土壤LF-UHF波段介电特性与含水量频域测定方法研究

【摘要】土壤含水量的准确测定是农业工程学科的重要研究内容之一。土壤含水量测定方法很多，其中频域介电传感器以其成本低廉、容易实现自动化等特点，现已成为土壤水分自动化监测的主要设备。然而，土壤频域介电传感器的测量精度和适应性还有待提高，其原因主要是土壤频域介电特性的复杂性，因此开展土壤频域介电特性研究不仅能丰富土壤介电特性理论，对提高土壤频域介电传感器精度和适应性等都有重要意义。本文研究了土壤极化机理，分析了探头结构对土壤介电常数测量的影响，确定了一种10mm间距、28mm长的7针探头，应用矢量网络分析仪，对4种土壤进行了LF～UHF（1MHz～3GHz）频段介电特性研究，分析了不同质地、不同含水量、不同温度和不同含盐量情况下的复介电常数和表观介电常数频谱特性，研究了1M～3GHz频段内土壤极化弛豫过程和机理，确定了土壤水分介电测量的理想频段；研究了温度、盐分等对土壤混合极化、传导电流的影响，分析了土壤不同测量频段的极化特点及完全干燥土壤的介电噪声等问题。在上述研究基础上，结合电磁测量理论，开发了75MHz新型土壤水分传感器，经过测试，其精度和适应性较高，具有很好的应用潜力。本文研究主要结论如下：（1）土壤介电谱测量受探头结构影响。探针间距对土壤介电特性影响较小，而探针长度会影响土壤弛豫频率的变化，在一定程度上影响土壤介电常数测量理想频段范围，是影响土壤介电谱测量的重要因素之一。探头外围探针越多，探头电磁场分布越接近于同轴结构的电磁场，其土壤介电常数测量精度越高。（2）土壤介电常数与土壤含水量有密切关系，但在不同频段其特性有较大差异。在低频段，土壤复介电常数实部随频率增大而迅速减小，随着频率的进一步增大，其复介电常数实部随频率变化逐渐减缓。研究表明，复介电常数实部在60.6MHz～130MHz，表观介电常数在62MHz～130MHz频段内，其介电常数值受测量频率影响较小，仅与土壤含水量有关，是土壤含水量频域测量的理想频段。（3）土壤粘粒含量和颗粒间界面极化是影响土壤介电特性的重要因素，两者相互作用，43.5MHz～237MHz频段内土壤质地对其介电特性影响较小。（4）通过4种烘干后土壤介电谱研究发现，界面极化对土壤介电特性影响较大。由于土壤的颗粒状结构特点，其在21MHz～1.18GHz范围内的频谱中有较大的介电噪声，其原因主要由土壤界面极化和探针周围气隙引起。在实际应用中，应避免介电噪声的影响。（5）土壤温度影响土壤极化率及离子的热运动，两者在不同温度、不同频段下的强弱关系，影响了土壤的介电特性。低于某频段时，受离子热运动和土壤松弛极化影响，土壤复介电常数实部随温度升高而升高；而在高于某频段时，由于离子热运动加剧，土壤复介电常数实部随温度升高而降低。复介电常数实部在47MHz～146MHz，表观介电常数在50MHz～110MHz频段内，其测量值受温度影响较小。（6）土壤含盐量影响土壤带电离子数量，在相同土壤含水量情况下，含盐量增大，其复介电常数虚部因土壤电导的增大而增大。土壤复介电常数实部仅与土壤水分子数量有关，故其受土壤含盐量影响较小。土壤复介电常数实部是盐渍土进行土壤水分测量的理想参数。在43.5MHz～139MHz频段内，土壤表观介电常数测量值受土壤盐分影响较小，是盐渍土水分测量的理想频段。（7）综合土壤含水量、质地、温度和含盐量对土壤介电特性的影响，复介电常数实部在61MHz～130MHz，表观介电常数在62MHz～110MHz频段内，其测量值受土壤质地、温度和含盐量影响较小，是土壤介电常数频域测量的理想频段。考虑到土壤含水量精确测量要求，75MHz是土壤含水量频域介电测量的最佳频率。在75MHz时，土壤复介电常数实部与土壤含水量的决定系数值R2为0.9557，其均方根误差RMSE为0.013；表观介电常数与土壤含水量的决定系数值R2为0.9223，其均方根误差RMSE为0.021，两者与土壤含水量均有很好的相关关系。（8）包括饱和、空气中干燥后等特殊状态在内，土壤弛豫频率在不同土壤质地、不同温度、不同含盐量情况下与土壤含水量有较强的相关关系，其决定系数值R2为0.9693，其均方根误差RMSE为0.021。研究表明，弛豫频率法是提高土壤含水量测量精度和适用性的另一理想频域介电方法。（9）根据土壤介电特性研究成果，研制了75MHz工作频率的土壤频域介电传感器。通过测试，其具有稳定性好，测量精度高等优点，是适用于不同土壤含水量测量的新型传感器。
【作者】许景辉；
【导师】马孝义；
【作者基本信息】西北农林科技大学，农业电气化与自动化，2014，博士
【关键词】土壤介电特性；土壤含水量；频域测量；土壤极化；

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