电场法土壤水分传感器研究

唐 洋，李光林

（西南大学工程技术学院，重庆 400716）

1 引 言

土壤水分的测量方法很多，有烘干称重法、张力计法、石膏法、气量法、射线法、TDR法、FDR法、红外遥感法和核磁共振法等[1]。以上诸多方法虽具有各自的优势，但也存在不同的缺点，有的方法实时性差，如烘干法；有的方法使用的仪器价格昂贵，如TDR；有的需要取样分析，不适于室外操作等。该文研制的基于电场法的土壤水分传感器，具有成本低、便携性好、反应迅速并可实时自动监测土壤水分等特点。

2 基本设计原理

土壤由空气、土壤固体物质和水组成。在无线电频率、标准状态时（20℃，1大气压）纯水的介电常数为80.4，土壤固体物质约3～7，空气为1。土壤表观介电常数与容积含水量存在非线性关系。土壤介电特性是下面几个因子的函数[2]：电磁频率、温度和盐度；土壤容积含水量；束缚水与土壤总容积含水量之比；土壤容重；土壤颗粒形状及其包含的水电形态。

在一定的电磁频率范围内（50MHz～10GHz），矿物质、空气和水的介电特性为常数，土体的介电常数主要依赖于土壤容积含水量[3]（极微弱地依赖与土壤类型、紧实度、束缚水等）。插入含水土壤中的电极可简化视为一个以土壤为介质的电容器，土壤等效介电常数的变化转换成电信号来实现土壤水分测量[4]。系统原理框图如图1。

图1 系统原理框图

整个系统由单片机智能控制。用两个继电器分别接入信号源及检测模块的工作电路，单片机通过控制继电器来开启或关闭信号源及检测模块。利用单片机的定时功能设置测量时间。当测量开始，信号源及检测模块被启动，信号源产生稳定频率和幅值的高频振荡信号输入至电极探针，由于介质的因素，输入至电极探针的信号幅值发生变化，经检测电路检测电压幅值。此模拟量的幅值通过A/D转换后成为数字信号，单片机处理该数字信号并将结果显示在LED上。当测量结束，信号源及检测模块被关断，等单片机定时至下一个测量时间到来时再开启测量。

2.1 传感器探针

如图2所示，电极由两个不锈钢条形长块制成，其长度（埋入土中深度）为18 cm，宽度为2.5 cm，厚度为0.35cm，插入土中的极板间距为7.5cm。两金属电极间由一恒定的激励源建立电场[5]。

2.2 信号源及检测电路

土壤由于含有各种离子以及水分具有导电性。为了避免导电电流的影响，提高测量的精度，选择频率比较高的正弦信号作激励源（50 MHz），这样可使等效电容容抗远小于导电电阻，导电电阻比电容阻抗大很多，就可以忽略纯导电电流的影响[3]。

采用OX20系列MP2020型集成晶体振荡器作为信号源，如图3所示。该振荡器频率范围10MHz～60MHz，可变频率范围±0.5×10-6（Min），电源电压+5V±5%（+3.3V），尺寸 20mm×20mm×10mm。引脚5为地，在引脚2与引脚5之间连接一电阻，通过调节引脚1来调节频率。引脚3为电源端，信号从引脚4输出。

调节振荡器使之稳定在50 MHz，电压幅值为4.5 V。该信号输入传感器探针后，其输出为一同频率不同幅值的等幅正弦信号。利用峰值检波电路检测输出电压。如图4所示，运放A1是比较器，A2为跟随器。二极管D2是为防止二极管D1截止后A1开环运行。电阻Rf是为了构成深度电压负反馈，以减小D1的非线性误差。

2.3 单片机处理部分

系统使用8051单片机，硬件结构如图5所示。单片机P0引脚用于与ADC的数据传递，显示部分采用LED串行静态显示，P1输出位控码，P3.1（TXD）发送段码。引脚P1.6和P1.7分别接继电器，控制信号源及检测模块的工作电路。

软件采用C51编程。利用定时器编写测量间隔时间，实现电路周期检测、数据采集处理及结果显示。C51的设计既具有一般高级语言的特点，又能直接对单片机系统的硬件进行操作，表达和运算能力较强，生成代码效率高，支持浮点数运算。软件结构清晰、有条理，便于扩展、移植和维护。

3 实验测定

3.1 仪器标定

（1）试验土壤：重庆地区紫色土壤

（2）实验仪器：Agilent E8257C信号发生器；Agilent DSO6034A数字存储示波器；JA31002型电子精密天平：分辨率0.01g；DZ60型电热恒温真空干燥箱。

（3）试验方法：取耕层土样15L左右，充分风干混匀再密封24h，利用实验室仪器测得电极传感探头在标准信号激励下的输出电压信号U1。同时取少许土样，用标准的恒温箱烘干法测其含水量F1。将土壤加适量水充分混匀后继续密封，24 h后用同样的方法测得（U2、F2）。利用同样的方法继续测量下去，直至U不随水分含量变化为止。每次测量重复三次取其平均。实验标准数据如表1。

表1 含水量与传感器输出电压对应关系

从图6可以看出，当土壤含水量不超过25%时，土壤含水量的变化与检测电压呈线性关系。将数据（U、F）采用最小二乘法进行线性回归，得拟合方程U=K·F。即得到传感器输出电压与含水率的关系，将此对应关系通过Keil C51编程调试后烧写至单片机。

3.2 测量及数据分析

图2 传感器结构

图3 集成晶体振荡器

图4 检波电路

图5 单片机硬件结构

图6 含水量与传感器输出电压对应关系

用标定好的传感器对含水量不相同的几处实验地进行测量，记录测得土壤水分。同时用环刀取土样带回实验室用标准烘干法测得其含水率值，如表2所示。

表2 土壤水分测试结果

由表2可知该传感器测量精度较高，在0%～25%的含水率范围内效果理想，可用于农作物自动灌溉，实现土壤水分实时监测，达到节水灌溉的目的。

4 结束语

由于旱地作物正常生长所需土壤含水量小于26%，在实际应用中，若土壤水分传感器在检测低于25%的含水量时具有高灵敏度和线性性，即可以满足生产上的需要[6]。该文研制的传感器通过实地测量验证，具有良好的效果。同时它使用简单，安装、调试、标定、维护方便；结构小巧便于携带和埋设，不扰动土壤，能满足实际应用的要求；适用于土壤水分的快速测定、连续动态观测及长期定点监测。还可对其进行功能扩展，采用更强的单片机系统，添加无线发送及接收模块，实现远程监控。

该设计针对重庆地区紫色土进行了试验。但当土壤类型发生变化时，其介电特性也将发生变化，所以若要将此传感器应用于其他土壤类型，还需在其他类型土壤上进行研究并对其重新标定。为了解决这一问题，避免用户重新标定带来的使用不便，在仪器进一步开发中可以将常见的土壤类型都进行标定，通过软件编程写入程序，采用功能更强的单片机来处理，用户在使用中根据土壤类型选择，从而使其功能更加完善，有利于实际生产应用。

[1] 陈家宙，陈明亮，何圆球.各具特色的当代土壤水分测量技术[J].湖北农业科学，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.土壤电学[M].北京：气象出版社，2008.

[4] 陈 杰，黄 鸿.传感器与检测技术[M].北京：高等教育出版社，2002.

[5]胡建东.参数调制探针式电容土壤水分传感技术研究[J].传感技术学报，2007，20（5）：1057-1060.

[6] 温·索恩.土壤、水与农作物产量的关系[M].石家庄：河北人民出版社，1984.