路基土壤含水量微波檢測系統(tǒng)的設計研究

張 勇，劉 策，郭 晨，李 婷

（長安大學 信息工程學院，陜西 西安710064）

0 引 言

電磁無損檢測技術是一種新型含水量檢測方法，它是通過測量待測土壤的電特性而求得含水量的技術，具有非接觸、無損耗、實時性強等優(yōu)點［1］。目前，國內外采用的方法包括：電容傳感法、諧振腔法、時域反射法［2］、探地雷達法等［3］。

諧振腔傳感器具有一個諧振腔體，通過諧振器內電場變化改變諧振頻率、Q值［4］，求得含水量。諧振腔傳感器頻帶窄，易產生頻點漂移［5］。電容法通過電介質中等效電容與介電常數的比例關系測量含水量，電容傳感器對土壤類型要求高，對含鹽量敏感，不適合高鹽分土壤測量。時域反射法的探針結構復雜，探針無法做到非接觸測量，待測物損壞程度大。另外，探針包含直流信號分量，對高金屬含量高鹽分土壤電導率高，無法準確測量。探地雷達測量目標范圍大，測量精度差，電子設備精密，結構復雜，系統(tǒng)功耗大，持久性差，無法適應長時間準確探測。

上述各種方法均不適合路基含水量檢測，作為道路路基含水量檢測，需要一款測量準確、功耗低、結構簡單、實時性強、耐高鹽量土壤的傳感器［6］。

文章提出一種基于相位檢測法的新型平行微帶線傳感器。測量原理利用土壤含水量與土壤介電常數之間線性關系。土壤含水量變化可以通過介電常數反應，介電常數改變又影響電磁波在微帶傳輸線中傳輸速率，通過與參考信號作對比，得到二者相位差。通過相位差求得土壤含水量。該傳感器結構簡單，測量精度高，實時性強，土壤類型要求低，成本低，功耗小，適合路基土壤長期監(jiān)測。

1 測量模型

依據傳輸線理論，由傳輸線波動方程［7］，2E（r）－kE2（r）＝0得公式

式中：k——傳播常數，β——相移常數，α——衰減常數，ε＊——復介電常數，μ——磁導率，其中μ＝μ0

復介電常數［8］

式中：εr——相對介電常數，σ——電導率。

式 （3）代入 （1）

將 （4）代入 （5），得到相位常數

式 （6）中，λ0自由空間波長，在2G頻率下，損耗角正切tanδ［8］遠小于1，因此上式簡化為

相移θ與相位常數β關系如式 （8）

其中εeff等效介電常數［9］

式中：h——基板的高度，w——微帶平行線寬度。

2 傳感器設計

傳感器設計分別從土壤介電常數、穿透深度和鹽含量幾方面考慮。

干燥土壤相對介電常數3－5、水為80，飽和潮濕土壤為30［10］，潮濕土壤相對介電常數范圍在3－30，介電常數因土壤含水量和含鹽量不同而不同。

傳感器工作頻率為2GHz，電磁波波長約15cm，電磁場能夠穿透到待測介質中，穿透深度取決于介質中水分子多少及分布狀況［11］。傳感器不僅可以測量土壤表面的含水量，待測土壤中的含水量也可以有效測量。另外，穿透深度也受信號源功率控制，功率越大穿透深度越深。

傳感器工作頻段較低，鹽含量對土壤介電常數的影響可忽略，鹽溶解于水后的離子對電導率不會有任何影響［12］。水的介電常數很大，影響介電常數的主要因素是土壤含水量，土壤鹽等礦物質含量在此頻段對測量產生影響可忽略。

2.1 平行微帶線設計

傳感器采用平行板微帶線結構印刷電路板 （PCB），PCB的上、下面為平行微帶線，線兩頭端口為發(fā)射端和接收端 （連接同軸線），如圖1所示。將傳感器插入土壤后可測量含水量。

圖1 平行微帶線結構

微帶線設計有以下幾方面：微帶線長度應選擇初始相位差為kπ（k為整數），以發(fā)揮最大測量范圍。其次，微帶傳輸線的長度和寬度應考慮到阻抗匹配，普通微帶線阻抗50ohm。最后，考慮鑒相器AD8302的有效斜率，且微帶傳輸線超前和滯后相位不能辨別，因此，微帶線相位有效范圍應在20－150deg（包括同軸線相移）。

綜上，根據式 （8）、（9）可通過有效相位范圍計算出微帶傳輸線最大有效長度l＝2L＝70mm，微帶線寬度w＝3mm。PCB采用1.6mm厚，相對介電常數εr＝4.5的RF4PCB，達到阻抗匹配，表面層可加綠色阻焊。

2.2 TR收發(fā)器設計

TR收發(fā)器結構如圖2所示，主要有壓控振蕩器（VCO）［13］、鎖相環(huán) （PLL）、相移器、鑒相器組成。

圖2 TR收發(fā)器系統(tǒng)結構框架

VCO采用VC－2R8A50模塊，發(fā)射頻率2.0GHz，輸出功率－10dBm，作為信號發(fā)生器。輸出信號分二路，一路接頻率合成器LMX2310U組成PLL電路，然后輸出微帶線傳感器用作探測信號；一路接相移器和鑒相器用作參考信號。探測信號與參考信號通過鑒相器AD8302形成相位差并轉化為相應模擬電壓輸出。TR收發(fā)器與傳感器分別制成不同的PCB（用同軸線連接）或分屬不同層制成插板。使用時，將平行微帶線直接插入待測土壤，TR收發(fā)器兩邊套塑料薄膜層加以保護。

