路基土壤含水量微波檢測系統(tǒng)的設(shè)計研究

張 勇，劉 策，郭 晨，李 婷

（長安大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安710064）

0 引 言

電磁無損檢測技術(shù)是一種新型含水量檢測方法，它是通過測量待測土壤的電特性而求得含水量的技術(shù)，具有非接觸、無損耗、實時性強等優(yōu)點［1］。目前，國內(nèi)外采用的方法包括：電容傳感法、諧振腔法、時域反射法［2］、探地雷達法等［3］。

諧振腔傳感器具有一個諧振腔體，通過諧振器內(nèi)電場變化改變諧振頻率、Q值［4］，求得含水量。諧振腔傳感器頻帶窄，易產(chǎn)生頻點漂移［5］。電容法通過電介質(zhì)中等效電容與介電常數(shù)的比例關(guān)系測量含水量，電容傳感器對土壤類型要求高，對含鹽量敏感，不適合高鹽分土壤測量。時域反射法的探針結(jié)構(gòu)復(fù)雜，探針無法做到非接觸測量，待測物損壞程度大。另外，探針包含直流信號分量，對高金屬含量高鹽分土壤電導(dǎo)率高，無法準確測量。探地雷達測量目標(biāo)范圍大，測量精度差，電子設(shè)備精密，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)功耗大，持久性差，無法適應(yīng)長時間準確探測。

上述各種方法均不適合路基含水量檢測，作為道路路基含水量檢測，需要一款測量準確、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、實時性強、耐高鹽量土壤的傳感器［6］。

文章提出一種基于相位檢測法的新型平行微帶線傳感器。測量原理利用土壤含水量與土壤介電常數(shù)之間線性關(guān)系。土壤含水量變化可以通過介電常數(shù)反應(yīng)，介電常數(shù)改變又影響電磁波在微帶傳輸線中傳輸速率，通過與參考信號作對比，得到二者相位差。通過相位差求得土壤含水量。該傳感器結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高，實時性強，土壤類型要求低，成本低，功耗小，適合路基土壤長期監(jiān)測。

1 測量模型

依據(jù)傳輸線理論，由傳輸線波動方程［7］，2E（r）－kE2（r）＝0得公式

式中：k——傳播常數(shù)，β——相移常數(shù)，α——衰減常數(shù)，ε＊——復(fù)介電常數(shù)，μ——磁導(dǎo)率，其中μ＝μ0

復(fù)介電常數(shù)［8］

式中：εr——相對介電常數(shù)，σ——電導(dǎo)率。

式 （3）代入 （1）

將 （4）代入 （5），得到相位常數(shù)

式 （6）中，λ0自由空間波長，在2G頻率下，損耗角正切tanδ［8］遠小于1，因此上式簡化為

相移θ與相位常數(shù)β關(guān)系如式 （8）

其中εeff等效介電常數(shù)［9］

式中：h——基板的高度，w——微帶平行線寬度。

2 傳感器設(shè)計

傳感器設(shè)計分別從土壤介電常數(shù)、穿透深度和鹽含量幾方面考慮。

干燥土壤相對介電常數(shù)3－5、水為80，飽和潮濕土壤為30［10］，潮濕土壤相對介電常數(shù)范圍在3－30，介電常數(shù)因土壤含水量和含鹽量不同而不同。

傳感器工作頻率為2GHz，電磁波波長約15cm，電磁場能夠穿透到待測介質(zhì)中，穿透深度取決于介質(zhì)中水分子多少及分布狀況［11］。傳感器不僅可以測量土壤表面的含水量，待測土壤中的含水量也可以有效測量。另外，穿透深度也受信號源功率控制，功率越大穿透深度越深。

傳感器工作頻段較低，鹽含量對土壤介電常數(shù)的影響可忽略，鹽溶解于水后的離子對電導(dǎo)率不會有任何影響［12］。水的介電常數(shù)很大，影響介電常數(shù)的主要因素是土壤含水量，土壤鹽等礦物質(zhì)含量在此頻段對測量產(chǎn)生影響可忽略。

2.1 平行微帶線設(shè)計

傳感器采用平行板微帶線結(jié)構(gòu)印刷電路板 （PCB），PCB的上、下面為平行微帶線，線兩頭端口為發(fā)射端和接收端 （連接同軸線），如圖1所示。將傳感器插入土壤后可測量含水量。

