唐 洋，李光林

（西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400716）

1 引 言

土壤水分的測量方法很多，有烘干稱重法、張力計法、石膏法、氣量法、射線法、TDR法、FDR法、紅外遙感法和核磁共振法等[1]。以上諸多方法雖具有各自的優(yōu)勢，但也存在不同的缺點(diǎn)，有的方法實時性差，如烘干法；有的方法使用的儀器價格昂貴，如TDR；有的需要取樣分析，不適于室外操作等。該文研制的基于電場法的土壤水分傳感器，具有成本低、便攜性好、反應(yīng)迅速并可實時自動監(jiān)測土壤水分等特點(diǎn)。

2 基本設(shè)計原理

土壤由空氣、土壤固體物質(zhì)和水組成。在無線電頻率、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時（20℃，1大氣壓）純水的介電常數(shù)為80.4，土壤固體物質(zhì)約3～7，空氣為1。土壤表觀介電常數(shù)與容積含水量存在非線性關(guān)系。土壤介電特性是下面幾個因子的函數(shù)[2]：電磁頻率、溫度和鹽度；土壤容積含水量；束縛水與土壤總?cè)莘e含水量之比；土壤容重；土壤顆粒形狀及其包含的水電形態(tài)。

在一定的電磁頻率范圍內(nèi)（50MHz～10GHz），礦物質(zhì)、空氣和水的介電特性為常數(shù)，土體的介電常數(shù)主要依賴于土壤容積含水量[3]（極微弱地依賴與土壤類型、緊實度、束縛水等）。插入含水土壤中的電極可簡化視為一個以土壤為介質(zhì)的電容器，土壤等效介電常數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成電信號來實現(xiàn)土壤水分測量[4]。系統(tǒng)原理框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

整個系統(tǒng)由單片機(jī)智能控制。用兩個繼電器分別接入信號源及檢測模塊的工作電路，單片機(jī)通過控制繼電器來開啟或關(guān)閉信號源及檢測模塊。利用單片機(jī)的定時功能設(shè)置測量時間。當(dāng)測量開始，信號源及檢測模塊被啟動，信號源產(chǎn)生穩(wěn)定頻率和幅值的高頻振蕩信號輸入至電極探針，由于介質(zhì)的因素，輸入至電極探針的信號幅值發(fā)生變化，經(jīng)檢測電路檢測電壓幅值。此模擬量的幅值通過A/D轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字信號，單片機(jī)處理該數(shù)字信號并將結(jié)果顯示在LED上。當(dāng)測量結(jié)束，信號源及檢測模塊被關(guān)斷，等單片機(jī)定時至下一個測量時間到來時再開啟測量。

2.1 傳感器探針

如圖2所示，電極由兩個不銹鋼條形長塊制成，其長度（埋入土中深度）為18 cm，寬度為2.5 cm，厚度為0.35cm，插入土中的極板間距為7.5cm。兩金屬電極間由一恒定的激勵源建立電場[5]。

2.2 信號源及檢測電路

土壤由于含有各種離子以及水分具有導(dǎo)電性。為了避免導(dǎo)電電流的影響，提高測量的精度，選擇頻率比較高的正弦信號作激勵源（50 MHz），這樣可使等效電容容抗遠(yuǎn)小于導(dǎo)電電阻，導(dǎo)電電阻比電容阻抗大很多，就可以忽略純導(dǎo)電電流的影響[3]。

采用OX20系列MP2020型集成晶體振蕩器作為信號源，如圖3所示。該振蕩器頻率范圍10MHz～60MHz，可變頻率范圍±0.5×10-6（Min），電源電壓+5V±5%（+3.3V），尺寸 20mm×20mm×10mm。引腳5為地，在引腳2與引腳5之間連接一電阻，通過調(diào)節(jié)引腳1來調(diào)節(jié)頻率。引腳3為電源端，信號從引腳4輸出。

調(diào)節(jié)振蕩器使之穩(wěn)定在50 MHz，電壓幅值為4.5 V。該信號輸入傳感器探針后，其輸出為一同頻率不同幅值的等幅正弦信號。利用峰值檢波電路檢測輸出電壓。如圖4所示，運(yùn)放A1是比較器，A2為跟隨器。二極管D2是為防止二極管D1截止后A1開環(huán)運(yùn)行。電阻Rf是為了構(gòu)成深度電壓負(fù)反饋，以減小D1的非線性誤差。

2.3 單片機(jī)處理部分

系統(tǒng)使用8051單片機(jī)，硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。單片機(jī)P0引腳用于與ADC的數(shù)據(jù)傳遞，顯示部分采用LED串行靜態(tài)顯示，P1輸出位控碼，P3.1（TXD）發(fā)送段碼。引腳P1.6和P1.7分別接繼電器，控制信號源及檢測模塊的工作電路。

