劉 亮，伍群芳，賴建英，刁心宏，彭 皓

（華東交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，江西南昌330013）

水分（含水率）是影響巖土類介質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)的最重要因素之一，也是土工試驗(yàn)、工程實(shí)踐和科學(xué)研究中的重要測試指標(biāo)［1-2］。目前對于水分測量的方法主要有烘干法、中子衰減法、張力計法、近紅外線法以及介電常數(shù)法等等［3-4］。但是烘干法用時長，中子衰減法潛在危害大，張力計法對測試環(huán)境要求高，近紅外反射法受土壤表面水分孔隙情況的影響等。而巖體介質(zhì)一般水分含量分布不均勻，處于非飽和狀態(tài)，會形成一個濕度場，對其測量要求要具有響應(yīng)速度快，線性好，環(huán)境適用性好，測試操作簡單，成本低等特點(diǎn)。介電常數(shù)法具有快速便捷，準(zhǔn)確可靠，測量簡單等優(yōu)點(diǎn)，因此該方法十分適合用于巖土介質(zhì)水分的測量。文獻(xiàn)［5］研制了一種土壤含水率測量儀，但是由于測量傳感器主要表現(xiàn)為電容效應(yīng)，采用分壓法測量交流阻抗時，恒壓激勵源對電容有充電作用且會改變其本身的電容值，從而影響了測量含水率的精度，另外其測量通道單一，可選頻率少，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際工程中對巖土水分測量的要求。

本文研制出了一種基于STM32為控制核心，以阻抗轉(zhuǎn)換芯片AD5933為測量核心巖土介質(zhì)水分測試儀系統(tǒng)，如圖1 所示。該測試儀具有32 同時測量通道，自動測量與校準(zhǔn)，支持USB通訊與計算機(jī)數(shù)據(jù)存儲功能，另外，其具有測量精度高，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低等特點(diǎn)。

圖1 巖土水分測量儀Fig.1 Soil moisture meter

1 測量原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

介電常數(shù)法測量巖土含水量的基本原理是采用外部交流激勵源激勵水分測量傳感謝器從而得到傳感器的交流阻抗值，再利用文獻(xiàn)［6］的方法找出交流阻抗值與含水量的一一對應(yīng)關(guān)系從而得到巖土的含水量。本文采用AD5933阻抗轉(zhuǎn)換芯片來測量水分測量傳感器的交流阻抗值，其基本測量原理圖如圖2所示，圖中VIN為AD5933 內(nèi)部DDS 所產(chǎn)生的幅值頻率均可調(diào)的正弦波；RFB為外接反饋電阻；ZX為被測未知阻抗；VOUT為AD5933內(nèi)部ADC的輸入端。其結(jié)構(gòu)為利用一個運(yùn)算放大器接成電壓并聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)。通過推導(dǎo)可得

在以上測量原理的基礎(chǔ)上設(shè)計了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)由阻抗轉(zhuǎn)換芯片AD5933、微控制器STM32、外圍電路、系統(tǒng)電源等組成。反饋電阻網(wǎng)絡(luò)選擇電路、標(biāo)定電阻網(wǎng)絡(luò)選擇電路、USB 通信電路、時鐘分頻電路等組成外圍電路，輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)阻抗自動測量功能。系統(tǒng)由上位機(jī)PC 通過USB 總線發(fā)送相應(yīng)控制命令。通過PC 應(yīng)用軟件將掃描頻率起點(diǎn)、掃描點(diǎn)數(shù)和頻率增量步長設(shè)置好，經(jīng)USB 總線傳輸至下位機(jī)（STM32），下位機(jī)解析相應(yīng)的命令后轉(zhuǎn)換成對AD5933的控制指令，完成AD5933的相應(yīng)配置操作。另外，STM32 經(jīng)I2C 接口與AD5933芯片通信，AD5933阻抗轉(zhuǎn)換完成后通過I2C接口向微控制器STM32傳送測量到的阻抗實(shí)部R和虛部I數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)微控制器的處理和計算，得到的阻抗通過USB 傳輸至上位機(jī)存儲和圖形顯示。其中AD5933的時鐘由具有高穩(wěn)定度、低漂移的外部有源晶振分頻提供，分頻電路參考文獻(xiàn)［7-8］的設(shè)計。

