基于交流阻抗法的土壤濕度測量

王利恒，劉思敏，龔澤熙武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北武漢430205

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基于交流阻抗法的土壤濕度測量

王利恒，劉思敏，龔澤熙
武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北武漢430205

摘要：采用交流阻抗法快速測量土壤的濕度.將雙探針傳感器一端插入土中，作為阻抗器件，另一端與NE555芯片相連，組成電阻頻率轉(zhuǎn)換電路，使加載在被測土壤上的直流電變?yōu)榻蛔冸娏?，同時將土壤的交變阻抗轉(zhuǎn)換成頻率信號，不需要模數(shù)轉(zhuǎn)換，就可以通過單片機(jī)測得頻率值.通過頻率與土壤濕度間的線性關(guān)系，獲得土壤濕度值.交流阻抗法有效克服了在直流電作用下帶來的土壤電極極化現(xiàn)象，在快速測量的同時保證了測量精度.實驗結(jié)果表明該方法能有效測量0%～20%的土壤濕度范圍.

關(guān)鍵詞：土壤含水量；交流阻抗法；電阻頻率轉(zhuǎn)換電路

1　引　言

土壤含水量的多少對于農(nóng)作物的生長至關(guān)重要，水分過多或不足都會影響農(nóng)作物的正常生產(chǎn)，對農(nóng)作物的產(chǎn)出帶來直接影響.及時準(zhǔn)確掌握土壤含水量多少，對于實施精準(zhǔn)定量灌溉，節(jié)約用水具有重要意義［1］.尤其是對于我國這樣一個缺水的農(nóng)業(yè)大國，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實施會帶來廣泛的社會效益和經(jīng)濟(jì)價值.

目前測量土壤水分的方法主要有烘干法、電阻法、射線法、時域反射法（TDR）、頻域反射法（FDR）以及遙感法.烘干法屬于定義法，是其它測量方法的參考標(biāo)準(zhǔn)，但由于需要經(jīng)歷取樣，烘干，稱重等多道工序，耗時費力，且無法做到實時測量，一般只在做系統(tǒng)標(biāo)定時使用.射線透射法和中子水分儀法［2-3］都不需要取樣，安裝好后，可以在同一個地方定點連續(xù)測量，但是它對表層土壤的測量卻略顯不足，而且各種射線法和中子水分儀法最大的問題就是會對人體造成輻射危害.時域反射法［4］（TDR）具有射線法和中子法的優(yōu)點，而且不會存在輻射問題，但成本過高，且電路復(fù)雜不利于推廣.

采用交流阻抗法，本質(zhì)上屬于頻域反射法（FDR）的一種應(yīng)用，但由于其在測量電路中，土壤充當(dāng)?shù)氖且粋€阻抗器件，所以歸為阻抗法.基于電阻法改良的交流阻抗法測土壤濕度的方法，操作方便，能快速測量土壤水分，無輻射且成本低，在一定范圍內(nèi)可保證測量精度，可以大范圍地普及使用.

土壤是礦物質(zhì)、有機(jī)物質(zhì)和活的有機(jī)體以及水分和空氣等的混合體，是一個氣、液、固相均有的混合體.由于水分的存在，土壤中的礦物質(zhì)溶解到水分中，形成可以導(dǎo)電的電解離子.而這種導(dǎo)電能力受土壤的成分和含水量的多少影響，在相同地質(zhì)情況下，主要影響因素就是含水量.所以土壤阻值的大小和含水量的多少有直接關(guān)系，通常含水量加大時，電阻值會變小，也就是越干的土壤其阻值越大，使用電阻法測量土壤濕度就是依據(jù)的這個原理.

土壤電阻率的大小主要取決于土壤的成分和含水量.土壤的成分不同決定了其所含導(dǎo)電離子濃度的大小.假定土壤中導(dǎo)電離子濃度為C1，土壤中含水量為C2，土壤電導(dǎo)率ρ就是導(dǎo)電離子濃度C1和含水量C2的函數(shù)［5］：

根據(jù)式（1），土壤電阻率將會根據(jù)土壤成分以及含水量不同而改變，而土壤成分相對來講是比較固定的.那么電阻的大小就和含水量直接相關(guān).但經(jīng)過實驗研究發(fā)現(xiàn)使用這種傳統(tǒng)電阻法測量土壤濕度其測量結(jié)果很不穩(wěn)定，在研究中發(fā)現(xiàn)，土壤在直流電流作用下，會發(fā)生電解作用，并出現(xiàn)極化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致在測量過程中出現(xiàn)測量結(jié)果漂移不穩(wěn)定的現(xiàn)象.

