土壤介电特性的研究分析 农业电气化与自动化专业.docx

一、选题的目的和意义我国作为一个农业大国，实行节水灌溉，寻求高效的上壤水分监测是尤为重要的。中国人口占世界的22%,但是淡水资源仅占世界总量的8%,人均水资源占有量仅230Omy年，是世界上人均占有水资源最为贫乏的13个国家之,特别是占面积60%以上的北方地区水资源量竟不足全国总量的20%,有IO个省(市，自治区)的人均水资源占有量低于国际公认的水资源占有量的最低限100Om。我国水资源一方面比较Ig乏，一方面浪费量又是巨大的。我国农业用水占社会总耗水量的80%以上，但是有效利用率很差，日前仅有30%-40%,而先进的发达国家一般都在70%-80%,我国每立方厘米水的粮食生产能力不足1公斤，而一些农业发达国家都在2公斤左右，例如以色列2.35公斤。显然,节水的重头戏是全面快速实施农业技术体系，而节水装备技术是保证节水农业体系实施的关键技术之一。就现代农业而言，土壤含水量直接影响到作物生长，农田小气候，土壤的机械性能。在农业，水利等的研究方面，±塘水分含量是一个理要的参数。在农业生产中，上壤水分含量的准确测定对F有效水资源管理，灌溉策略.作物生长以及化学物质监测非常重要：在水利方面，土壤水分对于地球表面有效能fit的分配以及渗入径流的分配研究起着重要的作用。因此土壤水分含量的精确测定有利于更好地认识农业管理措施对土壤-植物-大气的连续体(SPAC)的影响以及地球表面物质和能量的传输理论(Heathman2003).土壤物理学告诉我们土堞含水率和土壤的介电常数是密切相关的。在物理学中介电常数本来是用于描述介电材料在电场中的极化程度的物理量，然而上塔物理学的研究表明上填介电常数本身包含了反映土壤品质和性质的大量信息。利用统计学的回归方法已经证明，无论十.填的结构成分与质地有何差异，土壤含水址与水-土混合物组介电常数的实部分量总是呈现确定性的单值函数关系.这结论的重要性在于土壤含水量的测定可以根据通过测盘介电常数的测定而间接得到。而土壤介电常数测定的准确度以及土壤含水量和介电常数之间的关系模型则是土壤含水量测量的准确度的两个关键因素。此外，土壤中的耗分含量、水分含量、质地结构、有机质含量都不同程度的影响若土一水混合物且介电常数的变化。尤其应当指出的是土壤盐分，F1.前土壤盐碱化问题在我国已经到不可忽视的地步。据统计我国农林牧十地面积68912万Iun-.受盐碱化危害的面积高达3382万hnf,占农林牧土地面积的4.91%。除此之外，作为个农业国，在面临耕地大面积减少，淡水资源匮乏的情况下，我国北方地区的盐喊土地是潜在的耕地后备资源，存在巨大的开发潜力。1995年，清华大学，日本东京大学合作对我国大面积的慈碱地改善进行了研究，并取得了显著的成效。因此，利用当代先进的高科技手段深入了解上填介电特性的测量理论与方法并由此开发出新一代具有实时采集与处理能力的反映土壤介电特性的高精度仪器，无论对丁农业水资源的合理利用还是农作物生长的精细管理都具有难以估员的经济意义。另外由于我国土壤类型多种多样，土壤基本物理化学特性各不相同，因此，土康介电常数受多种因素的影响，如果想要得到高精度的上填含水量，就必须先搞清楚不同土填的介电特性常数，明确上填因素是如何影响上填介电常数的。本文旨在研究测试信号的频率、样品温度、含盐量、含水率和土壤容重等对十.堞介电特性的影响规律，建立描述十.康介电特性的数学模型，评价模型的可靠性，为开发便携式土壤含水率测量提供r基础数据。二、选题依据介电特性(die1.ectricProPCrIiCS)是指生物分子中的束缚电荷对外加电场的响应特性。评价介电特性的主婆参数是介电常数Mie1.eciricCOnSIant)和介电损耗因数(die1.ectric1.ossfactor),此外，还有损耗角正切、等效阻抗、电阻电导和电容(Tong1994;RyynSnen1995:Goedeken1998)。