我國是一個(gè)水資源緊缺的農(nóng)業(yè)大國,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需用水量大,充足的土壤水分是保障農(nóng)業(yè)高產(chǎn)的重要支撐力量。隨著水資源的日益緊缺,節(jié)水農(nóng)業(yè)的進(jìn)行刻不容緩。此外,土壤水分含量也與泥石流、山體滑坡、洪澇等災(zāi)害息息相關(guān)。因此,及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)土壤水分含量,對(duì)作物的生長、地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警等方面有至關(guān)重要的作用。目前對(duì)土壤水分監(jiān)測(cè)的方法主要是通過人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,或通過探測(cè)儀器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,但是測(cè)量精度相對(duì)不足,缺少智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。針對(duì)上述問題,為達(dá)到對(duì)土壤水分進(jìn)行快速準(zhǔn)確地采集和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的,本文通過對(duì)土壤水分監(jiān)測(cè)方法、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行研究分析,提出土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究。本文設(shè)計(jì)的土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為探測(cè)終端和監(jiān)控終端兩部分,通過對(duì)土壤的介電特性進(jìn)行理論分析,確定采用駐波率法作為土壤含水量的測(cè)量方法并完成測(cè)量頻率的選擇。根據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)所需的實(shí)際情況對(duì)探測(cè)終端的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,完成探測(cè)終端的硬件與軟件設(shè)計(jì)。采用多組金屬圓環(huán)作為感知探頭進(jìn)行多深度監(jiān)測(cè),并對(duì)環(huán)形金屬探頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析與參數(shù)優(yōu)選;采用DDS技術(shù)和時(shí)分多路檢測(cè)法對(duì)探測(cè)終端的信號(hào)源和檢測(cè)電路進(jìn)行設(shè)計(jì);采用太陽能供電的方式為探測(cè)終端供電;采... 

【文章來源】：長春理工大學(xué)吉林省

【文章頁數(shù)】：81 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

介質(zhì)的色散和損耗

17圖2.3介電常數(shù)、損耗角正切與角頻率的關(guān)系2.2.3土壤介電特性現(xiàn)代物理理論范疇中，電介質(zhì)不僅囊括各類非金屬物質(zhì)，同時(shí)規(guī)定部分特定金屬可以歸屬于電介質(zhì)范疇。這就可以判定，土壤必然歸屬于電介質(zhì)范疇，同時(shí)由于其構(gòu)成相對(duì)復(fù)雜，因此其同樣屬于較為繁冗復(fù)雜的電介質(zhì)類型。土壤是由土壤顆粒、空氣和水組成的多孔介質(zhì)。土壤由于構(gòu)成復(fù)雜，質(zhì)地往往有所差異，因此介電常數(shù)必然有所不同，具體數(shù)值分布可見表2.1。常溫下，土壤中淡水介電常數(shù)為81，其他物質(zhì)除濕砂以及少數(shù)頁巖以及粘土外，其余介電常數(shù)均低于10。由此可知，在固定范圍內(nèi)，水介電常數(shù)極為顯著。因此對(duì)于土壤介電常數(shù)進(jìn)行認(rèn)知時(shí)，理應(yīng)明確其主要基于含水量進(jìn)行判斷[56]。表2.1土壤主要成分的介電常數(shù)表土壤中介電物質(zhì)溫度介電常數(shù)空氣01淡水2581濕砂2520~30頁巖255~15干砂253~5石灰?guī)r257~9粘土255~40干土254~8瀝青253~5石英254.3

19Dobson表征的是土壤的介電混合模型，表達(dá)式為：1"1(1)abasvfvvs"mm（2-12）式中，s為土壤內(nèi)固體顆粒物的介電常數(shù)；b為土壤容重；s為土壤中固態(tài)物質(zhì)的密度；"fv為土壤中水的介電常數(shù)實(shí)部。Dobson半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ碗m然在準(zhǔn)確性與實(shí)效性方面表現(xiàn)出色，然而其問題在于理論流程過于繁冗，具體實(shí)踐過程中，更是需要展開相對(duì)應(yīng)的大量儲(chǔ)備，測(cè)量以及計(jì)算各類數(shù)據(jù)情況。同時(shí)亦是需要對(duì)于質(zhì)量體積等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行過大假設(shè)處理，極大增加了測(cè)量工序并提高了測(cè)量成本。2)測(cè)試頻率的影響針對(duì)土壤介電常數(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，信號(hào)源通常選擇電磁波脈沖或連續(xù)信號(hào)，受到電場(chǎng)影響，介質(zhì)內(nèi)正/負(fù)電荷會(huì)反向偏移出現(xiàn)極化，然而極化過程不可避免占用相應(yīng)時(shí)間，介電常數(shù)受電磁波頻率影響[58]。若測(cè)量頻率較低，介電常數(shù)為實(shí)數(shù)，隨著測(cè)量頻率的不斷升高，分子固有極化相較外場(chǎng)波動(dòng)而言明顯滯后，介電常數(shù)為復(fù)數(shù)，為角頻率函數(shù)。()"()j"()（2-13）式中，"()為復(fù)土壤介電常數(shù)的實(shí)部，反映土壤的相對(duì)介電常數(shù)；"()為復(fù)土壤介電常數(shù)的虛部，反映介質(zhì)的損耗。水分介電常數(shù)與波長關(guān)系如圖2.4所示，土壤水分在受外電場(chǎng)作用下，必然出現(xiàn)強(qiáng)烈極化。波段λ處于0.1m-1m范圍內(nèi)（即頻率處于300MHz-3GHz范圍內(nèi)），水的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部"會(huì)發(fā)生明顯改變，波段λ處于1m-3m范圍內(nèi)（即頻率為100MHz-300MHz范圍內(nèi)，含義同上），"沒有明顯改變。圖2.4水分介電常數(shù)與波長關(guān)系

【參考文獻(xiàn)】：
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