王利恒，劉思敏，龔澤熙武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北武漢430205

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基于交流阻抗法的土壤濕度測(cè)量

王利恒，劉思敏，龔澤熙
武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北武漢430205

摘要：采用交流阻抗法快速測(cè)量土壤的濕度.將雙探針傳感器一端插入土中，作為阻抗器件，另一端與NE555芯片相連，組成電阻頻率轉(zhuǎn)換電路，使加載在被測(cè)土壤上的直流電變?yōu)榻蛔冸娏?，同時(shí)將土壤的交變阻抗轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，不需要模數(shù)轉(zhuǎn)換，就可以通過(guò)單片機(jī)測(cè)得頻率值.通過(guò)頻率與土壤濕度間的線性關(guān)系，獲得土壤濕度值.交流阻抗法有效克服了在直流電作用下帶來(lái)的土壤電極極化現(xiàn)象，在快速測(cè)量的同時(shí)保證了測(cè)量精度.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能有效測(cè)量0%～20%的土壤濕度范圍.

關(guān)鍵詞：土壤含水量；交流阻抗法；電阻頻率轉(zhuǎn)換電路

1　引　言

土壤含水量的多少對(duì)于農(nóng)作物的生長(zhǎng)至關(guān)重要，水分過(guò)多或不足都會(huì)影響農(nóng)作物的正常生產(chǎn)，對(duì)農(nóng)作物的產(chǎn)出帶來(lái)直接影響.及時(shí)準(zhǔn)確掌握土壤含水量多少，對(duì)于實(shí)施精準(zhǔn)定量灌溉，節(jié)約用水具有重要意義［1］.尤其是對(duì)于我國(guó)這樣一個(gè)缺水的農(nóng)業(yè)大國(guó)，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)施會(huì)帶來(lái)廣泛的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值.

目前測(cè)量土壤水分的方法主要有烘干法、電阻法、射線法、時(shí)域反射法（TDR）、頻域反射法（FDR）以及遙感法.烘干法屬于定義法，是其它測(cè)量方法的參考標(biāo)準(zhǔn)，但由于需要經(jīng)歷取樣，烘干，稱重等多道工序，耗時(shí)費(fèi)力，且無(wú)法做到實(shí)時(shí)測(cè)量，一般只在做系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)使用.射線透射法和中子水分儀法［2-3］都不需要取樣，安裝好后，可以在同一個(gè)地方定點(diǎn)連續(xù)測(cè)量，但是它對(duì)表層土壤的測(cè)量卻略顯不足，而且各種射線法和中子水分儀法最大的問(wèn)題就是會(huì)對(duì)人體造成輻射危害.時(shí)域反射法［4］（TDR）具有射線法和中子法的優(yōu)點(diǎn)，而且不會(huì)存在輻射問(wèn)題，但成本過(guò)高，且電路復(fù)雜不利于推廣.

采用交流阻抗法，本質(zhì)上屬于頻域反射法（FDR）的一種應(yīng)用，但由于其在測(cè)量電路中，土壤充當(dāng)?shù)氖且粋€(gè)阻抗器件，所以歸為阻抗法.基于電阻法改良的交流阻抗法測(cè)土壤濕度的方法，操作方便，能快速測(cè)量土壤水分，無(wú)輻射且成本低，在一定范圍內(nèi)可保證測(cè)量精度，可以大范圍地普及使用.

土壤是礦物質(zhì)、有機(jī)物質(zhì)和活的有機(jī)體以及水分和空氣等的混合體，是一個(gè)氣、液、固相均有的混合體.由于水分的存在，土壤中的礦物質(zhì)溶解到水分中，形成可以導(dǎo)電的電解離子.而這種導(dǎo)電能力受土壤的成分和含水量的多少影響，在相同地質(zhì)情況下，主要影響因素就是含水量.所以土壤阻值的大小和含水量的多少有直接關(guān)系，通常含水量加大時(shí)，電阻值會(huì)變小，也就是越干的土壤其阻值越大，使用電阻法測(cè)量土壤濕度就是依據(jù)的這個(gè)原理.

土壤電阻率的大小主要取決于土壤的成分和含水量.土壤的成分不同決定了其所含導(dǎo)電離子濃度的大小.假定土壤中導(dǎo)電離子濃度為C1，土壤中含水量為C2，土壤電導(dǎo)率ρ就是導(dǎo)電離子濃度C1和含水量C2的函數(shù)［5］：

根據(jù)式（1），土壤電阻率將會(huì)根據(jù)土壤成分以及含水量不同而改變，而土壤成分相對(duì)來(lái)講是比較固定的.那么電阻的大小就和含水量直接相關(guān).但經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)使用這種傳統(tǒng)電阻法測(cè)量土壤濕度其測(cè)量結(jié)果很不穩(wěn)定，在研究中發(fā)現(xiàn)，土壤在直流電流作用下，會(huì)發(fā)生電解作用，并出現(xiàn)極化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致在測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)測(cè)量結(jié)果漂移不穩(wěn)定的現(xiàn)象.

