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。( 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ε ，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： θV = -5.3×10-2+2.92×10-2ε-5.5×10-4ε2+4.3×10-6ε3 () 式中：θv——土壤容积含水量；ε——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。 图1 TDR组成结构图 高频脉冲产生器发出1GHz的高频脉冲，并将其通过50Ω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ε－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： ε=[ct/(2L)]2 3） 式中（ct/2）称为探头的“表观”长度。令La=ct/2 则： ε=(La/L)2如果土壤是完全干燥的，那么ε将会是2到4。如果土壤体积的25%是水，那么ε将近11-12。对农业土壤来说，ε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。 ε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ε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ε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