基于介电法的土壤水分测量技术.doc

基于介电法的土壤水分测量技术王一鸣（中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083）摘 要：土壤是一种非常复杂的介质，通过介电法测量土壤水分是目前最为行之有效的方法。本文详细介绍了基于介电法的时域反射法（TDR）和驻波率法（SWR）的测量原理，以及基于TDR原理和SWR原理的典型测量仪器的技术性能，介绍了基于驻波原理的SWR土壤水分传感器和TSC型采集设备在土壤墒情监测系统中的应用。关键词：介电法；时域反射法；驻波率法中图分类号：按中国图书分类法标注0 引 言土壤水分测量技术是节水抗旱实施的重要的技术保障。而土壤水分传感器和测量仪器则是实现变量灌溉和墒情（旱情）监测的重要技术手段。土壤既是一种非均质的、多相的、分散的、颗粒化的多孔系统，又是一个由惰性固体、活性固体、溶质、气体以及水组成的多元复合系统，其物理特性非常复杂，并且空间变异性非常大，这就造成了土壤水分测量的难度。土壤水分测量方法的深入研究，需要一系列与其相关的基础理论支持，涉及到应用数学、土壤物理、介质物理、电磁场理论和微波技术等多种学科的并行交叉。而要实现土壤水分的快速测量又要考虑到实时性要求，这更增加了其技术难度。土壤的特性决定了在测量土壤含水量时，必须充分考虑到土壤容重、土壤质地、土壤结构、土壤化学组成、土壤含盐量等基本物理化学特性及变化规律。自古止今，土壤含水量测量方法的研究经历了很长的道路，派生出了多种方法，目前主要的土壤水分测量方法有烘干法、张力计法、中子法、介电法、近红外法等。利用土壤的介电特性来测量土壤含水量是一种行之有效的、快速的、简便的、可靠方法。最先对土壤的介电特性做出系统研究的是前苏联学者Chernyak，他在1964年出版了引起世界关注的学术名著湿土介电特性研究方法。以此为基础，土壤的介电特性迅速应用于土壤含水量的测量技术中，而且具体实现方法千差万别。其中，高频电容探头测量土壤含水量、甚高频晶体管传输线振荡器测量土壤含水量、微波吸收法、时域反射法（TDR）、时域传播法（TDT）、频域法（FD）、驻波率法（SWR）等测量方法都属于基于土壤介电特性的土壤含水量测量方法。*收稿日期：2007.7.3 修订日期：项目基金：863课题“土壤参数时域反射仪（TDR）关键技术研究”（2006AA10Z264）作者简介：王一鸣（1940），男（汉族），江苏泰兴，教授，大学，智能化检测与控制技术。北京市海淀区清华东路17号63信箱，邮编100083。Email:ym_1 时域反射法（TDR）的测量原理时域反射法是一种介电测量中的高速测量技术，1969年，它是以Feidegg等人关于许多液体介电特性的研究为基础而发展起来的。到了1975年，Topp和Davis将其引入用于土壤水分测量的研究。根据电磁波在不同介电常数的介质中传播时其行进速度会有所改变的物理现象提出了时域反射法（Time-Domain Reflecometry），简称TDR测量方法。Topp首先依此方法测得了土壤中气固液混合物的介电常数 ，进而利用统计数学中数值逼近的理论分类法找出了不同种类土壤含水量与介电常数间的多项式关系：V = -5.310-2+2.9210-2-5.510-42+4.310-63(1)式中：v土壤容积含水量；介电常数。时域反射法测量土壤水分的基本原理是：1GHz的电磁脉冲在同轴传输线上的传播速度依赖于其传播物质的介电特性和损耗，在损耗较小时，其主要依赖介电常数的实部。TDR土壤水分速测仪是由脉冲信号发生器、同轴传输线、探头及高频示波器组成。如图1所示。脉冲发生器采样示波器RS-232 通讯口同步发生器50 同轴电缆探头土壤图1 TDR组成结构图Fig. 1 Structure diagram of TDR device高频脉冲产生器发出1GHz的高频脉冲，并将其通过50的同轴传输线传输到探针，由于同轴传输线与探针阻抗不匹配，有一部分电磁波在探针与传输线连结处沿同轴传输线反射回来，剩余的电磁波继续沿探针传输到探针的另一端，由于探针与土壤的阻抗不匹配又造成电磁波的再次反射。两次反射之间的时间是电磁波沿探针传输时间的两倍。两次反射之间的时间可由高频示波器来测量显示。传输时间可表示为：（2）式中：t两次反射之间的时间；L探头的长度介质（土壤）的介电常数；c电磁波在真空中的传播速度（3108m/s）由此可得出介质的介电常数：=ct/(2L)2（3）式中（ct/2）称为探头的“表观”长度。令La=ct/2 则：=(La/L)2 （4）如果土壤是完全干燥的，那么将会是2到4。如果土壤体积的25%是水，那么将近11-12。对农业土壤来说，的值，也就是“表观”介电常数的值将主要取决于土壤的体积含水量，它与土壤类型几乎没有关系。