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土壤水分記錄儀中電場法測量含水率的原理
土壤是干土、水分和空氣三者組成的混合物。由于水的介電常數比干土高幾十倍,土壤含水率直接影響土壤的介電常數。在高頻電場作用下,土壤的阻抗隨土壤含水率的變化而變化。通過檢測阻抗的變化,實現對土壤含水率的檢測,土壤水分記錄儀中電場法測量含水率的原理示意圖如圖1。
在圖1中,探針之間的土壤在高頻信號作用下等效于隨含水率變化的阻抗,含水率越大,土壤水分記錄儀測出的阻抗越小,該阻抗相當于信號源的負載。當負載相對于信號源內阻不能忽略時,信號源輸出的幅值將發(fā)生變化,土壤水分記錄儀通過測量信號源的幅值變化,可以得出土壤含水率。
當不同頻率的信號源作用于相同土壤時,土壤表現出不同的阻抗特性。給出了土壤的阻抗特性,當頻率低于20 MHz時,土壤阻抗很大,含水率對土壤阻抗影響很小,靈敏度很低,當頻率在280 MHz時,土壤阻抗很小,含水率對土壤阻抗影響很大。利用安捷倫高頻信號發(fā)生器(E8257C),分別用頻率為10~120 MHz(步長10 MHz增加),空載電壓幅值3.3 V的正弦信號,測定相同土壤的不同含水率下的電壓輸出值。比較電壓測量值與含水率的線性關系以及穩(wěn)定性,并考慮到高頻發(fā)生電路實現的難易程度及功耗,選擇頻率為50 MHz,幅值為3.3 V,內阻與土壤的阻抗在同一個數量級的正弦波作為信號源。
由于土壤水分記錄儀只考慮土壤的阻抗隨含水率的變化,而忽略其感抗與容抗,因此不需檢測信號源輸出的相位的變化,只需檢測信號源幅值的變化。將檢測到的電壓信號進行整流濾波,用A/D轉換器實現信號輸出的檢測。
以上就是土壤水分記錄儀中應用電場知識測量土壤含水量的原理。
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