摘 要 为实现路基土壤含水量测量设备精度高 持 久 性 强 结构简单的需要 提 出 一 种 基于平行微带线结构的微波含水量传感器的设计方法 其测量原理基于土壤含水量与其相对介电常数之间线性关系 通过测量插入不同含水量土壤的微带线上正弦信号传输速率变化而产生的相位差 来 求 得 含 水 量 研究工作实现平行微带线传感器系统的设计仿真对 含 水 量 在 范围内变化土壤样本测试 结 果 表 明 测 量 分 辨 率 误 差 系 统 响 应 时 间 测 量 精度 达 到 要 求 这种新型微带线传感器体积小 功 耗 低 精 度 高 适 合 长 期 监 测
关 键 词 介 电 常 数 微 带 线 传 感 器 含 水 量 无 线 网 络
　　引 言
　　电磁无损检测技术是一种新型含水量检测方法 它 是通过测量待测土壤的电特性而求得含水量的技术 具 有 非接 触 无 损 耗 实 时 性 强 等 优 点 目 前 国 内 外 采 用 的方 法 包 括 电 容 传 感 法 谐 振 腔 法 时 域 反 射 法 探 地雷 达 法 等谐振腔传感器具有一个谐振腔体 通 过
　　谐 振 器 内 电 场变 化 改 变 谐 振 频 率 值 求 得 含 水 量 谐 振 腔 传 感 器频 带 窄 易 产 生 频 点 漂 移 电容法通过电介质中等效电容与介电常数的比例关系测量含水量 电容传感器对土壤类 型 要 求 高 对 含 盐 量 敏 感 不 适 合 高 盐 分 土 壤 测 量 时域 反 射 法 的 探 针 结 构 复 杂 探针无法做到非接触测量 待测 物 损 坏 程 度 大 另 外 探针包含直流信号分量 对 高 金计算机工程与设计 年属含量高盐分土壤电导率高 无 法 准 确 测 量 探 地 雷 达 测量 目 标 范 围 大 测 量 精 度 差 电 子 设 备 精 密 结 构 复 杂系 统 功 耗 大 持 久 性 差 无法适应长时间准确探测
　　上述各种方法均不适合路基含水量检测 作 为 道 路 路基 含 水 量 检 测 需要一款测量准确 功 耗 低 结 构 简 单实 时 性 强 耐高盐量土壤的传感器
　　文章提出一种基于相位检测法的新型平行微带线传感器 测量原理利用土壤含水量与土壤介电常数之间线性关系 土壤含水量变化可以通过介电常数反应 介 电 常 数 改变又影响电磁波在微带传输线中传输速率 通 过 与 参 考 信号作 对 比 得到二者相位差 通过相位差求得土壤含水量该 传 感 器 结 构 简 单 测 量 精 度 高 实 时 性 强 土 壤 类 型 要求 低 成 本 低 功 耗 小 适合路基土壤长期监测测量模型依 据 传 输 线 理 论 由传输线波动方程得 公 式式 中 传 播 常 数 相 移 常 数 衰 减 常 数复 介 电 常 数 磁 导 率 其 中复 介 电 常 数式 中 相 对 介 电 常 数 电 导 率式 代 入将 代 入 得 到 相 位 常 数式 中 自 由 空 间 波 长 在 频 率 下 损 耗 角正 切 远 小 于 因此上式简化为相 移 与 相 位 常 数 关 系 如 式其 中 等 效 介 电 常 数式 中 基 板 的 高 度 微带平行线宽度传感器设计传感器设计分别从土壤介电常数 穿 透 深 度 和 盐 含 量几 方 面 考 虑干燥土壤相对介电常数 水 为 饱和潮湿土壤为潮湿土壤相对介电常数范围在 介 电 常 数 因 土壤含水量和含盐量不同而不同传 感 器 工 作 频 率 为 电 磁 波 波 长 约 电 磁场能 够 穿 透 到 待 测 介 质 中 穿透深度取决于介质中水分子多少及分布状况 传感器不仅可以测量土壤表面的含水量 待测土壤中的含水量也可以有效测量 另 外 穿 透 深度也受信号源功率控制 功率越大穿透深度越深传 感 器 工 作 频 段 较 低 盐含量对土壤介电常数的影响可 忽 略 盐溶解于水后的离子对电导率不会有任何影响 水的介电常数很大 影响介电常数的主要因素是土壤 含 水 