基于微波原理的地表土壤测湿技术

山东大学控制科学与工程学院测控技术与仪器课程设计报告书项目名称：基于微波原理的地表土壤测湿技术班级：测控技术与仪器2班学号：200800170243姓名：徐兆武时间：2011.12.9摘要：土壤含水量是影响农作物收成与水保的重要因素之一。土壤湿度对于制定灌溉进程表、水与溶质流的评价、净太阳辐射潜热与显热的划分等方面都是很重要的。由于水的介电常数比其他电介质的介电常数要大得多，因此，通过测量含水土壤在微波场中的介电常数，便能间接测得该物质中含水量的多少。由于水的吸收损耗远较其它电介质大，所以，当微波功率通过物料时，其衰减量的大小将主要取决于物料中水分含量的多少，这就是衰减法微波测湿的原理。关键字：土壤湿度、含水量、衰减法微波测湿AbstractSoilwatercontentisoneofthemostimportantfactorsofcropharvestandwaterconservation.Soilmoistureisimportantfordrawinguptheprocesstableofwatering,evalutionofwaterandsolutemassflow,thelatentheatandsensibleheatofsolarradiaionandsomethingelse.Becauseofthepermittivityofwaterisbiggerthanotherdielectric’s,sogetthroughmeasuringcontainingwatersoil’sinthemicrowavefield,wecanindrectgettinghowmanywaterinthesoil.Bacauseoftheabsorptionlossofwaterismuchbiggerthanotherdielectric’s,sowhenmicrowavepowerthroughthemateriel,thequantityofattenuationwillmainlydependsonhowmuchwaterinthemateriel.Thisisthetheoryofmicowavehumiditymeasurementmethodofdecay.Keyword:Soilmoisture,watercontent,micowavehumiditymeasurementmethodofdecay正文：一、概述微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。微波与普通的无线电波相比，仅是波长或频率不同而己。但是正是这一区别，才使微波除了与普通无线电波具有共同点之外，还有其本身的一些特点。其主要特点如下：(1)微波在其传播过程中，若所遇物体的几何尺寸大于或者可与波长相比拟时，就会产生反射，波长越短，传播特性越与几何光学相似(或近于直线传播的特性)。(2)普通无线电波会被高空电离层所吸收或者被反射回来，而微波则能够穿过电离层至外层空间。电视广播、卫星通信、宇宙航行、射电天文学等等都是利用微波的这一特性才得以实现。(3)微波的频率很高，因此可以利用的频带较宽、信息容量大，从而使微波通信得到了广泛的应用和发展。(4)微波频率高、振荡周期短，因此，低频范围(普通无线电波段)内所使用的元(器)件，对于微波已经不再适用，而必须研制适用于微波的元〔器)件。(5)某些物质吸收微波后会产生热效应，因此可以利用微波作为加热或者烘干的手段，其特点是穿透性强，可以深入物质内部，加热速度快而且均匀，从而在工农业和食品业等部门得到广泛的应用，此外，微波热效应在生物学、医学等领域的应用前景也十分广阔。二、方案衰减法微波测湿的测量原理示意图如图1所示。有信号源发出一定功率的微波信号，经隔离器隔离后，将功率信号送入传感器。由于传感器中的物料把微波的能量吸收掉了一部分，因此微波功率被衰减，进入检波器的能量将减少，检波后的电平也减小，这样就可以把物料含水量的多少用仪表显示出来。图1测量系统中的隔离器的作用是：只允许微波信号单向通过，这样可以避免后级对前级的干扰，保证了信号源的稳定性。