不同頻率激勵信號下土壤水分傳感器性能試驗(yàn)*

李加念， 洪添勝， 倪慧娜

(1.昆明理工大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

0 引 言

土壤水分傳感器作為一種快速、有效、便攜獲取土壤水分信息的途徑，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)田土壤水分和土壤墑情的監(jiān)測。目前，土壤水分傳感器實(shí)現(xiàn)測量土壤水分的原理和方法有很多種，其中,利用土壤的介電特性進(jìn)行間接測量的介電測量法是最具潛力的一類方法[1]，并以此開展了許多研究[2～5]。

對于采用介電法的土壤水分傳感器而言，由于信號源頻率對土壤的介電特性影響很大，因而傳感器激勵信號頻率的選擇在很大程度上影響其性能。當(dāng)信號源頻率較低時，土壤水分存在著明顯的極化效應(yīng)，其介電常數(shù)受土壤類型和土壤結(jié)構(gòu)影響較大[6]；當(dāng)信號源頻率大于30 MHz時，土壤介電特性相對穩(wěn)定，基本上不受土壤質(zhì)地影響，而且頻率越高影響越小。對于我國土壤，在質(zhì)地變化產(chǎn)生的體積含水量測量誤差小于1 %,2 %時，其測量頻率上限值分別為180,250 MHz[7]。但隨著頻率的提高，土壤質(zhì)地的影響并不能完全忽略，而且,當(dāng)頻率提高到100 MHz以上時，電路高頻特性顯著，集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)等寄生效應(yīng)隨之產(chǎn)生，增加了信號檢測電路的復(fù)雜性和設(shè)計難度。因此，綜合考慮激勵信號頻率應(yīng)在30～100 MHz之間選擇為宜。為反映傳感器在各個頻率的激勵信號下的性能，以高頻電容式土壤水分傳感器[3]為試驗(yàn)對象進(jìn)行了試驗(yàn)，以期為傳感器激勵信號頻率選擇提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 土壤水分傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理

試驗(yàn)選用的高頻電容式土壤水分傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由探針電極、電子電路和接線電纜三部分組成[2]。其中，探針電極由印刷電路板(printed circuit board,PCB)制成，且為承載整個傳感器電子電路的主PCB的一部分；接線電纜由3根線組成，分別為電源線、地線和信號輸出線；為避免傳感器在土壤中插拔時所引起的摩擦對探針電極上的電接觸區(qū)(敷銅層)造成損壞，將整個PCB設(shè)計為4層板結(jié)構(gòu)，且將電接觸區(qū)置于PCB中間層。

圖1 土壤水分傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

傳感器的工作電壓為2.7～5.0 V，其電路原理圖如圖2所示，當(dāng)傳感器置于待測土壤中測量時，有源晶振U1產(chǎn)生的激勵信號經(jīng)施密特觸發(fā)器U2整形成為方波信號后，加載于電阻器R2和探針的等效電容所組成的一階RC電路上，對其進(jìn)行周期性地充放電，同時利用真有效值檢測器U3將探針上的信號轉(zhuǎn)換成等效的直流電壓進(jìn)行輸出。當(dāng)土壤含水量變化時，其介電常數(shù)發(fā)生變化，探針的等效電容也隨之改變，從而傳感器的輸出電壓亦作相應(yīng)變化[2]。

圖2 土壤水分傳感器電路原理圖

1.2 試驗(yàn)方法

由于通過土壤和水的混合配制待測土樣來測試土壤水分傳感器的方式，費(fèi)時費(fèi)力，難以控制土樣的均勻性和一致性，而且將傳感器探針置于土樣中測量時還會存在接觸不良的現(xiàn)象，因此,可采用配制介電常數(shù)ε為已知的溶液替代土樣，對電容式土壤水分傳感器的性能進(jìn)行測試評價[8,9]。介電常數(shù)為ε的溶液的等效土壤體積含水率可通過如公式(1)所示的Topp經(jīng)驗(yàn)公式[10]計算得出

θv=-5.3×10-2+2.92×10-2ε-5.5×10-4ε2+4.3×10-6ε3,

(1)

式中θv為溶液的等效土壤體積含水率，ε為待測溶液的介電常數(shù)。

試驗(yàn)所用溶液由去離子水和2—異丙氧基乙醇(2—isoproxyethanol)或二氧六環(huán)(dioxane)2種溶液混合配制而成，所配制的一系列不同ε即等效體積含水率不同的待測溶液的配制比例如表1所示[11]。

表1 不同ε的待測溶液的配制比例及其等效土壤體積含水率

1.3 不同頻率傳感器的電路參數(shù)配置

根據(jù)前文分析，分別選取30,40,50,60,70,80,90，100 MHz 7種頻率作為傳感器的激勵信號頻率進(jìn)行試驗(yàn)。為使各種不同頻率傳感器之間具有可比性，需對7種傳感器的電路參數(shù)進(jìn)行配置，使其輸出電壓的范圍基本相同。

因阻抗匹配原因，由電阻器R2和探針的等效電容器所組成的一階RC電路，對加載于其上的不同頻率的激勵信號的衰減程度不一，因此，可調(diào)整電阻器R2阻值的大小使各個傳感器的輸出電壓范圍基本相同。同時，為避免低于激勵信號頻率的干擾信號進(jìn)入真有效值檢測器U3的輸入端，對傳感器的測量結(jié)果造成影響，需根據(jù)激勵信號的頻率配置電容C4，其值由式(2)計算確定

C4=1/(2π·f·Rin)，

(2)

