土壤水分记录仪中电场法测量含水率的原理

      土壤是干土、水分和空气三者组成的混合物。由于水的介电常数比干土高几十倍，土壤含水率直接影响土壤的介电常数。在高频电场作用下，土壤的阻抗随土壤含水率的变化而变化。通过检测阻抗的变化，实现对土壤含水率的检测，土壤水分记录仪中电场法测量含水率的原理示意图如图1。

　　在图1中，探针之间的土壤在高频信号作用下等效于随含水率变化的阻抗，含水率越大，土壤水分记录仪测出的阻抗越小，该阻抗相当于信号源的负载。当负载相对于信号源内阻不能忽略时，信号源输出的幅值将发生变化，土壤水分记录仪通过测量信号源的幅值变化，可以得出土壤含水率。
　　当不同频率的信号源作用于相同土壤时，土壤表现出不同的阻抗特性。给出了土壤的阻抗特性，当频率低于20 MHz时，土壤阻抗很大，含水率对土壤阻抗影响很小，灵敏度很低，当频率在280 MHz时，土壤阻抗很小，含水率对土壤阻抗影响很大。利用安捷伦高频信号发生器(E8257C)，分别用频率为10～120 MHz(步长10 MHz增加)，空载电压幅值3.3 V的正弦信号，测定相同土壤的不同含水率下的电压输出值。比较电压测量值与含水率的线性关系以及稳定性，并考虑到高频发生电路实现的难易程度及功耗，选择频率为50 MHz，幅值为3.3 V，内阻与土壤的阻抗在同一个数量级的正弦波作为信号源。
    由于土壤水分记录仪只考虑土壤的阻抗随含水率的变化，而忽略其感抗与容抗，因此不需检测信号源输出的相位的变化，只需检测信号源幅值的变化。将检测到的电压信号进行整流滤波，用A/D转换器实现信号输出的检测。
      以上就是土壤水分记录仪中应用电场知识测量土壤含水量的原理。