精密衰减器的作用是用来校准初值，由于土壤的不同，各种土壤的含湿量初值差别很大，往往会超出仪器的测量范围。通过精密衰减器的校准，就可以保证仪器在较大的测量范围内有较高的精度。信号源隔离器隔离器指示器精衰检波器隔离器传感器实际的测量系统结构如图2所示，为了提高测量精度，对微波进行了调制，调制频率为1000Hz。当接收器接到微波信号后，先有检测器对其检波，然后再由选频放大器对1000Hz的信号进行选频放大，经放大后的信号在转化成直流信号显示。图2选频放大器只对1000Hz的信号进行选频放大，抑制了其他频率的干扰，提高了测量的信噪比。微波的发射天线为喇叭形天线，他可以保证按照一定方向发射微波信号，接收天线也是如此。由于金属对微波有很强的反射作用，所以，在微波场周围应避免有大块的金属物体。三、微波测湿的原理不同的外加电场频率，是水分子损耗能量的原因各不相同。从低显示信号源高放衰减检波选频放大调制器隔离隔离衰减土壤天线天线1000Hz频到超短波频段，主要为正负电荷迁移所引起的导电损耗；微波频段，主要为偶极子的取向极化损耗，当波长为1cm时，这种损耗最大；红外频段时，主要为粒子间的共振吸收损耗；光波频段内，主要是电子与原子核间的共振吸收。这种损耗与频率的关系如图3所示。图3水分子是强极性分子，在外电场作用下将产生强的趋向激化，与此同时还将产生位移极化。极化的结果是将外电场的能量转换成水分子的势能，这一势能意味着将从外电场获得的能量储存起来，可以用复介电常数的实部ε表示。由于分子运动有惰性，转向极化运动相对于外电场的变化有一时间上的滞后，这一滞后即为弛豫。弛豫效果是使水分子产生损耗，这一损耗可用复介电常数的虚部λ表示。由于水分子是极性很强的偶极子，在外电场作用下，水的极化程度远大于其他物质。在微波频段，不同波长对应水的介电常数不同，f可见光红外低频射频微波ε图4列出了常温时不同波长下的水的介电常数。波长（cm）1.263.258.2210.0017.2052.0ε30.861.576.377.279.380.3λ35.231.415.613.17.92.75图4不同波长下的水的复介电常数在频率3-30GHz范围内（即波长从10-1cm），水的ε为77.2-30，tanδ为0.17-1.2；而其他电介质的ε为1-5，tanδ约为0.0001-0.05。可见，水的介电常数比其他电介质的介电常数要大得多。因此，通过测量含水物质在微波场中的介电常数，便能间接的测得该物质中含水量的多少。由于水的吸收损耗远较其他电介质大，所以，当微波功率通过物料时，其衰减量的大小将主要取决与物料中水分含量的多少，这就是衰减法微波测试的原理。四、方案的可行性分析目前，关于土壤测湿的方法有很多种。其中烘干称重法测量土壤含水量是最简单也是最常用的方法之一。下面就微波测湿法和烘干称重法进行对比分析，进而验证微波测湿法的可行性。称重法也称烘干法，这是唯一可以直接测量土壤水分方法，也是目前国际上的标准方法。用土钻采取土样，用0.1g精度的天平称取土样的重量，记作土样的湿重M，在105℃的烘箱内将土样烘6~8小时至恒重，然后测定烘干土样，记作土样的干重Ms。土壤含水量=(烘干前铝盒及土样质量-烘干后铝盒及土样质量)/(烘干后铝盒及土样质量-烘干空铝盒质量)*100%。称重法具有各种操作不便等缺点，但作为直接测量土壤水分含量的唯一方法，在测量精度上具有其它方法不可比拟的优势，因此它作为一种实验室测量方法并用于其它方法的标定将长期存在。微波测湿法是一种基于测量土壤介电常数的方法，在测量的实时性与精度上都比其它测量方法更具优势，而且在使用操作更加方便灵活，可适用于不同用途的土壤水分测量。五、总结综上所述，微波测湿法在测量的实时性与精度上都比其它测量方法更具优势，而且在使用操作更加方便灵活，可适用于不同用途的土壤水分测量。在未来的发展过程中，将会成为国内外广泛使用的一种土壤水分测量方法。参考文献[1]常太华，苏杰，田亮.检测技术与应用[M]北京：中国电力出版社，2003[2]徐科军，马修水，李晓林.传感器与检测技术，第二版[M]北京：电子工业出版社,2008.2