軟件采用C51編程。利用定時器編寫測量間隔時間，實現(xiàn)電路周期檢測、數(shù)據(jù)采集處理及結(jié)果顯示。C51的設(shè)計既具有一般高級語言的特點(diǎn)，又能直接對單片機(jī)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行操作，表達(dá)和運(yùn)算能力較強(qiáng)，生成代碼效率高，支持浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。軟件結(jié)構(gòu)清晰、有條理，便于擴(kuò)展、移植和維護(hù)。

3 實驗測定

3.1 儀器標(biāo)定

（1）試驗土壤：重慶地區(qū)紫色土壤

（2）實驗儀器：Agilent E8257C信號發(fā)生器；Agilent DSO6034A數(shù)字存儲示波器；JA31002型電子精密天平：分辨率0.01g；DZ60型電熱恒溫真空干燥箱。

（3）試驗方法：取耕層土樣15L左右，充分風(fēng)干混勻再密封24h，利用實驗室儀器測得電極傳感探頭在標(biāo)準(zhǔn)信號激勵下的輸出電壓信號U1。同時取少許土樣，用標(biāo)準(zhǔn)的恒溫箱烘干法測其含水量F1。將土壤加適量水充分混勻后繼續(xù)密封，24 h后用同樣的方法測得（U2、F2）。利用同樣的方法繼續(xù)測量下去，直至U不隨水分含量變化為止。每次測量重復(fù)三次取其平均。實驗標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表1。

表1 含水量與傳感器輸出電壓對應(yīng)關(guān)系

從圖6可以看出，當(dāng)土壤含水量不超過25%時，土壤含水量的變化與檢測電壓呈線性關(guān)系。將數(shù)據(jù)（U、F）采用最小二乘法進(jìn)行線性回歸，得擬合方程U=K·F。即得到傳感器輸出電壓與含水率的關(guān)系，將此對應(yīng)關(guān)系通過Keil C51編程調(diào)試后燒寫至單片機(jī)。

3.2 測量及數(shù)據(jù)分析

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)

圖3 集成晶體振蕩器

圖4 檢波電路

圖5 單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

圖6 含水量與傳感器輸出電壓對應(yīng)關(guān)系

用標(biāo)定好的傳感器對含水量不相同的幾處實驗地進(jìn)行測量，記錄測得土壤水分。同時用環(huán)刀取土樣帶回實驗室用標(biāo)準(zhǔn)烘干法測得其含水率值，如表2所示。

表2 土壤水分測試結(jié)果

由表2可知該傳感器測量精度較高，在0%～25%的含水率范圍內(nèi)效果理想，可用于農(nóng)作物自動灌溉，實現(xiàn)土壤水分實時監(jiān)測，達(dá)到節(jié)水灌溉的目的。

4 結(jié)束語

由于旱地作物正常生長所需土壤含水量小于26%，在實際應(yīng)用中，若土壤水分傳感器在檢測低于25%的含水量時具有高靈敏度和線性性，即可以滿足生產(chǎn)上的需要[6]。該文研制的傳感器通過實地測量驗證，具有良好的效果。同時它使用簡單，安裝、調(diào)試、標(biāo)定、維護(hù)方便；結(jié)構(gòu)小巧便于攜帶和埋設(shè)，不擾動土壤，能滿足實際應(yīng)用的要求；適用于土壤水分的快速測定、連續(xù)動態(tài)觀測及長期定點(diǎn)監(jiān)測。還可對其進(jìn)行功能擴(kuò)展，采用更強(qiáng)的單片機(jī)系統(tǒng)，添加無線發(fā)送及接收模塊，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

該設(shè)計針對重慶地區(qū)紫色土進(jìn)行了試驗。但當(dāng)土壤類型發(fā)生變化時，其介電特性也將發(fā)生變化，所以若要將此傳感器應(yīng)用于其他土壤類型，還需在其他類型土壤上進(jìn)行研究并對其重新標(biāo)定。為了解決這一問題，避免用戶重新標(biāo)定帶來的使用不便，在儀器進(jìn)一步開發(fā)中可以將常見的土壤類型都進(jìn)行標(biāo)定，通過軟件編程寫入程序，采用功能更強(qiáng)的單片機(jī)來處理，用戶在使用中根據(jù)土壤類型選擇，從而使其功能更加完善，有利于實際生產(chǎn)應(yīng)用。

[1] 陳家宙，陳明亮，何圓球.各具特色的當(dāng)代土壤水分測量技術(shù)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，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.土壤電學(xué)[M].北京：氣象出版社，2008.

[4] 陳 杰，黃 鴻.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2002.

[5]胡建東.參數(shù)調(diào)制探針式電容土壤水分傳感技術(shù)研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2007，20（5）：1057-1060.

[6] 溫·索恩.土壤、水與農(nóng)作物產(chǎn)量的關(guān)系[M].石家莊：河北人民出版社，1984.