鑒相器AD8302最高頻率可達2.5GHz，輸入功率0－60dBm，相位探測精度為10mV／deg，最大探測有效范圍0－180deg。壓控振蕩器VCO輸出功率－10dBm，而AD8302功率－60dBm。因此，平行微帶線的衰減不得超過50dB。壓控相移器PS214－315，可調節(jié)相移范圍0－100deg。用來調節(jié)參考信號相位，并校準初始相位為kπ（k為整數），以保證相位差在AD8302有效線性量程范圍內。

2.3 系統(tǒng)軟硬件

系統(tǒng)硬件由平行微帶線、TR收發(fā)器、讀寫控制器和計算機三部分組成，結構如圖3所示。讀寫控制器采用ARM7TDMI－S核單片機LPC2114。系統(tǒng)板上設計有JTAG接口、ISP編程功能方便程序下載仿真。板上設計復位鍵、LED、RS232串口等常用功能部件。存儲部分采用256K字節(jié)的片內FLASH，16K的SRAM，無需擴展存儲器即可存儲含水量信息。通信部分開發(fā)UART、I2C、SPI、ADC等功能，以便采集TR收發(fā)器模擬電壓信號并轉為數字信號存儲。整個系統(tǒng)簡單可靠。

系統(tǒng)軟件采用ADS1.2作為開發(fā)平臺，并集成了ARM匯編器、ARM C編譯器、Thumb C／C＋＋編譯器、AXD調試器。軟件采用匯編器、C等多種語言構架，如圖4所示。μC／OS－II內核操作系統(tǒng)移植，打破傳統(tǒng)單片機循環(huán)語句式的調度策略，將系統(tǒng)分為多功能模塊，包括：操作系統(tǒng)移植、內存管理、隊列管理、協(xié)議棧主循環(huán)、設備驅動等。系統(tǒng)采用多任務管理，提高并行效率。

3 傳感器仿真

采用電磁HFSS仿真軟件對傳感器進行仿真。

3.1 相位－介電常數仿真

傳感器在2GHz頻率下，對兩個端口的入射損耗s21的相位與待測土壤相對介電常數進行仿真，關系如圖5所示。從圖5看出，根據土壤含水量飽和度不同，干燥土壤介電常數為3，含水量30%飽和土壤為介電常數為30，根據飽和度不同土壤相對介電常數范圍3－30，對應s21相位范圍20－150deg之間。相位與土壤相對介電常數大致成線性關系。

圖5 相位－土壤介電常數關系

3.2 S參數仿真

在1.8－2.2GHz頻率范圍，對微帶線回波損耗和阻抗匹配情況進行仿真。中心頻率2.1GHz，反射損耗s11和入射損耗s21分別為－28.07dB和－0.31dB，如圖6所示，仿真結果表明平行微帶線在此頻段有效，即使因含水量變化產生頻點漂移，傳感器也能有效測量。

圖6 平行微帶線s參數

4 含水量測量結果分析

取一定量路基土壤，放入燒杯中，制成含水量30%的飽和土壤樣本，精確測得飽和土壤總質量。傳感器完全插入燒杯樣本中，持續(xù)恒溫加熱，定時稱重，記錄樣本質量、干燥土壤質量和輸出電壓值。根據式 （10），依次計算含水量［14］

式中：mw——樣本水的質量，md——樣本干燥土壤質量，mm——樣本總質量。

記錄含水量依次為30%、28%…時，傳感器輸出模擬電壓值，結果如圖7所示。從圖7中，可得傳感器相位輸出電壓與土壤含水量大致為線性關系。

圖7 實驗數據結果 （10Mv／deg）

從圖7可以看出圖形為二項式，進行數據擬合，推倒二項式擬合方程。黑點代表記錄值，曲線代表擬合值，二者相吻合。擬合二項式可表示為

η為土壤含水量，R2＝0.997回歸系數。

圖8為傳感器實物圖，左邊為平行微帶線，右邊為TR收發(fā)器。該傳感器測量含水量的瞬時分辨率達到0.5%，每次測量時間小于100ns（包括鑒相器AD8302響應時間），工作頻率2GHz，對土壤類型和鹽分含量不敏感，在實驗中，該微帶線中信號傳導速率僅僅受含水量影響 （不受土壤類型影響），密實度的影響可忽略不計。

圖8 平行微帶線傳感器系統(tǒng)

傳感器實測功率小于140mW，使用普通的鎳鎘或鋰離子電池，能夠持續(xù)數月。該傳感器低功耗，可以在無線傳感器網絡中得以應用。考慮溫度變化導致土壤介電常數輕微漂移，因此，該傳感器需要溫度補償［15］。

平行微帶線與傳統(tǒng)稱重法測量含水量數據對比實驗結果，見表1。

表1 兩種方法測量土壤樣品含水量結果對比 （%）

從表1可以看出，對于配置成標準0－30%含水量土壤樣本，微帶線測量含水量比稱重法更準確，誤差小于1%。但由于水分子影響，隨著含水量增大，微帶線測量誤差增大。

5 結束語

本文提出一種新型微波傳感器系統(tǒng)的設計實現(xiàn)。該傳感器利用土壤含水量變化導致介電常數變化，進而引起傳感器微帶線上電磁波傳播速率變化，從而產生相位差，建立含水量跟相位差的函數關系，通過相位差測得含水量。

傳感器工作頻率為2GHz，采用平行微帶傳輸線結構，系統(tǒng)進行硬件設計與仿真。仿真結果表明該設計相位差取值范圍合理，線性變化明顯。對樣本進行實測，對測量結果采用二項式擬合，建立相位輸出電壓與含水量之間函數關系。與傳統(tǒng)測量方法相比，此傳感器測量精度高、響應時間短、功耗小、持久性強、適合各種土壤類型 （包括鹽漬土），可納入無線網絡。

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