圖1 平行微帶線結(jié)構(gòu)

微帶線設(shè)計有以下幾方面：微帶線長度應(yīng)選擇初始相位差為kπ（k為整數(shù)），以發(fā)揮最大測量范圍。其次，微帶傳輸線的長度和寬度應(yīng)考慮到阻抗匹配，普通微帶線阻抗50ohm。最后，考慮鑒相器AD8302的有效斜率，且微帶傳輸線超前和滯后相位不能辨別，因此，微帶線相位有效范圍應(yīng)在20－150deg（包括同軸線相移）。

綜上，根據(jù)式 （8）、（9）可通過有效相位范圍計算出微帶傳輸線最大有效長度l＝2L＝70mm，微帶線寬度w＝3mm。PCB采用1.6mm厚，相對介電常數(shù)εr＝4.5的RF4PCB，達到阻抗匹配，表面層可加綠色阻焊。

2.2 TR收發(fā)器設(shè)計

TR收發(fā)器結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要有壓控振蕩器（VCO）［13］、鎖相環(huán) （PLL）、相移器、鑒相器組成。

圖2 TR收發(fā)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

VCO采用VC－2R8A50模塊，發(fā)射頻率2.0GHz，輸出功率－10dBm，作為信號發(fā)生器。輸出信號分二路，一路接頻率合成器LMX2310U組成PLL電路，然后輸出微帶線傳感器用作探測信號；一路接相移器和鑒相器用作參考信號。探測信號與參考信號通過鑒相器AD8302形成相位差并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)模擬電壓輸出。TR收發(fā)器與傳感器分別制成不同的PCB（用同軸線連接）或分屬不同層制成插板。使用時，將平行微帶線直接插入待測土壤，TR收發(fā)器兩邊套塑料薄膜層加以保護。

鑒相器AD8302最高頻率可達2.5GHz，輸入功率0－60dBm，相位探測精度為10mV／deg，最大探測有效范圍0－180deg。壓控振蕩器VCO輸出功率－10dBm，而AD8302功率－60dBm。因此，平行微帶線的衰減不得超過50dB。壓控相移器PS214－315，可調(diào)節(jié)相移范圍0－100deg。用來調(diào)節(jié)參考信號相位，并校準初始相位為kπ（k為整數(shù)），以保證相位差在AD8302有效線性量程范圍內(nèi)。

2.3 系統(tǒng)軟硬件

系統(tǒng)硬件由平行微帶線、TR收發(fā)器、讀寫控制器和計算機三部分組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。讀寫控制器采用ARM7TDMI－S核單片機LPC2114。系統(tǒng)板上設(shè)計有JTAG接口、ISP編程功能方便程序下載仿真。板上設(shè)計復(fù)位鍵、LED、RS232串口等常用功能部件。存儲部分采用256K字節(jié)的片內(nèi)FLASH，16K的SRAM，無需擴展存儲器即可存儲含水量信息。通信部分開發(fā)UART、I2C、SPI、ADC等功能，以便采集TR收發(fā)器模擬電壓信號并轉(zhuǎn)為數(shù)字信號存儲。整個系統(tǒng)簡單可靠。

系統(tǒng)軟件采用ADS1.2作為開發(fā)平臺，并集成了ARM匯編器、ARM C編譯器、Thumb C／C＋＋編譯器、AXD調(diào)試器。軟件采用匯編器、C等多種語言構(gòu)架，如圖4所示。μC／OS－II內(nèi)核操作系統(tǒng)移植，打破傳統(tǒng)單片機循環(huán)語句式的調(diào)度策略，將系統(tǒng)分為多功能模塊，包括：操作系統(tǒng)移植、內(nèi)存管理、隊列管理、協(xié)議棧主循環(huán)、設(shè)備驅(qū)動等。系統(tǒng)采用多任務(wù)管理，提高并行效率。

