基于微波技术的温室作物含水量检测

黎粤华，李靖宇

(东北林业大学机电工程学院，哈尔滨 150040)

在我国农业迅速发展的今天，设施农业发展是促进农业现代化发展的重要内容。温室蔬菜大棚是设施农业的重要组成部分，其现代化的程度也紧紧制约着温室大棚的经济效益［1－3］。灌溉系统的智能化和现代化决定了温室大棚的发展水平。采用自动化浇灌的先进技术，不仅有益于蔬菜的增产、节水，也有利于改善蔬菜的品质［4］。传统的灌溉系统通常是根据土壤的含水量作为植物是否缺水的指标，如测量土壤的水势，但是测量土壤的含水量不仅受很多因素的影响，参数波动性很大，且监测比较困难，而且传感器容易被腐蚀，影响测量精度。

1 微波法测量温室作物含水量的可行性分析

烘干法是一种传统的并且很准确的水分测量方法，但是采用这种测量方法需要耗费很长的时间，所以对于速度快、实时的检测要求场合不适合使用。另外一种典型的水分测量方法为在低频或者直流状态下测量电导率σ，这种方法的主要缺点是σ不仅由含水量的多少来决定，而且还与混合物中的离子密度有关，而离子密度是由被测物的质量来决定的，所以对于每一种不同的被测物质都要进行新的校准，使得这种方法在很多场合不实用。

基于微波的水分检测方法具有检测速度快、灵敏度高、便于动态检测和实时处理控制、对环境的敏感度较小以及可以在相对恶劣的环境下检测等优点［5］。另外微波检测水分在理论上可以实现0～100%的含水量检测，可以满足温室作物含水量高的检测特点。

本文选取温室作物叶片作为含水量检测的对象。叶片是植物进行光合作用、呼吸作用与蒸腾作用的主要器官，叶片受到外界环境影响比较明显，并且叶片体积小、容易采样。叶片的含水量能比较准确的体现温室蔬菜的整体含水量情况，因此将作物叶片作为检测植物整体含水量的一个参考标准具有可行性。

2 微波技术测量植物含水量的原理分析和数学算法

2.1 微波技术测量含水量原理

在微波场中，由于水的储能因子和耗能因子都比较大，水的介电常数容易发生变化，被测物质的介电常数也跟随发生比较明显的变化，这就是微波法测量含水量的主要原理。微波具有的特殊的性质使其在与含水物质接触的过程中发生弛豫效应，建立起取向极化的时间远远小于电磁场交变的时间，从而导致微波在穿透含水物质时，能量有损失。而能量损失又是物质含水率的函数。

基于微波技术的物料含水量测量属于低功率微波能的应用范畴。微波传感器可以基于被测物料处于微波场中呈现出辐射、反射、透射、散射和谐振等多种效应之一为原理进行设计。被测物质的水分含量可以转换为微波传感器电参数的变化，从而得到被测物质的含水量。

利用微波进行水分测量方法主要有透射法、反射法和谐振法。在不同的使用环境中可以根据实际需要选择不同的测量方法［6］。本文采用微波谐振法作为测量温室作物含水量的方法。

微波谐振腔的电场能量和磁场能量是空间分布的，而且谐振腔一般有多个谐振频率，所以可以集中较多的能量，且具有损耗较小、品质因数高的特点，同时谐振腔电路结构简单，易于加工。微波频段常用的谐振腔按几何形状分类，有矩形谐振腔、圆柱谐振腔、介质谐振腔以及复合型谐振腔等。本文根据植物叶片的特点选择矩形谐振腔作为含水量检测的主要器材。

2.2 数学算法分析

介质的介电常数描述了介质在微波场作用下的极化特性，单位为F/m［7］。通常使用的介电常数为相对介电常数，即将真空介电常数ε0作为参考值 (ε0=8.854×10－9F/m)，将其它介质的介电常数与真空介电常数做比值，定义如下式:

式中:实部ε′r反应了介质对电磁场的位移极化，它能影响传播波的电场和传播速度，虚部ε″r反映了介质对微波的损耗特性，ε″r进一步表示为公式 (2)所示:

式中:σ为介质的电导率，ω为角频率。

由公式 (1)和 (2)可以看出，介质的介电常数具有频率依赖性，另外介质的电导率越高，其介电常数的虚部就越大，对微波的吸收能力也越强［8］，物质的介电常数与物质的组成、结构和含水量有关，尤其与含水量关系较大。因此水分子对电磁场作用的宏观效果使微波电场能量发生衰减，其能量的变化会引起微波谐振腔的谐振频率和品质因数等电参数产生变化，从而与介电常数产生函数关系，进而得出含水量。

