测量原理

本测量系统由高频信号发生电路、传输线、探针、检波电路、信号处理电路和显示电路组成。高频振荡器发出一个高频信号，然后经过传输线传递到探针，由于探针阻抗与土壤阻抗不匹配，故将造成一部分信号沿传输线发射回去，从而在传输线上形成驻波。使传输线上各点电压不相同。而传输线两端的电压主要是由土壤水分决定的，当土壤含水率改变时．阻抗就会发生变化，进而引起驻波比的变化，最终使传输线两端的电压也产生变化。因此，通过测量传输线两端的电压变化就可以测得土壤水分相应的变化。这样，用检波电路调理传输线两端的电压，再将其电压信号通过A／D转换送入单片机进行处理，最后将结果显示在液晶显示模块上。

2 硬件结构及功能

该土壤水分测量仪的结构框图如图1所示。该系统的主要功能是完成对传感器信号的采集、处理、显示和控制。从传感器得到一个电压信号，通过检波电路得到电压信号的峰值，再将其经过A／D转换送入单片机进行处理，最后将得到的结果显示在液晶模块上。

2.1? 传感器

本系统中传感器的等效电路如图2所示。在图2中，Eg为高频信号源电动势；Rg是信号源的内阻；Z1是传输线的阻抗；ZL是土壤探针的阻抗；R1、G1和C1分别表示传输线上的分布电阻、电导和电容。这样，根据传输线理论，可得到A点的峰值电压为：U_a=A(1+ρ)；而如果传输线长度为电磁波波长的四分之一，则B点的峰值电压为：

U_b=A(1-ρ)，所以，A、B两点的电压差为△U_AB=2Aρ。其中，ρ为传输线在A点的反射系数，可用表达式来表示。

当传感器的探针插入土壤时，ZL主要由土壤介电常数决定，它可随着土壤水分的变化而变化，从而使传输线输出电压△U_AB产生变化。因此，通过测量传输线两端的电压差就能间接得到土壤水分的含量。

本测量系统的高频信号采用100 MHz的正弦波信号，传输线采用同轴电缆．探针采用不锈钢制成。100 MHz信号发生电路如图3所示。

图3采用0X30系列MP3030型集成晶体振荡器。该振荡器的频率范围为10～160 MHz，电源电压为+5 V，在引脚5和引脚2之间可连接一个20kΩ的可调电阻，可通过引脚l来调节阻值，以得到100 MHz的正弦波信号，并通过引脚4输出。

运算放大器芯片选用AD829。AD829是一款低噪、高性能高速运算放大器，压摆率230 V／μs，750 MHz的增益带宽积，±15 V供电，输出电压最大幅值可达28VPP，满足系统对电压信号峰值检测的要求。