无论何种介电材料，它的介电模型都可以通过一个RC并联等效电路来描述。图2-1介电等效电等在等效电路中，等效导纳Y是由电导G和电容C组成的，即Y=G+j(C若电容的相对介电常数定义为£其中A为几何常数，它取决于测量传感器的几何形状.为真空下的介电常数，它等于8.85x10j2fu将上式代入2-1,得到(2-4)则住y=je,k(/-j=j<ket,e(2-5)其中=-j'（2-6）显然，介电材料的相对介电常数£为一个复数，它的实部和虚部分别取决于等效电容C和等效电导G。若用介电材料的电导率，可进一步推知：=（xo为r表征£和屋的相关性，通常定义损耗角Ktan=£来反映电介质损耗的大小。目前，测量介电常数的方法有很多，其中包括平行板技术、同轴探头技术、传输线技术、臼由空间法和谐振腔技术等（郭文川和朱新华2009）。同轴探头测量技术最早起源F上世纪80年代由布雷克里和斯塔奇利发明，且域早的目的是为了解决活体生物组织电参数无损测量的问题。当终端开路的同轴探头放入样品中或与表面相互接触时，根据测试件反射给网络分析仪的信号幅值和相位,就可以计算出该物体的介电常数。测量系统由网络分析仪，同轴电缆，测试探头，测试软件和计算机组成。此外，同轴探头技术能够测量宽频范围内的介电特性，此外，该技术测量频率范围广，对样品制备较简雎，适合与介电常数较小，介电损耗较大的非磁性样品，是目前研究介电特性的主要手段。同轴探头测试技术具有简单，无损，快捷，精度较高等优点,特别适用于宽频范围内的介电特性测量（吕俊峰2009）4三、国内外研究现状1 .国内外土城介电特性研究进展首先对土壤介电特性研究的是前苏联学者ChemyakG.Ya在1964年所写的湿土介电特性研究方法一书中对含水上壤的介电特性做了全面的分析。该书引出了一种湿土介电常数的测量方法一一电容探头Q值谐振法。这种方法在田间采样过程中由于破坏土壤样本，所以只适合在实验条件下做介电特性的分析。20世纪八十年代以来.时域反射仪（TimeDomainRef1.ectometry,简称TDR）逐渐发展成为一种可靠的测定土壤体枳含水量的技术（ToPP等，1980）。它具有快速，准确，连续测定等优点。它通过电磁波在介质中的传播速度随着介质的介电常数变化而改变这一物理事实来测量物料的介电特性。加拿大农业土地资源研窕中心的TOPP等（1980）利用TDR技术测定土壤介电常数，并得到反映土壤含水量与介电常数之间的多项式方程，这也就是著名的，至今广为应用的ToPP方程。美国农业部盐碱实验室的Da1.ton根据Topp的研究发现可以根据土地电导率来估计土壤盐分。Da1.tOn在修改了土壤的传输线等效模型后，利用TDR原理测出水-土混合物的虚部一介电损耗，并由此估计出土壤中的盐分含量.1986年将自己的研究成果发表在著名的国际学术刊物“SCIENCE”上。1994年荷兰WagCningen农业大学的Hi1.hOrSt提出了频域分解法(FrCqUCnCyDomainDecomposition),Hi1.horst认为在某一理想测试频率下可以对土填介电常数进行分解，利用实部确定上壤水分，虚部确定上填电导率。从本质上讲，FDR实际上是TDR的一个Fourier变换。此外，他在实验中发现，根据土壤介电行为的频率特性，理想的嫌率分解点应选择在20-30MHZ之间，减率过低实部分量难以分解.频率过高，虚部分量容易消失。利用驻波比原理测量介电特性的方法最早出现在20世界30年代，但最早将它应用于土壤含水率测量报告是Gas1.in和MiHCr所写的“MeasurementofSoi1.watercontentusingasimp1.ifiedimpedancemeasuringtechnique">>中国农业大学的王一鸣教授带领课题组将此技术进一步创新应用到土壤含水率测量上并取得JZ成功.