采用交流阻抗法，屬于電阻法一種改良，通過加載在被測對象的交變電流有效防止了用傳統(tǒng)電阻法測量土壤濕度時所造成的極化影響.

測量土壤濕度時，將探針插入土中，探針相當(dāng)于兩個電極，前端測量電路施加的交變電場通過探針作用在被測土壤上，將土壤的交變阻抗轉(zhuǎn)換成頻率信號，來進(jìn)行后處理得到含水量數(shù)據(jù).

2　實驗部分

2.1傳感器的選擇

水分傳感器的探針結(jié)構(gòu)可以是單根探針形式，也可以設(shè)計成兩根探針形式.

單根探針的傳感器外形更為緊湊，是在同一柱面上分段得到兩個電極，所以制作工藝比較復(fù)雜.如圖1所示，兩柱面構(gòu)成的電極間的電磁場分布范圍僅在探針附近，因此其測量的有效范圍是以探針為中心的有限區(qū)域范圍.

圖1　傳感器探針電場分布Fig. 1　Sensor probe electric field distribution

當(dāng)探測電極分別由兩根探針構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)形式就是雙探針電極.由于每根探針就是一個電極，制作工藝簡單.其測量的有效范圍是以兩探針中間區(qū)域向外輻射的范圍，相對單探針，其探測有效范圍比單探針的要廣.傳感器選用雙探針設(shè)計方案，探針選用316L不銹鋼材料，可以長期在土壤里工作.同時增加一根溫度探頭，用于測量土壤溫度，進(jìn)行溫度補(bǔ)償.

2.2前端測量電路設(shè)計

前端測量測量電路使用NE555組成交變振蕩電路.

圖2是由NE555組成的多諧振蕩器的電路圖，RA相當(dāng)于土壤的電阻值，是由雙探針電極和土壤構(gòu)成的，RB是固定電阻.通過RA、RB和C1組成的充放電回路，將電阻值轉(zhuǎn)換成振蕩頻率.

圖2　交變振蕩電路Fig. 2　Alternating oscillation circuit

上電后，VCC開始通過RA和RB向C1充電，VC開始上升，3端輸出為高電平，C1充電的時間為

當(dāng)VC升到2VCC/3時，NE555內(nèi)部的三極管T導(dǎo)通，與RA、C1構(gòu)成放電回路，充電結(jié)束，C1開始放電，VC開始下降，3端輸出為低電平，C1放電時間為

當(dāng)VC降到VCC/3時，NE555內(nèi)部的三極管T會截止，VCC又開始通過RA和RB向C1充電，即每當(dāng)VC降到VCC/3時，C1就開始充電，當(dāng)VC升到2VCC/3時，C1又開始放電，放電使VC降到VCC/3時，C1再次開始充電，如此周期性地重復(fù)，在輸出端就得到一個占空比固定不變的矩形波，其脈沖的頻率為

利用式（4），測得輸出脈沖的頻率后，就可以反過來得到土壤的阻值，而土壤的阻值是與土壤濕度息息相關(guān)的.

2.3單片機(jī)后處理

前端處理電路輸出的脈沖信號直接接入到單片機(jī)的計數(shù)器輸入端進(jìn)行處理得到頻率值.由于實際測量輸出頻率范圍在0.1～8 kHz之間，所以采用定時計數(shù)的方式.定時器配置成外部脈沖計數(shù)方式，單片機(jī)定時1 s，1 s中斷來到時，讀取計數(shù)脈沖數(shù)并復(fù)位計數(shù)器.由于土壤水分含量是一個相對穩(wěn)定的緩變量，所以采用1 s計數(shù)采樣來刷新數(shù)據(jù)，能夠滿足測量的需要.