采用交流阻抗法，屬于電阻法一種改良，通過(guò)加載在被測(cè)對(duì)象的交變電流有效防止了用傳統(tǒng)電阻法測(cè)量土壤濕度時(shí)所造成的極化影響.

測(cè)量土壤濕度時(shí)，將探針插入土中，探針相當(dāng)于兩個(gè)電極，前端測(cè)量電路施加的交變電場(chǎng)通過(guò)探針作用在被測(cè)土壤上，將土壤的交變阻抗轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，來(lái)進(jìn)行后處理得到含水量數(shù)據(jù).

2　實(shí)驗(yàn)部分

2.1傳感器的選擇

水分傳感器的探針結(jié)構(gòu)可以是單根探針形式，也可以設(shè)計(jì)成兩根探針形式.

單根探針的傳感器外形更為緊湊，是在同一柱面上分段得到兩個(gè)電極，所以制作工藝比較復(fù)雜.如圖1所示，兩柱面構(gòu)成的電極間的電磁場(chǎng)分布范圍僅在探針附近，因此其測(cè)量的有效范圍是以探針為中心的有限區(qū)域范圍.

圖1　傳感器探針電場(chǎng)分布Fig. 1　Sensor probe electric field distribution

當(dāng)探測(cè)電極分別由兩根探針構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)形式就是雙探針電極.由于每根探針就是一個(gè)電極，制作工藝簡(jiǎn)單.其測(cè)量的有效范圍是以兩探針中間區(qū)域向外輻射的范圍，相對(duì)單探針，其探測(cè)有效范圍比單探針的要廣.傳感器選用雙探針設(shè)計(jì)方案，探針選用316L不銹鋼材料，可以長(zhǎng)期在土壤里工作.同時(shí)增加一根溫度探頭，用于測(cè)量土壤溫度，進(jìn)行溫度補(bǔ)償.

2.2前端測(cè)量電路設(shè)計(jì)

前端測(cè)量測(cè)量電路使用NE555組成交變振蕩電路.

圖2是由NE555組成的多諧振蕩器的電路圖，RA相當(dāng)于土壤的電阻值，是由雙探針電極和土壤構(gòu)成的，RB是固定電阻.通過(guò)RA、RB和C1組成的充放電回路，將電阻值轉(zhuǎn)換成振蕩頻率.

圖2　交變振蕩電路Fig. 2　Alternating oscillation circuit

上電后，VCC開(kāi)始通過(guò)RA和RB向C1充電，VC開(kāi)始上升，3端輸出為高電平，C1充電的時(shí)間為

當(dāng)VC升到2VCC/3時(shí)，NE555內(nèi)部的三極管T導(dǎo)通，與RA、C1構(gòu)成放電回路，充電結(jié)束，C1開(kāi)始放電，VC開(kāi)始下降，3端輸出為低電平，C1放電時(shí)間為

當(dāng)VC降到VCC/3時(shí)，NE555內(nèi)部的三極管T會(huì)截止，VCC又開(kāi)始通過(guò)RA和RB向C1充電，即每當(dāng)VC降到VCC/3時(shí)，C1就開(kāi)始充電，當(dāng)VC升到2VCC/3時(shí)，C1又開(kāi)始放電，放電使VC降到VCC/3時(shí)，C1再次開(kāi)始充電，如此周期性地重復(fù)，在輸出端就得到一個(gè)占空比固定不變的矩形波，其脈沖的頻率為

利用式（4），測(cè)得輸出脈沖的頻率后，就可以反過(guò)來(lái)得到土壤的阻值，而土壤的阻值是與土壤濕度息息相關(guān)的.

2.3單片機(jī)后處理

前端處理電路輸出的脈沖信號(hào)直接接入到單片機(jī)的計(jì)數(shù)器輸入端進(jìn)行處理得到頻率值.由于實(shí)際測(cè)量輸出頻率范圍在0.1～8 kHz之間，所以采用定時(shí)計(jì)數(shù)的方式.定時(shí)器配置成外部脈沖計(jì)數(shù)方式，單片機(jī)定時(shí)1 s，1 s中斷來(lái)到時(shí)，讀取計(jì)數(shù)脈沖數(shù)并復(fù)位計(jì)數(shù)器.由于土壤水分含量是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的緩變量，所以采用1 s計(jì)數(shù)采樣來(lái)刷新數(shù)據(jù)，能夠滿足測(cè)量的需要.