值和水的体积百分含量之间的关系已经通过测试单元（高频示波器）中精确测量值建立起来，这些测试单元中水分所占有的体积事先都已精确测量好。这种关系被用来将的现场测量值转变为土壤的体积含水量。时域反射法测量土壤含水量的原理得到了大家的普遍认可，通过大量的理论和实验研究证明了基于TDR方法的土壤水分测试仪能够满足快速测量的实时性要求，可是对土壤这种复杂的多孔介质对象，虽然土壤水分v的变化能够显著地导致介电常数的改变，但在传感器探针几何长度受到限制的条件下，由气固液混合物介电常数引起的入射反射时间差T却仅仅是10-9秒数量级。若要对如此短的滞后时间进行准确测量，从无线电测量技术的角度来看难度极大（目前世界上掌握超高速延迟线测量技术的只有美、加、德等极少数国家），基于TDR原理的土壤水分测量仪器成本相应很高，只能装备于我国极少数高等院校和科研单位，无法大量应用于农田土壤墒情实时监测与节水灌溉自动控制系统中。目前，中国农业大学已获得了国家高技术发展计划（863计划）的资金资助，进行TDR的课题攻关，可望填补国内在该领域的空白。2 驻波率法（SWR）的测量原理基于驻波率原理的土壤水分测量方法与TDR一样，同属于土壤水分介电测量。针对TDR方法的缺陷，基于微波理论中的驻波率（Standing-Wave Ratio）原理的土壤水分测量方法不再利用高速延迟线测量入射反射时间差T，而是测量它的驻波比。整个测量装置如图2所示，它由信号源、传输线和探针三部分构成。其中信号源为100MHz的正弦波，传输线系特征阻抗为50的同轴电缆，探针分布呈同心四针结构。100MHz信号源同轴传输线探针图2 SWR传感器组成结构图Fig. 2 Structure diagram of SWR sensor 其基本工作原理是，信号源产生100MHz电磁波沿同轴传输线传播，在与探针的连接处由于阻抗不匹配会发生反射，在传输线上产生驻波，传输线两端的电压差随探针阻抗变化，探针的阻抗取决于土壤介质的表观介电常数。将任意一端均匀传输线划分成许多的微分段dz，对于均匀传输线而言，由于其分布参数是沿线均匀分布的，且由于线元dz的长度极短，故可将看成一个集总参数电路，并用一个型网络来等效。如图3所示：图3 测量装置等效电路Fig. 3 Equivalent circuit of measuring device考虑到在甚高频下同轴电缆的分布电容、电感、电导等参数的影响，在Z轴任意点z取微元dz，即可得到该点的电压与电流的微分表达式。dUz =IzZ1dz (5)dIz =UzY1dz (6)对以上两式做二次微分,可得传输线的电报方程：(7)(8)其瞬时解表达式为：(9)式中：A信号幅值，传输线反射系数，相移显然，对于负载端（z=0），电压的峰值为：(10)当时的电压峰值：(11)式(10)、 (11)表明当传输线的长度等于波长的四分之一时，驻波的波峰与波谷恰在同轴电缆的两端。即：(12)上式中ZL是探针对特征阻抗，ZC是传输线的特征阻抗，A的数值取决于振荡器的振幅，故在A恒定的情况下传输线两端的电位差正比于反射系数，而在传输线理论中又可用驻波比表示成：(13)所以该方法称为驻波率法，试验表明三态混合物介电常数的改变能够引起传输线上驻波比的显著变化，故通过测量传输线两端的电压差即可得到土壤的容积含水量。由驻波比原理研制出的仪器在成本上有了大幅度的降低。3 仪器的技术性能3.1 TDR的技术性能目前市场上主流的TDR产品主要有：美国Soilmoisture Equipment公司的TRASE、德国IMKO公司的TRMIE、加拿大E.S.I.公司的MP-917等。以德国IMKO公司的TRIME为例，产品外观如图4所示。其传感器探头有针式和管式两个系列。图4 TRIME土壤水分测试仪及传感器Fig. 4 TRIME soil moisture measuring instrument and sensors设备的技术指标如表1：表1 TRIME的技术性能参数Table1 Technical specifications of TRIME instrument型 号P2T3探针类型针式管式测量范围0-70 Vol%0-60 Vol%精 度0-40Vol为2 Vol；40-70Vol为3 Vol0-40Vol为2 Vol；40-60Vol为3 Vol输出信号01V响应时间10-15秒电缆长度1.5m2.5mTRIME测量结果（m3/m3）0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5烘干法测量结果（m3/m3）图5是使用TRIME测量与烘干法测量的对比结果：图5 TRIME和烘干法测量结果的对比Fig. 