黎粵華，李靖宇

(東北林業(yè)大學機電工程學院，哈爾濱 150040)

在我國農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展的今天，設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展是促進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的重要內(nèi)容。溫室蔬菜大棚是設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，其現(xiàn)代化的程度也緊緊制約著溫室大棚的經(jīng)濟效益［1－3］。灌溉系統(tǒng)的智能化和現(xiàn)代化決定了溫室大棚的發(fā)展水平。采用自動化澆灌的先進技術(shù)，不僅有益于蔬菜的增產(chǎn)、節(jié)水，也有利于改善蔬菜的品質(zhì)［4］。傳統(tǒng)的灌溉系統(tǒng)通常是根據(jù)土壤的含水量作為植物是否缺水的指標，如測量土壤的水勢，但是測量土壤的含水量不僅受很多因素的影響，參數(shù)波動性很大，且監(jiān)測比較困難，而且傳感器容易被腐蝕，影響測量精度。

1 微波法測量溫室作物含水量的可行性分析

烘干法是一種傳統(tǒng)的并且很準確的水分測量方法，但是采用這種測量方法需要耗費很長的時間，所以對于速度快、實時的檢測要求場合不適合使用。另外一種典型的水分測量方法為在低頻或者直流狀態(tài)下測量電導率σ，這種方法的主要缺點是σ不僅由含水量的多少來決定，而且還與混合物中的離子密度有關(guān)，而離子密度是由被測物的質(zhì)量來決定的，所以對于每一種不同的被測物質(zhì)都要進行新的校準，使得這種方法在很多場合不實用。

基于微波的水分檢測方法具有檢測速度快、靈敏度高、便于動態(tài)檢測和實時處理控制、對環(huán)境的敏感度較小以及可以在相對惡劣的環(huán)境下檢測等優(yōu)點［5］。另外微波檢測水分在理論上可以實現(xiàn)0～100%的含水量檢測，可以滿足溫室作物含水量高的檢測特點。

本文選取溫室作物葉片作為含水量檢測的對象。葉片是植物進行光合作用、呼吸作用與蒸騰作用的主要器官，葉片受到外界環(huán)境影響比較明顯，并且葉片體積小、容易采樣。葉片的含水量能比較準確的體現(xiàn)溫室蔬菜的整體含水量情況，因此將作物葉片作為檢測植物整體含水量的一個參考標準具有可行性。

2 微波技術(shù)測量植物含水量的原理分析和數(shù)學算法

2.1 微波技術(shù)測量含水量原理

在微波場中，由于水的儲能因子和耗能因子都比較大，水的介電常數(shù)容易發(fā)生變化，被測物質(zhì)的介電常數(shù)也跟隨發(fā)生比較明顯的變化，這就是微波法測量含水量的主要原理。微波具有的特殊的性質(zhì)使其在與含水物質(zhì)接觸的過程中發(fā)生弛豫效應(yīng)，建立起取向極化的時間遠遠小于電磁場交變的時間，從而導致微波在穿透含水物質(zhì)時，能量有損失。而能量損失又是物質(zhì)含水率的函數(shù)。

基于微波技術(shù)的物料含水量測量屬于低功率微波能的應(yīng)用范疇。微波傳感器可以基于被測物料處于微波場中呈現(xiàn)出輻射、反射、透射、散射和諧振等多種效應(yīng)之一為原理進行設(shè)計。被測物質(zhì)的水分含量可以轉(zhuǎn)換為微波傳感器電參數(shù)的變化，從而得到被測物質(zhì)的含水量。

利用微波進行水分測量方法主要有透射法、反射法和諧振法。在不同的使用環(huán)境中可以根據(jù)實際需要選擇不同的測量方法［6］。本文采用微波諧振法作為測量溫室作物含水量的方法。

微波諧振腔的電場能量和磁場能量是空間分布的，而且諧振腔一般有多個諧振頻率，所以可以集中較多的能量，且具有損耗較小、品質(zhì)因數(shù)高的特點，同時諧振腔電路結(jié)構(gòu)簡單，易于加工。微波頻段常用的諧振腔按幾何形狀分類，有矩形諧振腔、圓柱諧振腔、介質(zhì)諧振腔以及復合型諧振腔等。本文根據(jù)植物葉片的特點選擇矩形諧振腔作為含水量檢測的主要器材。

2.2 數(shù)學算法分析

介質(zhì)的介電常數(shù)描述了介質(zhì)在微波場作用下的極化特性，單位為F/m［7］。通常使用的介電常數(shù)為相對介電常數(shù)，即將真空介電常數(shù)ε0作為參考值 (ε0=8.854×10－9F/m)，將其它介質(zhì)的介電常數(shù)與真空介電常數(shù)做比值，定義如下式:

式中:實部ε′r反應(yīng)了介質(zhì)對電磁場的位移極化，它能影響傳播波的電場和傳播速度，虛部ε″r反映了介質(zhì)對微波的損耗特性，ε″r進一步表示為公式 (2)所示:

式中:σ為介質(zhì)的電導率，ω為角頻率。

由公式 (1)和 (2)可以看出，介質(zhì)的介電常數(shù)具有頻率依賴性，另外介質(zhì)的電導率越高，其介電常數(shù)的虛部就越大，對微波的吸收能力也越強［8］，物質(zhì)的介電常數(shù)與物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和含水量有關(guān)，尤其與含水量關(guān)系較大。因此水分子對電磁場作用的宏觀效果使微波電場能量發(fā)生衰減，其能量的變化會引起微波諧振腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)等電參數(shù)產(chǎn)生變化，從而與介電常數(shù)產(chǎn)生函數(shù)關(guān)系，進而得出含水量。

微波諧振腔空載時的兩個重要的參數(shù)為諧振頻率f0和品質(zhì)因數(shù)Q0，微波諧振腔在諧振時由于水的介電常數(shù)較大，水對諧振腔內(nèi)的電磁場分布產(chǎn)生影響，消耗了諧振腔儲能，而葉片中水分含量占多數(shù)，其它物質(zhì)影響可以忽略，諧振腔重新諧振，進而有了新的諧振頻率f1和品質(zhì)因數(shù)Q1［9－10］，這也意味著諧振腔對應(yīng)著一個新的儲能值。

由以上分析可以得出植物葉片的介電常數(shù)是得出被測物含水量的橋梁的結(jié)論。而植物葉片含水量與介電常數(shù)的關(guān)系由下面算法確定:

物料的水分表達式為:

式中:Ψ為物料含水量;mw為物料中水的質(zhì)量;mD為物料中干物質(zhì)的質(zhì)量。

一定體積的物質(zhì)都可以近似的看成由以下3部分物質(zhì)組成:一定體積的空氣、一定體積的干燥物質(zhì)和一定體積的純水。這樣由3種混合物質(zhì)組成的被測物的介電常數(shù)可以表示為:

式中:VA為混合物中空氣的體積;mD為干燥物質(zhì)的質(zhì)量;mw為其中純水的質(zhì)量;ρD和ρw分別表示干燥物質(zhì)和純水的密度。而介電常數(shù)ε*可以展開為儲能因子和耗能因子的形式:

通過上面4個式子可以看出，諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)與含水量ψ的關(guān)系很復雜，而且含水量的表達式里有密度這個參量，如果想得出被測物質(zhì)的含水量與諧振腔電參數(shù)的關(guān)系表達式必須找到一種與密度無關(guān)的算法。

則可將公式 (7)整理成下面與密度無關(guān)的算式:

當被測物質(zhì)確定時，a、b、c、d中的各個參數(shù)都是確定的常量，這樣就得到了被測物質(zhì)含水量與介電常數(shù)的表達式，并且算法與密度無關(guān)。

3 溫室作物含水量系統(tǒng)整體設(shè)計方案和仿真結(jié)果

以微波諧振法測量含水量原理為基礎(chǔ)，本文意在設(shè)計一種使用方便靈活的含水量檢測系統(tǒng)裝置。此系統(tǒng)以微波諧振腔作為微波傳感器的主要部分，系統(tǒng)包括控制單元、信號源和檢測單元3個部分。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

信號源為微波信號源，為微波諧振腔提供合適頻率的微波信號使諧振腔處于諧振狀態(tài)，控制單元中單片機為核心器件，檢測單元功能主要是檢測微波諧振腔諧振后功率等信號，并為后續(xù)信號處理做基礎(chǔ)。處理單元主要實現(xiàn)信號的處理、上傳給上位機和顯示等功能。這樣就搭建了一個完整的溫室含水量檢測系統(tǒng)。

運用電磁軟件仿真，建立的波導腔仿真模型如圖2所示。

圖2 仿真模型圖Fig.2 Simulation model diagram

其中綠色部分為葉片的仿真模型，將葉片放入波導腔進行仿真，得出葉片對波導腔參數(shù)的影響。

當波導腔空載時的S曲線圖如圖3所示。

圖3 空載時S曲線圖Fig.3 S-curves without load

取葉片介電常數(shù)值為13.0、13.5、14.0、14.5和15.05個值時波導腔的S曲線仿真圖如圖4所示。

圖4 不同介電常數(shù)時S曲線圖Fig.4 S curves in different permittivity

4 結(jié)束語

本文通過以微波法測量含水量的原理為基礎(chǔ)，選取了微波諧振法測量溫室作物含水量的方法，并為微波諧振法測量含水量的原理進行了詳細的論述。在理論知識的基礎(chǔ)上，確定了微波諧振法測量含水量與密度無關(guān)的算法，以作物葉片介電常數(shù)作為橋梁建立了溫室作物含水量與諧振腔參數(shù)的函數(shù)關(guān)系。設(shè)計了含水量檢測系統(tǒng)，為精良灌溉系統(tǒng)提供了一種有價值的參考。由于微波法測量含水量有測量精度高、測量范圍寬等有優(yōu)點，所以此研究將有很大的使用價值。

【參 考 文 獻】

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