3　結(jié)果與討論

3.1濕度測量

土壤濕度測量主要測的是土壤的含水量［6］，它是衡量土壤水分狀況的一個重要指標(biāo)，土壤的含水量，也被稱作土壤水分含量，土壤濕度或是土壤濕度率等，它的常用表達(dá)方式主要有兩種［7］：

1）土壤濕度W：土壤中所含水分的重量（mw）與用烘干法去除水分后的干土的重量（ms）的比值，即

2）體積含水量θ：也可稱容積含水量，是土壤中所含水分的體積（VW）與土壤總體積（V）的比值，即

3.2實驗驗證

實驗中制作了10個土壤樣本，通過烘干法測量土壤濕度，可精確測得它們的含水量，通過交流阻抗法，分別測量這10個樣本的頻率，得到的數(shù)據(jù)如表1所示.

表1　頻率和含水率對應(yīng)關(guān)系Tab.1 Corresponding relationship between moisture content and frequency

利用MATLAB對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到如圖3所示的曲線.

圖3　含水率與頻率的對應(yīng)關(guān)系Fig. 3　Corresponding relationship between moisture content and frequency

由圖3可知，電路振蕩的頻率f與土壤濕度W服從線性函數(shù)規(guī)律，擬合方程為

因此，測出振蕩電路的頻率，就可根據(jù)上面的公式計算出土壤的濕度，將這個方程寫入單片機(jī)的程序中，單片機(jī)分別與振蕩電路和上位機(jī)相連，就可以實時測量土壤濕度的變化.

4　結(jié)　語

運用多諧振蕩器原理，使用NE555芯片構(gòu)成的振蕩交流電路測定土壤濕度的方法，有效克服了傳統(tǒng)電阻法測量土壤濕度時電極的極化問題，由于NE555輸出的是數(shù)字信號，無需模數(shù)轉(zhuǎn)換，連上單片機(jī)后就能輕松地測量出芯片NE555產(chǎn)生的矩形脈沖頻率，進(jìn)而求出土壤當(dāng)前的濕度值，實現(xiàn)了快速測量土壤的濕度值，同時也保證了測量的精度.另外，由于NE555內(nèi)部的比較器有較高的靈敏性，而且使用的是差分電路，所以電源電壓和溫度變化對由NE555組成的多諧振蕩器的振蕩頻率的影響很微小，這也在一定程度上保障了濕度測量的精準(zhǔn)性.經(jīng)實驗證明上述測量方法使用方便、測量速度較快、準(zhǔn)確度較高，并且造價低廉，值得推廣.

參考文獻(xiàn)：

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［6］桑以琳.土壤學(xué)與農(nóng)作學(xué)［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2005.7.

［7］張進(jìn)秋.現(xiàn)代土壤濕度的測量方法問題見解［J］.土壤學(xué)進(jìn)展，1989（5）：47-49. ZHANG J Q. Measurement methods of modern soil mois?ture insights［J］. Advances in soil science，1989（5）：47-49.

本文編輯：陳小平

Measuring Soil Moisture Based on Alternating Current Impedance Method

WANG Liheng，LIU Simin，GONG Zexi
School of Electrical and Information Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China

Abstract：The soil moisture was quickly measured by the alternating current impedance method. The double probe sensor was inserted into the earth at one end，which was used as an impedance device，and the other end was connected with the NE555 chip，which formed the resistance frequency conversion circuit. The circuit made the direct current loaded on the soil changing into the alternating current，and converted the alternating imped?ance of the soil into the frequency signals；meanwhile，the frequency values were measured by a single chip，without analog to digital conversion. Finally，the soil moisture values were obtained according to the linear rela?tionship between the frequency and soil moisture. The alternating current impedance method overcomes effec?tively the polarization phenomenon of soil electrode under the action of direct current，with high precision and quick speed. Experimental results show that this method can measure the soil moisture in ranges of 0%-20% effectively.

Keywords：soil moisture content；alternating current impedance method；resistance frequency conversion cir?cuit

作者簡介：王利恒，博士，副教授. E-mail：wlhhust@163.com

基金項目：國家自然科學(xué)基金（61271363）；湖北省自然科學(xué)基金（2012FFB04711）

收稿日期：2015-11-17

文章編號：1674 - 2869（2016）01 - 0074 - 04

中圖分類號：S237

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10. 3969/j. issn. 1674?2869. 2016. 01. 013