5 Comparison of TRIME measurements and gravimetric method3.2 SWR的技术性能目前市场上SWR原理的主要产品有：英国Delta公司的ML2x和中国农业大学研制的TSC系列产品。TSC系列产品是中国农业大学信电学院传感器与检测技术研究承担的科技部“九五”国家重点科技攻关项目“便携式土壤水分快速测试仪”、科技部农业科技成果转化项目“TSC型智能化土壤水分快速测试仪系列中试与示范”以及国家高技术研究发展计划（863计划）“作物水分信息采集与精量控制用水技术研究与开发”的科研成果。科技部“九五”攻关项目于2002年通过了教育部组织的科研成果鉴定，鉴定委员会一致认为：“该仪器的研究取得了多项创新性成果，填补了国内空白，技术上达到国际先进水平，在传感器研究上处于国际领先”。SWR型土壤水分测量传感器于2000年获得国家实用新型专利（专利名称：土壤水分测量传感器，专利号：ZL00233573.5）。TSC型智能化土壤水分快速测试仪在2002年获得了科技部、国家税务总局等5部局共同批准的国家重点新产品证书，并被科技部确定为国家重点推荐产品。经北京市海淀区质量技术监督局批准，北京智海电子仪器厂于2004年4月，发布和实施了TSC系列智能化土壤水分快速测试仪生产的企业标准（Q/HDZHE001-2004）。同年9月，TSC型智能化土壤水分快速测试仪获得了“中华人民共和国制造计量器具许可证”。通过农业科技成果转换资金项目的实施，TSC系列土壤水分测试仪的九项产品已达到了规模化、系列化和标准化的生产水平。以TSC为例，产品的外观如图6所示，其传感器有针式和管式两种。图6 TSC土壤水分测试仪和SWR传感器Fig. 6 TSC soil moisture measuring instrument and SWR sensors设备的技术指标如表2：表2 SWR土壤水分传感器的技术性能参数Table2 Technical specifications of SWR soil moisture sensorsSWR-2SWR-4探针类型针式管式测量范围0-100 Vol0-70 Vol精 度2 Vol响应时间1秒输出信号02.5V探针长度6cm46mm145mm电缆长度20m；标准5m以下是使用TSC测试仪测量与烘干法测量的对比结果：0.00.40.0 0.1 0.2 0.3 0.4 烘干法测量结果（m3/m3） TSC测量结果（m3/m3）图7 TSC和烘干法测量结果的对比Fig. 7 Comparison of TSC instrument and gravimetric method4 土壤水分传感器的应用土壤水分传感器被广泛地应用于农业、水利、气象等部门，以下是SWR型土壤水分传感器和TSC采集设备在土壤墒情信息无线监控系统中的应用。图8 土壤墒情监测系统的组成结构Fig. 8 Structure of soil moisture monitoring system以下是该系统于2005年1月1日至2005年12月31日在北京芦城基地的8个不同深度测量的土壤水分历史曲线。每天采集6次，共2190个土壤水分采样数据。 TSC测量结果（m3/m3）0 0.1 0.2 0.3 图9 芦城基地8个不同深度一年的土壤水分历史曲线Fig. 9 Soil moisture historical curves of 8 different depths in lucheng area of one year4 结论本文介绍了基于介电测量的土壤水分测量技术，较详细地介绍了TDR法和SWR法的测量原理以及仪器的技术性能。从TSC型土壤水分测量仪器在土壤墒情监测系统中的应用情况看，能够实时、准确、可靠地对土壤水分进行长期监测。参 考 文 献1 Topp, G.C., J.L. Davis, and A.P. Annan; 1980；Electromagnetic determination of soil water content: Measurements in coaxial transmission lines. Water Resour. Res. 16:574-582.2 赵燕东，王一鸣. 基于驻波率原理的土壤水分测量方法的研究. 农业机械学报，2002， No.43 Zhao Yandong, Wolfgang Paul and Wang Yiming；Comparison between Measurements of Soil Water Content with SWR-, FD- and TDR-Sensors，Journal of Applied Irrigation Science. 37:17-31Measuring Technology of Soil Moisture Based on