基于TDT原理的灌木水分传感器探头设计与实验-农业机械学报.PDF

２０１４年 ５月 农 业 机 械 学 报 第 ４５卷 第 ５期 ｄｏｉ：１０．６０４１／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１２９８．２０１４．０５．０４０ 基于ＴＤＴ原理的灌木水分传感器探头设计与实验 １ １ ２ １ 王海兰 　张　新 　盛文溢 　赵燕东 （１．北京林业大学工学院，北京 １０００８３；２．中国农业大学信息与电气工程学院，北京 １０００８３） 摘要：根据时域传输 ＴＤＴ法，设计了灌木茎体含水率测量装置。装置由高频信号源、同轴传输线、缠绕式探头及相 位比较电路４部分组成。高频电磁波在不同介质中的传播速度不同，表现为在不同介质中的传播相位不同，而含 水灌木介电常数的大小主要取决于其含水率的大小，因此通过测量电磁波在同轴电缆上 Ａ和缠绕于灌木茎体上探 头 Ｂ的相位差来获取灌木的含水率。选择吸水棉棒来模拟不同含水率的灌木，研究高频信号源工作频率、探头结 构对相位差的影响。实验表明，当探针长度为６０ｃｍ，信号源频率为５０ＭＨｚ和 １００ＭＨｚ时，Ａ、Ｂ两路电磁波信号的 相位差与棉棒吸水率变化呈单调性，且具有良好的相关性。 关键词：灌木　水分传感器　探头结构　时域传输原理　测量 中图分类号：Ｓ２３７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００１２９８（２０１４）０５０２５９０６ 　　引言 １　灌木含水率测量原理 基于时域传输原理（ＴＤＴ）的灌木茎体水分测量 水分是影响植物生长发育的重要环境因子。各 原理如图１所示。该系统由高频信号源、同轴传输 种植物从环境中不断吸收水分以满足正常生命活动 线、缠绕式探头和相位比较器４部分组成。 的需要。环境水分紧张必然会引起植物本身的水分 紧张，植物体内总含水量在一定程度上反映植物适 应干旱环境的能力。而植物范畴之一的灌木，还作 为农作物生产系统中一种重要的可再生生物资源， 具有来源广、数量大等特点。研究灌木体含水量对 森林生态系统恢复和可再生资源合理利用，具有重 ［１］ 要的意义 。 图１　ＴＤＴ灌木茎体水分传感器测量原理图 多年来，国内外许多科学工作者为了深入研究 Ｆｉｇ．１　ＢｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆＴＤＴｓｔｅｍｍｏｉｓｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒ 植物体的水生理特性，尝试了多种方法去测量植物 　 高频信号源产生的电磁波信号分成两路：一路 含水率，如直接干燥法、电阻法和介电常数法等。干 通过同轴传输线直接送到相位比较器的Ａ端，其传 燥法所测数值准确，可作为相关仪器的标定，但其在 输时间Ｔ′及其相位都是确定值，作为稳定电磁波相 取样 中会对植物有较大伤害，无法实现在线测 ［２－６］ 位比较的基准。另一路信号通过传感器探头后输入 量 。电导法测量植物体含水率存在局限性，灵 相位比较器的Ｂ端，再与从 Ａ端送来的正弦波相位 敏度欠佳，并且植物组织的相对含水率与电阻值的 ［７］ 基准信号进行相位比较。初始状态（即探针在空气 联系并不紧密 。介电常数法是 目前使用最为广 中）时，两路信号有着一个基准相位差，当探针缠绕