3　結(jié)果與討論

3.1濕度測(cè)量

土壤濕度測(cè)量主要測(cè)的是土壤的含水量［6］，它是衡量土壤水分狀況的一個(gè)重要指標(biāo)，土壤的含水量，也被稱作土壤水分含量，土壤濕度或是土壤濕度率等，它的常用表達(dá)方式主要有兩種［7］：

1）土壤濕度W：土壤中所含水分的重量（mw）與用烘干法去除水分后的干土的重量（ms）的比值，即

2）體積含水量θ：也可稱容積含水量，是土壤中所含水分的體積（VW）與土壤總體積（V）的比值，即

3.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)中制作了10個(gè)土壤樣本，通過(guò)烘干法測(cè)量土壤濕度，可精確測(cè)得它們的含水量，通過(guò)交流阻抗法，分別測(cè)量這10個(gè)樣本的頻率，得到的數(shù)據(jù)如表1所示.

表1　頻率和含水率對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.1 Corresponding relationship between moisture content and frequency

利用MATLAB對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到如圖3所示的曲線.

圖3　含水率與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig. 3　Corresponding relationship between moisture content and frequency

由圖3可知，電路振蕩的頻率f與土壤濕度W服從線性函數(shù)規(guī)律，擬合方程為

因此，測(cè)出振蕩電路的頻率，就可根據(jù)上面的公式計(jì)算出土壤的濕度，將這個(gè)方程寫(xiě)入單片機(jī)的程序中，單片機(jī)分別與振蕩電路和上位機(jī)相連，就可以實(shí)時(shí)測(cè)量土壤濕度的變化.

4　結(jié)　語(yǔ)

運(yùn)用多諧振蕩器原理，使用NE555芯片構(gòu)成的振蕩交流電路測(cè)定土壤濕度的方法，有效克服了傳統(tǒng)電阻法測(cè)量土壤濕度時(shí)電極的極化問(wèn)題，由于NE555輸出的是數(shù)字信號(hào)，無(wú)需模數(shù)轉(zhuǎn)換，連上單片機(jī)后就能輕松地測(cè)量出芯片NE555產(chǎn)生的矩形脈沖頻率，進(jìn)而求出土壤當(dāng)前的濕度值，實(shí)現(xiàn)了快速測(cè)量土壤的濕度值，同時(shí)也保證了測(cè)量的精度.另外，由于NE555內(nèi)部的比較器有較高的靈敏性，而且使用的是差分電路，所以電源電壓和溫度變化對(duì)由NE555組成的多諧振蕩器的振蕩頻率的影響很微小，這也在一定程度上保障了濕度測(cè)量的精準(zhǔn)性.經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明上述測(cè)量方法使用方便、測(cè)量速度較快、準(zhǔn)確度較高，并且造價(jià)低廉，值得推廣.

參考文獻(xiàn)：

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本文編輯：陳小平

Measuring Soil Moisture Based on Alternating Current Impedance Method

WANG Liheng，LIU Simin，GONG Zexi
School of Electrical and Information Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China

Abstract：The soil moisture was quickly measured by the alternating current impedance method. The double probe sensor was inserted into the earth at one end，which was used as an impedance device，and the other end was connected with the NE555 chip，which formed the resistance frequency conversion circuit. The circuit made the direct current loaded on the soil changing into the alternating current，and converted the alternating imped?ance of the soil into the frequency signals；meanwhile，the frequency values were measured by a single chip，without analog to digital conversion. Finally，the soil moisture values were obtained according to the linear rela?tionship between the frequency and soil moisture. The alternating current impedance method overcomes effec?tively the polarization phenomenon of soil electrode under the action of direct current，with high precision and quick speed. Experimental results show that this method can measure the soil moisture in ranges of 0%-20% effectively.

Keywords：soil moisture content；alternating current impedance method；resistance frequency conversion cir?cuit

作者簡(jiǎn)介：王利恒，博士，副教授. E-mail：wlhhust@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（61271363）；湖北省自然科學(xué)基金（2012FFB04711）

收稿日期：2015-11-17

文章編號(hào)：1674 - 2869（2016）01 - 0074 - 04

中圖分類(lèi)號(hào)：S237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10. 3969/j. issn. 1674?2869. 2016. 01. 013