与TDR相比，驻波比虽然精度低，但仪器成本低,是种很有前途的测量方案，实际上驻波比方法可视为FDR方法的一种特殊形式，因为它的测量思路是将信号源须率提高到足够高以致将更介电常数的虚部影响减小到最小。2 .介电常数与含水率关系研究现状早在20世界40年代，人们就对上填介电常数进行了深入的研究，推导了描述不同频率下介电常数的不同模型.土体是由土壤颗粒，水，空气构成的混合物，土颗粒是非极性材料，由丁只能发生电子极化和离子极化，它们的介电常数比较低，大多数在3左右：空气的介电常数我们一般认为只有1。但对于极性材料，如水，除了发生电子极化和离子极化外，还能发生转向极化，因此它的介电常数很高。另外温度会影响转向极化带来的介也损失(1.in1999),指出水的介电常数与频率和温度有关。土体的介电常数与三相体介电常数，组份比例以及上体种类有关。Brickak等(1974)给出了一个指数模型的混合公式,Chen等(2008)建立了电磁波与混合介电介质的相互模型,并给出了土壤介电常数的表达式。很多学者(DObSOn等，Routh)发现，对于有机土，细粒土和粘土的土壤含水量和介电常数的关系不符合Topp公式，于是设计了四相介电混合模里：JaCObSCn和SChjonning(1993)则考虑了土体干密度，粘粒含量和有机质含量，提出了更加一般化的改进经验关系式。目前,我国上填介电特性的讲兜主要应用于土壤含水率的监测上。国家对此研究投入大量的人力物力，无论在国家自然科学基金，国家863项目等重大科研项目中都有立项.，早在20世纪70年代，西安电子科技大学就开发了SVJ-3型微波水分测量仪，同时,兰州大学，南京大学也对此做了相关的研究：20世纪末期，中国农业大学电气信息学院王一鸣教授等人研制了施于驻波比原理的快速上填水分测量仪，在上壤水分测量方面取得了全大的突破，缩短了我国上塘水分快速测量技术与国际先进水平的差距。3 .影响土壤介电特性的因素(1)测试侑号频率对于介电特性的影响HaS1.ed在1973年对土壤介电行为的频率特性做了大量研究，指出在测试频率的低频段(.IMHz),介电常数起主要作用的是一,即虚部分量。随着测试频率的增加，/的作用显著下降，这也是为什么在选择测量上填电导率的时候选择测试频率低于IMHZ的主耍原因。Ha1.1.ikainen(1985)测试/几种类型土壤的介电常数,发现土壤介电常数与频率的相关性。测试是在23C下进行，丁纯水而言，当频率低于弛世频率时，随频率的增加.介电常数实部减少，虚部增加。表明了水土混合物也具有类似的波谱行为。图3-1、3-2描述了不同含水量条件卜.，土壤介电常数大部和虚部的波谱变化行为。1994年，HaStCd和DirkSen对粘土，粉粒，沙粒的介电常数的实部分量£随测试频率的不同进了比较研究，他们发现在100-50()MHZ范围内，3者的曲线交汇在一起，认为在这个频率段上堞介电常数受土壤质地的影响效果最小.*e壬女&WW80WS，504030图3/土壤介电常数实部与频率、土堆体枳含水质之间的关系(引自HaUikainenJ985)W*f<CHJ1Vs¼282420图32土塘介电常数虚部与频率、上堪体枳含水率之间的关系（用口Ha1.1.ikainen.1985）1020100100010000If1.率特性（MHz>图3-3士康三种基本成分拈粒、粉粒、沙粒介电常数的频率特性（引自HaMed和DirkWn.1994）（2）土填容对介电特性的影响、*«>心5+ttiW(gcm)SX*<¼H>ty图3-4土壤容流与介电常数之间的关系（引白普乃红，1999）西巧红等（1999）和Gong等（2（X）3）通过实验得出三种红壤的介电常数与容重之间的关系，并发现在相同容揖下，红壤的介电常数儡