量 土壤盐等矿物质含量在此频段对测量产生影响可 忽 略平行微带线设计传感器采用平行板微带线结构印刷电路板的 上 下 面 为 平 行 微 带 线 线两头端口为发射端和接收 端 连 接 同 轴 线 如 图 所 示 将传感器插入土壤后可测 量 含 水 量图 平行微带线结构微 带 线 设 计 有 以 下 几 方 面 微带线长度应选择初始相位 差 为 为 整 数 以发挥最大测量范围 其 次 微 带传输线的长度和宽度应考虑到阻抗匹配 普通微带线阻抗最 后 考 虑 鉴 相 器 的 有 效 斜 率 且 微 带 传输线超前和滞后相位不能辨别 因 此 微带线相位有效范围 应 在 包括同轴线相移综 上 根 据 式 可通过有效相位范围计算出微 带 传 输 线 最 大 有 效 长 度 微 带 线 宽 度采 用 厚 相 对 介 电 常 数 的达 到 阻 抗 匹 配 表面层可加绿色阻焊收 发 器 设 计收 发 器 结 构 如 图 所 示 主要有压控振荡器锁 相 环 相 移 器 鉴 相 器 组 成采 用 模 块 发 射 频 率 输 出功率 作 为 信 号 发 生 器 输出信号分二路 一 路 接频 率 合 成 器 组 成 电 路 然后输出微带线第 卷 第 期 张勇 刘策 郭晨 等路基土壤含水量微波检测系统的设计研究图 收发器系统结构框架传感 器 用 作 探 测 信 号 一路接相移器和鉴相器用作参考信号 探测信号与参考信号通过鉴相器 形 成 相 位 差并转化为相应模拟电压输出 收发器与传感器分别制成不同 的 用 同 轴 线 连 接 或分属不同层制成插板 使用 时 将平行微带线直接插入待测土壤 收 发 器 两 边 套塑料薄膜层加以保护鉴 相 器 最 高 频 率 可 达 输 入 功 率相位探测精度为 最 大 探 测 有 效 范 围压 控 振 荡 器 输 出 功 率 而 功率 因 此 平行微带线的衰减不得超过 压 控相 移 器 可调节相移范围 用 来 调 节参 考 信 号 相 位 并 校 准 初 始 相 位 为 为 整 数 以 保 证相 位 差 在 有效线性量程范围内系 统 软 硬 件系统硬件由平行微带线 收 发 器 读 写 控 制 器 和 计算 机 三 部 分 组 成 结 构 如 图 所 示 读写控制器采用核 单 片 机 系统板上设计有接 口 编程功能方便程序下载仿真 板 上 设 计 复 位 键串口等常用功能部件 存 储 部 分 采 用 字节 的 片 内 的 无需扩展存储器即可存储含 水 量 信 息 通 信 部 分 开 发 等功 能 以 便 采 集 收发器模拟电压信号并转为数字信号存 储 整个系统简单可靠系统 软 件 采 用 作 为 开 发 平 台 并 集 成 了汇 编 器 编 译 器 编 译 器调试 器 软 件 采 用 汇 编 器 等多种语言构架 如 图 所示 内 核 操 作 系 统 移 植 打破传统单片机循环语句 式 的 调 度 策 略 将系统分为多功能模块 包 括 操 作 系统 移 植 内 存 管 理 队 列 管 理 协 议 栈 主 循 环 设 备 驱 动等 系统采用多任务管理 提 高 并 行 效 率传感器仿真采 用 电 磁 仿真软件对传感器进行仿真相 位介 电 常 数 仿 真传感器在 频率下 对两个端口的入射损耗 的 相位与待测土壤相对介电常数进行仿真 关 系 如 图 所 示 从图 看出 根据土壤含水量饱和度不同 干 燥 土 壤 介 电 常 数为 含水量 饱和土壤为介电常数为 根 据 饱 和 度 不同土壤相对介电常数范围 对 应 相 位 范 围之间 相位与土壤相对介电常数大致成线性关系图 相 位土壤介电常数关系计算机工程与设计 年参 数 仿 真在 频 率 范 围 对微带线回波损耗和阻抗匹配 情 况 进 行 仿 真 中 心 频 率 反 射 损 耗 和 入 射损 耗 分 别 为 和 如 图 所 示 仿 真 结果表明平行微带线在此频段有效 即使因含水量变化产生频 点 漂 移 传感器也能有效测量图 平 