圖2 阻抗測量原理圖Fig.2 Schematic diagram of impedance measurement

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 System structure diagram

2 硬件設(shè)計

測量儀硬件電路如圖4所示。在Z1～Z32端子接入待測阻抗，32路模擬開關(guān)ADG732（U4）經(jīng)微控制器控制A4A3A2A1A0選擇待測阻抗通道。在RF1～RF8端子接入電流電壓轉(zhuǎn)換電阻，微控制器控制8 路模擬開關(guān)ADG849（U5）的F2F1F0經(jīng)行反饋電阻的選擇。在RC1～RC8端子接入標(biāo)定電阻，微控制器控制8 路模擬開關(guān)ADG849（U3）的B2B1B0進(jìn)行標(biāo)定電阻的選擇。系統(tǒng)處于標(biāo)定狀態(tài)時，微控制器使ADG849（U2）單刀雙擲開關(guān)切換至S1，正常測量時開關(guān)切換至S2。通過對微控制器編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動標(biāo)定、檔位的自動切換及通道阻抗掃描。

反饋電阻網(wǎng)絡(luò)、標(biāo)定電阻網(wǎng)絡(luò)及待測電阻網(wǎng)絡(luò)都是通過使用多路模擬開關(guān)進(jìn)行自動切換接入系統(tǒng)的。由于模擬開關(guān)將引入導(dǎo)通電阻（Ron）以及寄生電容（Cp），為了提高測量精度，減少模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻以及寄生電容的影響，系統(tǒng)采用的都是具有超低導(dǎo)通電阻、高帶寬、開關(guān)速度快的模擬開關(guān)，其中導(dǎo)通電阻都小于4 Ω。

圖4 中AD5933VOUT引腳輸出激勵信號先通過高通濾波器并重新偏壓至VDD/2（R1，R2分壓，其中R1=R2），之后利用一個超低輸出阻抗放大器（U1）進(jìn)行緩沖。在外部使用U6 完成I-V 轉(zhuǎn)換后信號返回至AD5933接收引腳VIN。外圍電路不僅消除了AD5933芯片自身的一些限制，而且提高了阻抗測量結(jié)果的精度和準(zhǔn)確度。

圖4 硬件電路Fig.4 Hardware circuit diagram

3 軟件設(shè)計

3.1 測量軟件設(shè)計

由于AD5933內(nèi)部DFT返回在每個特定頻率下得到的實(shí)部數(shù)據(jù)R和虛部數(shù)據(jù)I。根據(jù)公式（2）和（3）可計算出阻抗的模值A(chǔ)和相位φ。

式（2）得到的模值A(chǔ)并非阻抗值，要獲得實(shí)際阻抗值還需要乘以一個校準(zhǔn)系數(shù)，稱之為增益系數(shù)G，增益系數(shù)由已知的標(biāo)定電阻得到。如圖4，通過微控制器I/O口控制U2的IN引腳，使其切換至S1標(biāo)定狀態(tài)，同時控制模擬開關(guān)U3選擇某一標(biāo)定電阻RC，使其等于模擬開關(guān)U5上的電流電壓反饋電阻RF，在頻率f下得其幅值為AC，那么該頻率下的增益因子為：

增益系數(shù)與標(biāo)定電阻、反饋電阻、激勵電壓、激勵頻率及PGA增益有關(guān)，改變?nèi)我鈪?shù)，增益系數(shù)都會不同，需要重新標(biāo)定。微控制器使U2切換至標(biāo)定狀態(tài)，控制AD5933輸出頻率10 kHz、幅值2 Vpp的激勵，自動切換標(biāo)定電阻網(wǎng)絡(luò)與反饋電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動標(biāo)定，得到的增益系數(shù)如表1所示。

