路基土壤含水量微波檢測系統的設計研究

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收發器設計

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

圖2 TR收發器系統結構框架

VCO采用VC－2R8A50模塊，發射頻率2.0GHz，輸出功率－10dBm，作為信號發生器。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，可調節相移范圍0－100deg。用來調節參考信號相位，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 系統軟硬件

系統硬件由平行微帶線、TR收發器、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UART、I2C、SPI、ADC等功能，以便采集TR收發器模擬電壓信號并轉為數字信號存儲。整個系統簡單可靠。

系統軟件采用ADS1.2作為開發平臺，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內核操作系統移植，打破傳統單片機循環語句式的調度策略，將系統分為多功能模塊，包括：操作系統移植、內存管理、隊列管理、協議棧主循環、設備驅動等。系統采用多任務管理，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

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的設計實現。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。

［1］JIANG Yuying，ZHANG Yuan，GE Hongyi.Study on microwave measurement for grain moisture content in grain depot［J］.Computer Engineering and Applications，2010，46 （29）：239－241 （in Chinese）.［蔣玉英，張元，葛宏義.微波檢測糧倉儲糧水分技術的研究 ［J］.計算機工程與應用，2010，46（29）：239－241.］

［2］TAN Hanhua1，FU Helin.Testing study of application of time domain reflectometry to highway slope monitoring ［J］.Rock and Soil Mechanics，2010，31 （4）：1331－1334 （in Chinese）.［譚捍華，傅鶴林.TDR技術在公路邊坡監測中的應用試驗［J］.巖土力學，2010，31 （4）：1331－1334.］

［3］LIU Yu，HU Chun，ZHANG Lin.3Dgeological modeling based on GPR data and CATIA ［J］.Engineering Journal of Wuhan University，2010，43 （4）：458－461 （in Chinese）.［劉瑜，胡純，張琳.基于GPR試驗數據和CATIA的三維地質建模［J］.武漢大學學報，2010，43 （4）：458－461.］

［4］WU Changying，DING Jun.Measurement of dielectric properties of dielectric resonator at microwave frequency ［J］.Measurement and Control Technology，2008，27 （6）：95－99 （in Chinese）.［吳昌英，丁君.一種微波介質諧振器介電常數測量方法 ［J］.測控技術，2008，27 （6）：95－99.］

［5］ZHANG Shue，XIONG Hua.Error analysis and improvement of microwave resonant cavity method in steam turbine exhaust wetness measurement［J］.Journal of North China Electric Power University，2007，34 （4）：22－26 （in Chinese）.［張淑娥，熊華.諧振腔測量蒸汽濕度不確定性分析改進 ［J］.華北電力大學學報，2007，34 （4）：22－26.］

［6］LI Zhihua，PAN Ruilin.Research on the method of sub grade stability none－damaged testing ［J］.Journal of Railway Engineering Society，2007，（2）：29－32 （in Chinese）.［李志華，潘瑞林.路基穩定性無損檢測方法技術研究 ［J］.鐵道工程學報，2007 （2）：29－32.］

［7］Hoefer JR.The transmission line matrix method－theory and application［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2008，33 （10）：882－890.

［8］XUE Qianzhong，ZUO Yuan，HAN Bing.A new algorithm for the measurement of complex permittivity and permeability ［J］.Journal of Microwaves，2010，32 （8）：585－588 （in Chinese）.［薛謙忠，左元，韓冰.復介電常數和磁導率測量的新方法［J］.微波學報，2010，32 （8）：585－588.］

［9］RUAN Kaizhi，WEI Gao.Research for measurement of complex permittivity using short－reflection method ［J］.Measurement and Control Technology，2010，29（12）：97－100 （in Chinese）.［阮開智，韋高.短路反射法測量復介電常數的研究［J］.測控技術，2010，29 （12）：97－100.］

［10］Gadani D H，Vyas A D.Measurement of complex dielectric constant of soils of gujarat at X－and C－band microwave frequencies ［J］.Indian Journal of Radio ＆Space Physics，2008，37 （12）：221－229.

［11］Topp J，Davis L.Measurement in coaxial transmission lines［J］.Water Resources Research，2008，16 （3）：574－576.

［12］Kawalec，Pasternak M.Microwave saw humidity sensor microwaves ［J］.IEEE Radar and Wireless Communications，2006，31 （12）：662－664.

［13］WEI Zhiqiang，LIU Zushen，HUANG Wu.Design of wideband discrete VCO with low phase noise ［J］.Journal of Electronic Measurement and Instrument，2011，25 （9）：818－822 （in Chinese）.［魏志強，劉祖深，黃武.寬帶低相噪分立VCO的設計［J］.電子測量與儀器學報，2011，25 （9）：818－822.］

［14］XU Xingou，SHU Ning，LI Lei.Water content information extraction from quad－polarization SAR images via Freeman－Durden decomposition［J］.Computer Engineering and Applications，2010，46 （27）：17－19 （in Chinese）.［徐星歐，舒寧，李磊.Freeman－Durden分解方法提取雷達影像含水量信息 ［J］.計算機工程與應用，2010，46（27）：17－19.］

［15］LIN Haijun，TENG Shaosheng.Error compensation for digital temperature sensor based on RBF neural network ensemblesfuzzy weighing output ［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2011，32 （2）：1676－1680 （in Chinese）.［林海軍，騰召勝.基于RBF神經網絡集成模糊加權輸出的數字溫度傳感器 誤 差 補 償 ［J］. 儀 器 儀 表 學 報，2011，32 （2）：1676－1680.］