3 傳感器仿真

采用電磁HFSS仿真軟件對傳感器進行仿真。

3.1 相位－介電常數(shù)仿真

傳感器在2GHz頻率下，對兩個端口的入射損耗s21的相位與待測土壤相對介電常數(shù)進行仿真，關(guān)系如圖5所示。從圖5看出，根據(jù)土壤含水量飽和度不同，干燥土壤介電常數(shù)為3，含水量30%飽和土壤為介電常數(shù)為30，根據(jù)飽和度不同土壤相對介電常數(shù)范圍3－30，對應(yīng)s21相位范圍20－150deg之間。相位與土壤相對介電常數(shù)大致成線性關(guān)系。

圖5 相位－土壤介電常數(shù)關(guān)系

3.2 S參數(shù)仿真

在1.8－2.2GHz頻率范圍，對微帶線回波損耗和阻抗匹配情況進行仿真。中心頻率2.1GHz，反射損耗s11和入射損耗s21分別為－28.07dB和－0.31dB，如圖6所示，仿真結(jié)果表明平行微帶線在此頻段有效，即使因含水量變化產(chǎn)生頻點漂移，傳感器也能有效測量。

圖6 平行微帶線s參數(shù)

4 含水量測量結(jié)果分析

取一定量路基土壤，放入燒杯中，制成含水量30%的飽和土壤樣本，精確測得飽和土壤總質(zhì)量。傳感器完全插入燒杯樣本中，持續(xù)恒溫加熱，定時稱重，記錄樣本質(zhì)量、干燥土壤質(zhì)量和輸出電壓值。根據(jù)式 （10），依次計算含水量［14］

式中：mw——樣本水的質(zhì)量，md——樣本干燥土壤質(zhì)量，mm——樣本總質(zhì)量。

記錄含水量依次為30%、28%…時，傳感器輸出模擬電壓值，結(jié)果如圖7所示。從圖7中，可得傳感器相位輸出電壓與土壤含水量大致為線性關(guān)系。

圖7 實驗數(shù)據(jù)結(jié)果 （10Mv／deg）

從圖7可以看出圖形為二項式，進行數(shù)據(jù)擬合，推倒二項式擬合方程。黑點代表記錄值，曲線代表擬合值，二者相吻合。擬合二項式可表示為

η為土壤含水量，R2＝0.997回歸系數(shù)。

圖8為傳感器實物圖，左邊為平行微帶線，右邊為TR收發(fā)器。該傳感器測量含水量的瞬時分辨率達到0.5%，每次測量時間小于100ns（包括鑒相器AD8302響應(yīng)時間），工作頻率2GHz，對土壤類型和鹽分含量不敏感，在實驗中，該微帶線中信號傳導(dǎo)速率僅僅受含水量影響 （不受土壤類型影響），密實度的影響可忽略不計。

圖8 平行微帶線傳感器系統(tǒng)

傳感器實測功率小于140mW，使用普通的鎳鎘或鋰離子電池，能夠持續(xù)數(shù)月。該傳感器低功耗，可以在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中得以應(yīng)用?？紤]溫度變化導(dǎo)致土壤介電常數(shù)輕微漂移，因此，該傳感器需要溫度補償［15］。

平行微帶線與傳統(tǒng)稱重法測量含水量數(shù)據(jù)對比實驗結(jié)果，見表1。

表1 兩種方法測量土壤樣品含水量結(jié)果對比 （%）

從表1可以看出，對于配置成標(biāo)準0－30%含水量土壤樣本，微帶線測量含水量比稱重法更準確，誤差小于1%。但由于水分子影響，隨著含水量增大，微帶線測量誤差增大。

5 結(jié)束語

本文提出一種新型微波傳感器系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)。該傳感器利用土壤含水量變化導(dǎo)致介電常數(shù)變化，進而引起傳感器微帶線上電磁波傳播速率變化，從而產(chǎn)生相位差，建立含水量跟相位差的函數(shù)關(guān)系，通過相位差測得含水量。

傳感器工作頻率為2GHz，采用平行微帶傳輸線結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)進行硬件設(shè)計與仿真。仿真結(jié)果表明該設(shè)計相位差取值范圍合理，線性變化明顯。對樣本進行實測，對測量結(jié)果采用二項式擬合，建立相位輸出電壓與含水量之間函數(shù)關(guān)系。與傳統(tǒng)測量方法相比，此傳感器測量精度高、響應(yīng)時間短、功耗小、持久性強、適合各種土壤類型 （包括鹽漬土），可納入無線網(wǎng)絡(luò)。

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