附加电阻法高频电容土壤水分测试技术研究

摘要

随着工农业经济的迅速发展，水资源危机成为越来越严重的问题，而且已经影响到人们的生活质量，成为制约社会进步和经济发展的重要因素。据统计，2007年全国用水量为5819亿m3，其中，农业用水为3602亿m3，占61.9％；工业用水为1402亿m3，占24，1％；家庭用水为710亿m3，占12.2％；生态与环境补水为105亿m3，占1.8％。节约用水、尤其是农业节水灌溉对于进一步提升水资源的可持续利用和我国可持续经济社会发展具有现实意义。农业节水灌溉需要快速测量土壤水分含量，因此，土壤水分含量检测具有十分重要的长远战略性意义。 目前土壤水分检测方法主要有以下几种：卡尔菲斯法、重量法、张力计法、中子辐射法、TDR法、FDR法、红外线遥感法、石膏法、电容法、电阻法和SWR法等。但是这些方法有的只能在实验室应用；有的性能虽好，但是价格昂贵。而电容法检测土壤水分含量的优点是显而易见的，如低成本、容易构建、动态范围宽等。所以，基于电容传感器的土壤水分测试方法在广大的农村推广应用是可行的。 电容土壤水分传感器是依据土壤中不同成分介电常数的巨大差异而实现的，因此可构建基于土壤介电特性的电容传感器来测量土壤水分含量。土壤水分含量的变化引起传感器电容的改变，当传感器电容确定之后，土壤水分含量也得到确定。根据土壤的介电特性，土壤电容传感器除了本身的有效电容外，还存在一定的介质损耗，相当于电阻损耗。为了获得电容土壤水分传感器的电容分量，通常的方法是减小损耗的影响，但是实际上这并不能从根本上消除固有的损耗。为此，作者提出了一种基于附加电阻的高频电容土壤水分传感器的电容求解方法，通过数学计算精确地求出土壤水分含量。 论文分析了土壤的介电特性，阐述了利用引入附加电阻的方法在高频信号下求解土壤电容传感器的电容值，进而得到土壤水分含量快速测试的新型方法。基于上述原理，作者研制了测量土壤水分的平行板电容传感器，开发了一套单片机控制的基于附加电阻的高频电容土壤水分信号采集处理系统，该系统操作方便，响应快，测试数据直接在显示器上显示，结果准确。同时该系统扩展有上位机处理功能，利用LabVIEW强人的数据处理能力，实现实时数据处理并显示测量结果。为了验证该方法的可行性，论文进行了实际士样含水量测试实验，结果表明：应用此方法获得的土壤水分电容传感器的电容值误差小，精度高；土壤水分含量与土壤水分电容传感器的电容值近似成线性关系。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1 文献综述

1.1 课题研究目的和意义

1.2 国内外研究情况概述

1.3 土壤水分测试方法

1.3.1 烘干法

1.3.2 张力法

1.3.3 中子法

1.3.4 近红外线法

1.3.4 介电特性法

1.3.5 电容传感器法

1.4 主要研究内容

2 土壤水分检测机理

2.1 土壤水分构成

2.2 土壤与水分关系

2.3 士壤介电特性

2.3.1 介质物理

2.3.2 复介电常数

2.3.3 土壤介电特性

3 附加电阻法高频电容土壤水分检测技术

3.1 高频电容传感器土壤模型

3.2 附加电阻法测量土壤水分模型

3.3 频率选择

3.3 温度设定

4 附加电阻法高频电容土壤水分测定仪设计

4.1 高频电容传感器结构设计

4.1.1 电容传感器

4.1.2 平行板电容传感器结构设计

4.2 检测电路设计

4.2.1 系统分析

4.2.2 单片机选型与电路设计

4.2.3 附加电阻接入电路

4.2.4 信号调理

4.2.5 模数转换

4.2.6 液晶显示电路

4.2.7 CP2102 接口

4.3 软件设计

4.3.1 软件编程思想

4.3.2 程序设计

4.3.3 上位机程序设计

4.4 土壤水分传感器改进措施

4.4.1 环境温度

4.4.2 边缘效应

4.4.3 寄生电容

5 土壤水分测定实验与数据分析

5.1 阻容并联模型仿真实验及分析

5.2 实测土壤水分实验与分析

5.2.1 实验条件与材料

5.2.2 实验步骤

5.2.3 数据及其分析

6 总结与建议

6.1 总结

6.2 创新点

6.3 建议

参考文献

研究生期间发表论文