不同频率激励信号下土壤水分传感器性能试验*

李加念， 洪添胜， 倪慧娜

(1.昆明理工大学 现代农业工程学院，云南 昆明 650500；2. 华南农业大学 工程学院，广东 广州 510642)

0 引 言

土壤水分传感器作为一种快速、有效、便携获取土壤水分信息的途径，被广泛应用于农田土壤水分和土壤墒情的监测。目前，土壤水分传感器实现测量土壤水分的原理和方法有很多种，其中,利用土壤的介电特性进行间接测量的介电测量法是最具潜力的一类方法[1]，并以此开展了许多研究[2～5]。

对于采用介电法的土壤水分传感器而言，由于信号源频率对土壤的介电特性影响很大，因而传感器激励信号频率的选择在很大程度上影响其性能。当信号源频率较低时，土壤水分存在着明显的极化效应，其介电常数受土壤类型和土壤结构影响较大[6]；当信号源频率大于30 MHz时，土壤介电特性相对稳定，基本上不受土壤质地影响，而且频率越高影响越小。对于我国土壤，在质地变化产生的体积含水量测量误差小于1 %,2 %时，其测量频率上限值分别为180,250 MHz[7]。但随着频率的提高，土壤质地的影响并不能完全忽略，而且,当频率提高到100 MHz以上时，电路高频特性显著，集肤效应和邻近效应等寄生效应随之产生，增加了信号检测电路的复杂性和设计难度。因此，综合考虑激励信号频率应在30～100 MHz之间选择为宜。为反映传感器在各个频率的激励信号下的性能，以高频电容式土壤水分传感器[3]为试验对象进行了试验，以期为传感器激励信号频率选择提供指导。

1 材料与方法

1.1 土壤水分传感器的结构与工作原理

试验选用的高频电容式土壤水分传感器的结构如图1所示，主要由探针电极、电子电路和接线电缆三部分组成[2]。其中，探针电极由印刷电路板(printed circuit board,PCB)制成，且为承载整个传感器电子电路的主PCB的一部分；接线电缆由3根线组成，分别为电源线、地线和信号输出线；为避免传感器在土壤中插拔时所引起的摩擦对探针电极上的电接触区(敷铜层)造成损坏，将整个PCB设计为4层板结构，且将电接触区置于PCB中间层。

图1 土壤水分传感器的结构示意图

传感器的工作电压为2.7～5.0 V，其电路原理图如图2所示，当传感器置于待测土壤中测量时，有源晶振U1产生的激励信号经施密特触发器U2整形成为方波信号后，加载于电阻器R2和探针的等效电容所组成的一阶RC电路上，对其进行周期性地充放电，同时利用真有效值检测器U3将探针上的信号转换成等效的直流电压进行输出。当土壤含水量变化时，其介电常数发生变化，探针的等效电容也随之改变，从而传感器的输出电压亦作相应变化[2]。

图2 土壤水分传感器电路原理图

1.2 试验方法

由于通过土壤和水的混合配制待测土样来测试土壤水分传感器的方式，费时费力，难以控制土样的均匀性和一致性，而且将传感器探针置于土样中测量时还会存在接触不良的现象，因此,可采用配制介电常数ε为已知的溶液替代土样，对电容式土壤水分传感器的性能进行测试评价[8,9]。介电常数为ε的溶液的等效土壤体积含水率可通过如公式(1)所示的Topp经验公式[10]计算得出

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

(1)

式中θv为溶液的等效土壤体积含水率，ε为待测溶液的介电常数。

试验所用溶液由去离子水和2—异丙氧基乙醇(2—isoproxyethanol)或二氧六环(dioxane)2种溶液混合配制而成，所配制的一系列不同ε即等效体积含水率不同的待测溶液的配制比例如表1所示[11]。

表1 不同ε的待测溶液的配制比例及其等效土壤体积含水率

1.3 不同频率传感器的电路参数配置

根据前文分析，分别选取30,40,50,60,70,80,90，100 MHz 7种频率作为传感器的激励信号频率进行试验。为使各种不同频率传感器之间具有可比性，需对7种传感器的电路参数进行配置，使其输出电压的范围基本相同。

因阻抗匹配原因，由电阻器R2和探针的等效电容器所组成的一阶RC电路，对加载于其上的不同频率的激励信号的衰减程度不一，因此，可调整电阻器R2阻值的大小使各个传感器的输出电压范围基本相同。同时，为避免低于激励信号频率的干扰信号进入真有效值检测器U3的输入端，对传感器的测量结果造成影响，需根据激励信号的频率配置电容C4，其值由式(2)计算确定