微波谐振腔空载时的两个重要的参数为谐振频率f0和品质因数Q0，微波谐振腔在谐振时由于水的介电常数较大，水对谐振腔内的电磁场分布产生影响，消耗了谐振腔储能，而叶片中水分含量占多数，其它物质影响可以忽略，谐振腔重新谐振，进而有了新的谐振频率f1和品质因数Q1［9－10］，这也意味着谐振腔对应着一个新的储能值。

由以上分析可以得出植物叶片的介电常数是得出被测物含水量的桥梁的结论。而植物叶片含水量与介电常数的关系由下面算法确定:

物料的水分表达式为:

式中:Ψ为物料含水量;mw为物料中水的质量;mD为物料中干物质的质量。

一定体积的物质都可以近似的看成由以下3部分物质组成:一定体积的空气、一定体积的干燥物质和一定体积的纯水。这样由3种混合物质组成的被测物的介电常数可以表示为:

式中:VA为混合物中空气的体积;mD为干燥物质的质量;mw为其中纯水的质量;ρD和ρw分别表示干燥物质和纯水的密度。而介电常数ε*可以展开为储能因子和耗能因子的形式:

通过上面4个式子可以看出，谐振频率和品质因数与含水量ψ的关系很复杂，而且含水量的表达式里有密度这个参量，如果想得出被测物质的含水量与谐振腔电参数的关系表达式必须找到一种与密度无关的算法。

则可将公式 (7)整理成下面与密度无关的算式:

当被测物质确定时，a、b、c、d中的各个参数都是确定的常量，这样就得到了被测物质含水量与介电常数的表达式，并且算法与密度无关。

3 温室作物含水量系统整体设计方案和仿真结果

以微波谐振法测量含水量原理为基础，本文意在设计一种使用方便灵活的含水量检测系统装置。此系统以微波谐振腔作为微波传感器的主要部分，系统包括控制单元、信号源和检测单元3个部分。系统框图如图1所示。

图1 系统框图Fig.1 System block diagram

信号源为微波信号源，为微波谐振腔提供合适频率的微波信号使谐振腔处于谐振状态，控制单元中单片机为核心器件，检测单元功能主要是检测微波谐振腔谐振后功率等信号，并为后续信号处理做基础。处理单元主要实现信号的处理、上传给上位机和显示等功能。这样就搭建了一个完整的温室含水量检测系统。

运用电磁软件仿真，建立的波导腔仿真模型如图2所示。

图2 仿真模型图Fig.2 Simulation model diagram

其中绿色部分为叶片的仿真模型，将叶片放入波导腔进行仿真，得出叶片对波导腔参数的影响。

当波导腔空载时的S曲线图如图3所示。

图3 空载时S曲线图Fig.3 S-curves without load

取叶片介电常数值为13.0、13.5、14.0、14.5和15.05个值时波导腔的S曲线仿真图如图4所示。

图4 不同介电常数时S曲线图Fig.4 S curves in different permittivity

4 结束语

本文通过以微波法测量含水量的原理为基础，选取了微波谐振法测量温室作物含水量的方法，并为微波谐振法测量含水量的原理进行了详细的论述。在理论知识的基础上，确定了微波谐振法测量含水量与密度无关的算法，以作物叶片介电常数作为桥梁建立了温室作物含水量与谐振腔参数的函数关系。设计了含水量检测系统，为精良灌溉系统提供了一种有价值的参考。由于微波法测量含水量有测量精度高、测量范围宽等有优点，所以此研究将有很大的使用价值。

【参 考 文 献】

［1］彭沛欣，周 军，鲍志强．温室温度自动控制系统实现［J］．河南大学常州分校学报，2003(17):7－10．

［2］吴洪涛．温室环境调控自动化系统设计［J］．森林工程，2006，22(2)19－22．

［3］姜 宇，刘九庆，杨国辉．微波测量木材湿度的原理及应用［J］．林业机械与木械设备，2004(12):44－45．

［4］王新元，李登顺，张喜荣．日光温室冬春茬黄瓜产量与灌水量的关系［J］．中国蔬菜，1999(1):18－20．

［5］韩 凌．基于微波谐振腔技术的水分仪设计［D］．哈尔滨:哈尔滨工业大学，2009．

［6］蒋玉英，张 元，葛宏义．微波检测粮仓储粮水分技术的研究［J］．计算机工程与应用，2010(10):3 －4．

［7］肖 芬，吕文选．同轴腔微扰法测量物质介电常数的研究［J］．1998(12):3－5．

［8］武岳山，于利亚．介电常数的概念研究［J］．现代电子技术，2007(2):1－3．

［9］王建华．微波技术在物质含水量检测中的应用研究［J］．测量与设备，2002(12):1 －3．

［10］姜 宇，曹 军，杨国辉．微波谐振腔含水量传感器设计方法．现代科学仪器，2006(2):26－29．