路基土壤含水量微波检测系统的设计研究

张 勇，刘 策，郭 晨，李 婷

（长安大学 信息工程学院，陕西 西安710064）

0 引 言

电磁无损检测技术是一种新型含水量检测方法，它是通过测量待测土壤的电特性而求得含水量的技术，具有非接触、无损耗、实时性强等优点［1］。目前，国内外采用的方法包括：电容传感法、谐振腔法、时域反射法［2］、探地雷达法等［3］。

谐振腔传感器具有一个谐振腔体，通过谐振器内电场变化改变谐振频率、Q值［4］，求得含水量。谐振腔传感器频带窄，易产生频点漂移［5］。电容法通过电介质中等效电容与介电常数的比例关系测量含水量，电容传感器对土壤类型要求高，对含盐量敏感，不适合高盐分土壤测量。时域反射法的探针结构复杂，探针无法做到非接触测量，待测物损坏程度大。另外，探针包含直流信号分量，对高金属含量高盐分土壤电导率高，无法准确测量。探地雷达测量目标范围大，测量精度差，电子设备精密，结构复杂，系统功耗大，持久性差，无法适应长时间准确探测。

上述各种方法均不适合路基含水量检测，作为道路路基含水量检测，需要一款测量准确、功耗低、结构简单、实时性强、耐高盐量土壤的传感器［6］。

文章提出一种基于相位检测法的新型平行微带线传感器。测量原理利用土壤含水量与土壤介电常数之间线性关系。土壤含水量变化可以通过介电常数反应，介电常数改变又影响电磁波在微带传输线中传输速率，通过与参考信号作对比，得到二者相位差。通过相位差求得土壤含水量。该传感器结构简单，测量精度高，实时性强，土壤类型要求低，成本低，功耗小，适合路基土壤长期监测。

1 测量模型

依据传输线理论，由传输线波动方程［7］，2E（r）－kE2（r）＝0得公式

式中：k——传播常数，β——相移常数，α——衰减常数，ε＊——复介电常数，μ——磁导率，其中μ＝μ0

复介电常数［8］

式中：εr——相对介电常数，σ——电导率。

式 （3）代入 （1）

将 （4）代入 （5），得到相位常数

式 （6）中，λ0自由空间波长，在2G频率下，损耗角正切tanδ［8］远小于1，因此上式简化为

相移θ与相位常数β关系如式 （8）

其中εeff等效介电常数［9］

式中：h——基板的高度，w——微带平行线宽度。

2 传感器设计

传感器设计分别从土壤介电常数、穿透深度和盐含量几方面考虑。

干燥土壤相对介电常数3－5、水为80，饱和潮湿土壤为30［10］，潮湿土壤相对介电常数范围在3－30，介电常数因土壤含水量和含盐量不同而不同。

传感器工作频率为2GHz，电磁波波长约15cm，电磁场能够穿透到待测介质中，穿透深度取决于介质中水分子多少及分布状况［11］。传感器不仅可以测量土壤表面的含水量，待测土壤中的含水量也可以有效测量。另外，穿透深度也受信号源功率控制，功率越大穿透深度越深。

传感器工作频段较低，盐含量对土壤介电常数的影响可忽略，盐溶解于水后的离子对电导率不会有任何影响［12］。水的介电常数很大，影响介电常数的主要因素是土壤含水量，土壤盐等矿物质含量在此频段对测量产生影响可忽略。

2.1 平行微带线设计

传感器采用平行板微带线结构印刷电路板 （PCB），PCB的上、下面为平行微带线，线两头端口为发射端和接收端 （连接同轴线），如图1所示。将传感器插入土壤后可测量含水量。

图1 平行微带线结构

微带线设计有以下几方面：微带线长度应选择初始相位差为kπ（k为整数），以发挥最大测量范围。其次，微带传输线的长度和宽度应考虑到阻抗匹配，普通微带线阻抗50ohm。最后，考虑鉴相器AD8302的有效斜率，且微带传输线超前和滞后相位不能辨别，因此，微带线相位有效范围应在20－150deg（包括同轴线相移）。

综上，根据式 （8）、（9）可通过有效相位范围计算出微带传输线最大有效长度l＝2L＝70mm，微带线宽度w＝3mm。PCB采用1.6mm厚，相对介电常数εr＝4.5的RF4PCB，达到阻抗匹配，表面层可加绿色阻焊。

2.2 TR收发器设计

TR收发器结构如图2所示，主要有压控振荡器（VCO）［13］、锁相环 （PLL）、相移器、鉴相器组成。

图2 TR收发器系统结构框架

VCO采用VC－2R8A50模块，发射频率2.0GHz，输出功率－10dBm，作为信号发生器。输出信号分二路，一路接频率合成器LMX2310U组成PLL电路，然后输出微带线传感器用作探测信号；一路接相移器和鉴相器用作参考信号。探测信号与参考信号通过鉴相器AD8302形成相位差并转化为相应模拟电压输出。TR收发器与传感器分别制成不同的PCB（用同轴线连接）或分属不同层制成插板。使用时，将平行微带线直接插入待测土壤，TR收发器两边套塑料薄膜层加以保护。