阻抗測量時，U2切換至S2阻抗測量狀態(tài)，U4切換至待測阻抗通道。被測阻抗ZX是一未知值，可由式（5）進(jìn)行反饋電阻RF 的選擇，Amin和Amax為事先設(shè)置好的最小和最大模值。Amin和Amax根據(jù)表1 中的阻抗測量范圍以及增益系數(shù)得到。在測量過程中，首先選擇100 Ω的反饋電阻進(jìn)行多次測量，然后利用去極值濾波法計算模值A(chǔ)X，若AX滿足式（5）要求，則獲得阻抗值經(jīng)USB 傳送至上位機(jī)存儲和顯示，若AX不滿足式（5）條件，自動選擇下一反饋電阻1 kΩ，重復(fù)前面測量過程，直到AX滿足條件。已知該頻率下增益因子G和待測阻抗的模值A(chǔ)X由式（6）求實(shí)際阻抗ZX。

表1 反饋電阻及增益系數(shù)Tab.1 Feedback resistor and gain coefficient

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。上位機(jī)主要完成測量參數(shù)的配置及測量結(jié)果存儲和圖形化顯示等功能，下位機(jī)主要任務(wù)是根據(jù)上位機(jī)配置的參數(shù)控制AD5933 進(jìn)行阻抗測量，測量結(jié)果通過USB 總線傳輸至上位機(jī)。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.5 Software system flow chart

4 實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用

4.1 測量儀精度實(shí)驗(yàn)

選取精準(zhǔn)電阻和高精度電容串聯(lián)方式作為待測阻抗，在0.8～100 kHz 的激勵頻率下對系統(tǒng)進(jìn)行測試，測試結(jié)果與具有0.05%精度的惠普4284A數(shù)字電橋的測量結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出在0.8～100 kHz頻率范圍內(nèi)本測量儀測量相對誤差控制在1%以內(nèi)，并且非常的穩(wěn)定可靠。精度滿足一般測量需求，其他5～32通道測量結(jié)果與1～4通道基本一樣，此處就不在列出。

表2 測量精度實(shí)驗(yàn)Tab.2 Experimental measurement accuracy

4.2 巖土水分測量實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)探頭采用自制的水分探頭。依據(jù)文獻(xiàn)［4］的原理，采用陶瓷濕敏材料為填充材料及兩同心圓環(huán)作為電極制作成水分探頭。通過上述測試電路，將水分探頭中水分的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化測試記錄。試驗(yàn)簡要的步驟為：調(diào)配好土樣，裝入土盒并編號（編號為1，2，3，4），再把探頭埋入土樣中。將水分測試儀鏈接探頭和電腦，輸入?yún)?shù)并開始測量，測量結(jié)束后把數(shù)據(jù)保存并處理分析，結(jié)果見表3。在水分探頭埋設(shè)時，應(yīng)使探頭埋入的緊密狀態(tài)要與土樣填筑的緊密狀態(tài)相似。

表3 阻抗與巖土水分測試結(jié)果Tab.3 Measurement results of impedance and soil moisture

根據(jù)表3中所得結(jié)果，采用matlab軟件進(jìn)行曲線擬合，得出水分與阻抗值的曲線關(guān)系，擬合曲線見圖6。

根據(jù)圖6的結(jié)果發(fā)現(xiàn)水分探頭的阻抗值隨著探頭的含水量減少而增大，含水量在13%～35%時，含水率與阻抗值的關(guān)系在圖6中趨于直線；而在5%～13%之間，含水量與阻抗值的成階梯型遞減線段。此外，測試儀的參數(shù)設(shè)置不一樣時，測試的結(jié)果會不一樣。一方面是測試儀對不同頻率段的測試相對誤差不一樣；另一方面是水分探頭的阻抗值與頻率也有關(guān)系，不同的激勵頻率會產(chǎn)生不同阻抗值。水分探頭采用由濕到干的曲線進(jìn)行擬合，也可以采用有干到濕的曲線進(jìn)行擬合。曲線擬合時，采用不同的擬合曲線會得到不同的擬合方程，但曲線的變化趨勢大體一致。

5 總結(jié)

本文研制出了一種以STM32 為控制核心，以阻抗轉(zhuǎn)換芯片AD5933 為測量核心的32 通道巖土水分測試儀系統(tǒng)。32通道能實(shí)時對巖土水分進(jìn)行測量，頻率可選范圍寬，支持USB通訊等等，另外，裝置具有體積小，操作簡單，成本低等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)具有很好的工程實(shí)用價值。

圖6 水分探頭12次方擬合曲線圖Fig.6 The 12 square fitting curve of the moisture probe

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