式中f為傳感器的激勵信號頻率，Hz；Rin為U3本身的輸入阻抗，Ω，當(dāng)輸入頻率低于100 MHz時為225 Ω。

由文獻(xiàn)[3]知，將傳感器置于純水中測試可得其最小輸出電壓，置于空氣中測量可得其最大輸出電壓，從而可以得出其輸出電壓范圍(此處設(shè)為工作電壓的30 %～70 %)。經(jīng)試驗(yàn)得出了7種不同頻率傳感器的電容C4和電阻R2的具體數(shù)值，如表2所示。

表2 7種不同頻率傳感器對應(yīng)的C4和R2

2 結(jié)果與分析

2.1 傳感器輸出與土壤含水率的關(guān)系

根據(jù)表1所示的配制比例，配制了一系列等效土壤體積含水率為0.9 %～51.8 %的待測介電溶液。試驗(yàn)時，用離心管盛裝待測溶液,并將其置于25 ℃的恒溫水浴鍋內(nèi),然后分別將7種頻率傳感器置于待測溶液中進(jìn)行測試。對于每一種頻率的傳感器，分別在2.7～5.0 V的工作電壓范圍內(nèi)進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 傳感器輸出電壓與土壤體積含水率的關(guān)系

從圖3可以看出:7種不同頻率傳感器的輸出電壓均隨著土壤體積含水率的增加而減小，而且均對傳感器的工作電壓有很強(qiáng)的依賴性，在某一特定土壤體積含水率下傳感器的輸出電壓隨著工作電壓的升高而增加。分別對7種不同頻率的傳感器在各個工作電壓下，將傳感器的輸出電壓與其所對應(yīng)的土壤體積含水率進(jìn)行回歸分析知，傳感器的輸出電壓與土壤體積含水率呈線性負(fù)相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)R2均大于0.94。

由于傳感器的輸出電壓與土壤體積含水率是線性相關(guān)的，因此，評價傳感器輸出電壓的變異性和穩(wěn)定性，可等效于評價傳感器檢測土壤體積含水率的變異性和穩(wěn)定性。

2.2 溫度對傳感器的影響

以一支離心試管盛裝等效體積含水率為40.6 %的介電溶液作為待測溶液，并將其置于一個溫度可調(diào)的電子恒溫箱(品牌為福意聯(lián)，型號為FYL—19MC—B4，溫度調(diào)節(jié)范圍為-5～65 ℃)中，分別以3.0，5.0 V為工作電壓，在5～45 ℃范圍內(nèi)以5 ℃為步進(jìn)調(diào)節(jié)溫度對傳感器進(jìn)行測試。在測試過程中，將數(shù)字溫度計TP3001插入待測溶液以測量其實(shí)際溫度，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時，分別將7種頻率的傳感器置于待測溶液中，以高精度數(shù)字萬用表(型號為Keithly 2700，6位半精度)測量其輸出電壓。然后，以溫度為25 ℃時的測量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，衡量傳感器的輸出電壓對溫度的變異性，其溫度變異性可用式(3)計算

(3)

式中θT為傳感器輸出電壓的變異率，%；Vx為傳感器在某一溫度下傳感器的輸出電壓，V；V25為傳感器在25 ℃時的輸出電壓，V。

圖4 不同頻率傳感器的輸出電壓對溫度的變異性

由圖4可知，7種不同頻率的傳感器均表現(xiàn)為，同一溫度時，3.0,5.0 V兩種工作電壓下其輸出電壓的變異率基本相同，只有溫度為5 ℃時兩者的差別相對稍大，最大的是頻率為80 MHz的傳感器，二者的差別達(dá)到1.01 %，而其它溫度測量點(diǎn)的結(jié)果都比較接近，有的甚至重合在一起，由此可見工作電壓的改變對傳感器的溫度變異性基本上沒有影響；除頻率為90 MHz的傳感器外，其它傳感器輸出電壓的溫度變異率均表現(xiàn)為：當(dāng)溫度高于25 ℃時為正值，當(dāng)溫度低于25 ℃時為負(fù)值，而且,當(dāng)待測溶液溫度處于25 ℃以上或以下的溫度范圍內(nèi)時，與25 ℃之間的溫差的絕對值越大時，傳感器輸出電壓的變異率就越大，呈近似線性正相關(guān)關(guān)系，因而溫差是影響傳感器輸出電壓溫度變異性的主要因素；在5～45 ℃范圍內(nèi)，7種頻率的傳感器的輸出電壓的溫度變異率均小于4 %，40～100 MHz的最大變異率分別為2.05 %,3.27 %,2.31 %,3.41 %,3.89 %,3.14 %和3.23 %。

3 結(jié) 論

1)7種不同頻率傳感器的輸出電壓均與土壤體積含水率呈線性負(fù)相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)R2均大于0.94，而且均對傳感器的工作電壓有很強(qiáng)的依賴性，在某一特定土壤體積含水率下傳感器的輸出電壓隨著工作電壓的升高而增加；

2)工作電壓的改變對7種頻率傳感器的溫度變異性基本上沒有影響，溫差是影響傳感器輸出電壓溫度變異性的主要因素，溫度處于25 ℃以上或以下的范圍內(nèi)時，與25 ℃之間的溫差的絕對值越大時，傳感器輸出電壓的變異率就越大，呈近似線性正相關(guān)關(guān)系，在5～45 ℃范圍內(nèi)，7種頻率的傳感器的輸出電壓的溫度變異率均小于4 %。

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