Starr J L.Real-time soil water dynamics using multisensor capacitance probes：Laboratory calibration[J].Soil Sci.Soc.Am.J.，1997，61（6）：1576-1585.

[3] 李良福.土壤電學[M].北京：氣象出版社，2008.

[4] 陳 杰，黃 鴻.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2002.

[5]胡建東.參數(shù)調(diào)制探針式電容土壤水分傳感技術(shù)研究[J].傳感技術(shù)學報，2007，20（5）：1057-1060.

[6] 溫·索恩.土壤、水與農(nóng)作物產(chǎn)量的關(guān)系[M].石家莊：河北人民出版社，1984.