C4=1/(2π·f·Rin)，

(2)

式中f为传感器的激励信号频率，Hz；Rin为U3本身的输入阻抗，Ω，当输入频率低于100 MHz时为225 Ω。

由文献[3]知，将传感器置于纯水中测试可得其最小输出电压，置于空气中测量可得其最大输出电压，从而可以得出其输出电压范围(此处设为工作电压的30 %～70 %)。经试验得出了7种不同频率传感器的电容C4和电阻R2的具体数值，如表2所示。

表2 7种不同频率传感器对应的C4和R2

2 结果与分析

2.1 传感器输出与土壤含水率的关系

根据表1所示的配制比例，配制了一系列等效土壤体积含水率为0.9 %～51.8 %的待测介电溶液。试验时，用离心管盛装待测溶液,并将其置于25 ℃的恒温水浴锅内,然后分别将7种频率传感器置于待测溶液中进行测试。对于每一种频率的传感器，分别在2.7～5.0 V的工作电压范围内进行测试，试验结果如图3所示。

图3 传感器输出电压与土壤体积含水率的关系

从图3可以看出:7种不同频率传感器的输出电压均随着土壤体积含水率的增加而减小，而且均对传感器的工作电压有很强的依赖性，在某一特定土壤体积含水率下传感器的输出电压随着工作电压的升高而增加。分别对7种不同频率的传感器在各个工作电压下，将传感器的输出电压与其所对应的土壤体积含水率进行回归分析知，传感器的输出电压与土壤体积含水率呈线性负相关，其相关系数R2均大于0.94。

由于传感器的输出电压与土壤体积含水率是线性相关的，因此，评价传感器输出电压的变异性和稳定性，可等效于评价传感器检测土壤体积含水率的变异性和稳定性。

2.2 温度对传感器的影响

以一支离心试管盛装等效体积含水率为40.6 %的介电溶液作为待测溶液，并将其置于一个温度可调的电子恒温箱(品牌为福意联，型号为FYL—19MC—B4，温度调节范围为-5～65 ℃)中，分别以3.0，5.0 V为工作电压，在5～45 ℃范围内以5 ℃为步进调节温度对传感器进行测试。在测试过程中，将数字温度计TP3001插入待测溶液以测量其实际温度，当温度达到设定值时，分别将7种频率的传感器置于待测溶液中，以高精度数字万用表(型号为Keithly 2700，6位半精度)测量其输出电压。然后，以温度为25 ℃时的测量数据为基准，衡量传感器的输出电压对温度的变异性，其温度变异性可用式(3)计算

(3)

式中θT为传感器输出电压的变异率，%；Vx为传感器在某一温度下传感器的输出电压，V；V25为传感器在25 ℃时的输出电压，V。

图4 不同频率传感器的输出电压对温度的变异性

由图4可知，7种不同频率的传感器均表现为，同一温度时，3.0,5.0 V两种工作电压下其输出电压的变异率基本相同，只有温度为5 ℃时两者的差别相对稍大，最大的是频率为80 MHz的传感器，二者的差别达到1.01 %，而其它温度测量点的结果都比较接近，有的甚至重合在一起，由此可见工作电压的改变对传感器的温度变异性基本上没有影响；除频率为90 MHz的传感器外，其它传感器输出电压的温度变异率均表现为：当温度高于25 ℃时为正值，当温度低于25 ℃时为负值，而且,当待测溶液温度处于25 ℃以上或以下的温度范围内时，与25 ℃之间的温差的绝对值越大时，传感器输出电压的变异率就越大，呈近似线性正相关关系，因而温差是影响传感器输出电压温度变异性的主要因素；在5～45 ℃范围内，7种频率的传感器的输出电压的温度变异率均小于4 %，40～100 MHz的最大变异率分别为2.05 %,3.27 %,2.31 %,3.41 %,3.89 %,3.14 %和3.23 %。

3 结 论

1)7种不同频率传感器的输出电压均与土壤体积含水率呈线性负相关，其相关系数R2均大于0.94，而且均对传感器的工作电压有很强的依赖性，在某一特定土壤体积含水率下传感器的输出电压随着工作电压的升高而增加；

2)工作电压的改变对7种频率传感器的温度变异性基本上没有影响，温差是影响传感器输出电压温度变异性的主要因素，温度处于25 ℃以上或以下的范围内时，与25 ℃之间的温差的绝对值越大时，传感器输出电压的变异率就越大，呈近似线性正相关关系，在5～45 ℃范围内，7种频率的传感器的输出电压的温度变异率均小于4 %。

参考文献:

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