鉴相器AD8302最高频率可达2.5GHz，输入功率0－60dBm，相位探测精度为10mV／deg，最大探测有效范围0－180deg。压控振荡器VCO输出功率－10dBm，而AD8302功率－60dBm。因此，平行微带线的衰减不得超过50dB。压控相移器PS214－315，可调节相移范围0－100deg。用来调节参考信号相位，并校准初始相位为kπ（k为整数），以保证相位差在AD8302有效线性量程范围内。

2.3 系统软硬件

系统硬件由平行微带线、TR收发器、读写控制器和计算机三部分组成，结构如图3所示。读写控制器采用ARM7TDMI－S核单片机LPC2114。系统板上设计有JTAG接口、ISP编程功能方便程序下载仿真。板上设计复位键、LED、RS232串口等常用功能部件。存储部分采用256K字节的片内FLASH，16K的SRAM，无需扩展存储器即可存储含水量信息。通信部分开发UART、I2C、SPI、ADC等功能，以便采集TR收发器模拟电压信号并转为数字信号存储。整个系统简单可靠。

系统软件采用ADS1.2作为开发平台，并集成了ARM汇编器、ARM C编译器、Thumb C／C＋＋编译器、AXD调试器。软件采用汇编器、C等多种语言构架，如图4所示。μC／OS－II内核操作系统移植，打破传统单片机循环语句式的调度策略，将系统分为多功能模块，包括：操作系统移植、内存管理、队列管理、协议栈主循环、设备驱动等。系统采用多任务管理，提高并行效率。

3 传感器仿真

采用电磁HFSS仿真软件对传感器进行仿真。

3.1 相位－介电常数仿真

传感器在2GHz频率下，对两个端口的入射损耗s21的相位与待测土壤相对介电常数进行仿真，关系如图5所示。从图5看出，根据土壤含水量饱和度不同，干燥土壤介电常数为3，含水量30%饱和土壤为介电常数为30，根据饱和度不同土壤相对介电常数范围3－30，对应s21相位范围20－150deg之间。相位与土壤相对介电常数大致成线性关系。

图5 相位－土壤介电常数关系

3.2 S参数仿真

在1.8－2.2GHz频率范围，对微带线回波损耗和阻抗匹配情况进行仿真。中心频率2.1GHz，反射损耗s11和入射损耗s21分别为－28.07dB和－0.31dB，如图6所示，仿真结果表明平行微带线在此频段有效，即使因含水量变化产生频点漂移，传感器也能有效测量。

图6 平行微带线s参数

4 含水量测量结果分析

取一定量路基土壤，放入烧杯中，制成含水量30%的饱和土壤样本，精确测得饱和土壤总质量。传感器完全插入烧杯样本中，持续恒温加热，定时称重，记录样本质量、干燥土壤质量和输出电压值。根据式 （10），依次计算含水量［14］

式中：mw——样本水的质量，md——样本干燥土壤质量，mm——样本总质量。

记录含水量依次为30%、28%…时，传感器输出模拟电压值，结果如图7所示。从图7中，可得传感器相位输出电压与土壤含水量大致为线性关系。

图7 实验数据结果 （10Mv／deg）

从图7可以看出图形为二项式，进行数据拟合，推倒二项式拟合方程。黑点代表记录值，曲线代表拟合值，二者相吻合。拟合二项式可表示为

η为土壤含水量，R2＝0.997回归系数。

图8为传感器实物图，左边为平行微带线，右边为TR收发器。该传感器测量含水量的瞬时分辨率达到0.5%，每次测量时间小于100ns（包括鉴相器AD8302响应时间），工作频率2GHz，对土壤类型和盐分含量不敏感，在实验中，该微带线中信号传导速率仅仅受含水量影响 （不受土壤类型影响），密实度的影响可忽略不计。

图8 平行微带线传感器系统

传感器实测功率小于140mW，使用普通的镍镉或锂离子电池，能够持续数月。该传感器低功耗，可以在无线传感器网络中得以应用。考虑温度变化导致土壤介电常数轻微漂移，因此，该传感器需要温度补偿［15］。

平行微带线与传统称重法测量含水量数据对比实验结果，见表1。

表1 两种方法测量土壤样品含水量结果对比 （%）

从表1可以看出，对于配置成标准0－30%含水量土壤样本，微带线测量含水量比称重法更准确，误差小于1%。但由于水分子影响，随着含水量增大，微带线测量误差增大。

5 结束语

本文提出一种新型微波传感器系统的设计实现。该传感器利用土壤含水量变化导致介电常数变化，进而引起传感器微带线上电磁波传播速率变化，从而产生相位差，建立含水量跟相位差的函数关系，通过相位差测得含水量。

传感器工作频率为2GHz，采用平行微带传输线结构，系统进行硬件设计与仿真。仿真结果表明该设计相位差取值范围合理，线性变化明显。对样本进行实测，对测量结果采用二项式拟合，建立相位输出电压与含水量之间函数关系。与传统测量方法相比，此传感器测量精度高、响应时间短、功耗小、持久性强、适合各种土壤类型 （包括盐渍土），可纳入无线网络。

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