行 微 带 线 参 数含水量测量结果分析取 一 定 量 路 基 土 壤 放 入 烧 杯 中 制 成 含 水 量 的饱 和 土 壤 样 本 精确测得饱和土壤总质量 传 感 器 完 全 插入 烧 杯 样 本 中 持 续 恒 温 加 热 定 时 称 重 记 录 样 本 质 量干燥土壤质量和输出电压值 根 据 式 依 次 计 算 含水 量式 中 样 本 水 的 质 量 样本干燥土壤质量样 本 总 质 量记录含水量依次为 时 传感器输出模拟电 压 值 结 果 如 图 所 示 从 图 中 可得传感器相位输出电压与土壤含水量大致为线性关系图 实 验 数 据 结 果从 图 可以看出图形为二项式 进 行 数 据 拟 合 推 倒二 项 式 拟 合 方 程 黑点代表记录值 曲 线 代 表 拟 合 值 二者 相 吻 合 拟合二项式可表示为为 土 壤 含 水 量 回 归 系 数图 为传感器实物图 左边为平行微带线 右 边 为收 发 器 该传感器测量含水量的瞬时分辨率达到 每次 测 量 时 间 小 于 包 括 鉴 相 器 响 应 时 间工 作 频 率 对土壤类型和盐分含量不敏感 在 实 验中 该微带线中信号传导速率仅仅受含水量影响 不 受 土壤 类 型 影 响 密实度的影响可忽略不计图 平行微带线传感器系统传感器实测功率小于 使用普通的镍镉或锂离子 电 池 能 够 持 续 数 月 该传感器低功耗 可 以 在 无 线 传感器 网 络 中 得 以 应 用 考虑温度变化导致土壤介电常数轻微 漂 移 因 此 该传感器需要温度补偿平行微带线与传统称重法测量含水量数据对比实验结果 见 表表 两种方法测量土壤样品含水量结果对比含 水 量 称 重 法 微 带 线 误 差 时 间从表 可以看出 对于配置成 标 准 含 水 量 土 壤 样本 微带线测量含 水 量 比 称 重 法 更 准 确 误 差 小 于 但由于水分子影响 随着含水量增大 微带线测量误差增大
　　结束语
　　本文提出一种新型微波传感器系统的设计实现 该 传第 卷 第 期 张勇 刘策 郭晨 等路基土壤含水量微波检测系统的设计研究感器利用土壤含水量变化导致介电常数变化 进 而 引 起 传感器微带线上电磁波传播速率变化 从而产生相位差 建立含水量跟相位差的函数关系 通过相位差测得含水量
    传感器工作频率为 采用平行微带传输线结构系统 进 行 硬 件 设 计 与 仿 真 仿真结果表明该设计相位差取值 范 围 合 理 线 性 变 化 明 显 对 样 本 进 行 实 测 对 测 量 结果采 用 二 项 式 拟 合 建立相位输出电压与含水量之间函数关 系 与 传 统 测 量 方 法 相 比 此 传 感 器 测 量 精 度 高 响 应时 间 短 功 耗 小 持 久 性 强 适 合 各 种 土 壤 类 型 包 括 盐渍 土 可纳入无线网络
    参考文献蒋 玉 英 张 元 葛 宏 义 微 波 检 测 粮仓 储 粮 水 分 技 术 的 研 究 计 算 机 工 程 与 应 用谭 捍 华 傅 鹤 林 技术在公路边坡监测中的应用试验岩 土 力 学刘 瑜胡 纯 张 琳 基 于 试 验 数 据 和 的 三 维 地 质 建 模武 汉 大 学 学 报吴 昌英 丁君 一种微波介质谐振器介电常数测量方法 测 控技术张淑娥 熊华谐振腔测量蒸汽湿度不确定性分析改进 华 北 电 力 大 学 学 报李 志 华 潘瑞 林 路基稳定性无损检测方法技术研究 铁 道 工 程 学 报薛 谦 忠 左 元 韩 冰 复介电常数和磁导率测量的新方法微 波 学 报阮 开 智 韦 高 短 路 反 射 法 测 量 复 介 电 常 数 的 研 究测 控 技 术魏志强 刘祖深 黄武宽带低相噪分立 的 设 计电子测量与仪器学报徐 星 欧 舒宁 李 磊 分解方法提取雷达影像含水量信息 计算机工程与应用林 海 军腾 召 胜 基 于 神经网络集成模糊加权输出的数字温度传感 器 误 差 补 偿 仪 器 仪 表 学 报