土体介电常数及其与含水量和等效电容值的关系

土体由固体物质、空气、水组成,土中固体物质的介电常数为4,空气的介电常数为1,水的介电常数在常温下为81。水的介电常数远大于土中固体物质和空气的介电常数,因而土体的介电常数主要由土体中水含量的多少决定。由经验公式,土体的介电常数与土体的体积含水量成正比关系。基于频域反射法(FDR)设计的传感器电路主要原理是建立土体含水量和电路有效输出电压间的关系式,将该关系式写入单片机程序中,测量出有效电压的输出值后就可以实时转化为含水量的值。

基于频域反射法设计的传感器电路主要包括3个部分,即激励电路、运放调理电路、单片机采集电路等。激励电路得到土壤含水量对应的有效电压输出值,经测量在1.2～2V,电压值过小,因而加入了运放调理电路,将激励电路的有效输出电压进行差分放大,再接入单片机的相应端口进行模数转换。

激励电路主要是要建立土壤含水量与有效输出电压间的关系。将传感器的探针插入土体后,探针和中间的土壤就构成了一个等效电容。土壤的含水量升高时其介电常数会增大,而等效电容值与土体的介电常数建立归一化的拟合相关关系,即

式中 Fs——土体中所测量的频率;

Fa——空气中所测量的频率;(www.xing528.com)

Fw——水中所测量的频率。拟合输出频率与含水量之间的关系为

SF=a Wb+c

式中 a、b、c——土体含水量与输出频率的相关系数,由多组土体交叉分析确定。