一種微帶諧振式含水量測量傳感器設(shè)計

摘要：設(shè)計了一種用于土壤含水量測量的微帶諧振環(huán)式傳感器。利用仿真軟件對所設(shè)計傳感器進行了仿真分析，并完成了諧振環(huán)的制作及實驗測量。仿真與測量結(jié)果表明，這種諧振環(huán)式含水量傳感器可用于測量土壤含水量，相較傳統(tǒng)的電容傳感方法、時域反射儀傳感方法等，其在測量準(zhǔn)確性上具有優(yōu)勢，且體積小巧，易于安裝使用。
關(guān)鍵詞：微帶；諧振環(huán)；含水量；傳感器

0 引言
土壤含水量的變化會影響建筑物的穩(wěn)定性、路基路面的沉陷裂變、地下水的流動等特性。土壤含水量的測量在地質(zhì)學(xué)、土壤學(xué)、遙感勘探、道路交通、環(huán)境監(jiān)測等研究與應(yīng)用領(lǐng)域都具有重要意義?？茖W(xué)家或工程人員通過連續(xù)不間斷地對土壤含水量進行監(jiān)測可以獲得大量有用信息，從而對環(huán)境條件的評估提供重要依據(jù)。目前較常用的含水量測量方法普遍存在測量精度不高、適用性不強或成本過高等問題，而尚沒有一種在綜合性能上可以較好滿足例如穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、防水性以及耐久性等需求的低成本含水量測量方法或工具。從這一設(shè)計角度出發(fā)，本文通過理論研究及仿真設(shè)計了一種微帶諧振式(Miero-strip Resonator)含水量傳感器，并對其進行實驗測量。
與傳統(tǒng)電容傳感器(Capacitive Sensor)、傳輸線傳感器(Transmission-line Sensor)或時域反射儀傳感器(Time Domain Reflectometr y，TDR)等的工作原理不同，微帶諧振式傳感器測量方法基于諧振頻率變化與含水量變化之間的對應(yīng)關(guān)系——對于不同的含水量環(huán)境，微帶諧振器會工作于不同的諧振頻率上，因此通過測量諧振器的諧振頻率或者在諧振點的信號幅度就可以計算得到相應(yīng)的含水量數(shù)據(jù)?？紤]到含水量測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本文將討論工作頻率在1．25 GHz的微帶諧振器的設(shè)計方案。仿真與實測結(jié)果表明，這種微帶諧振式含水量傳感器從綜合性能上較好地滿足設(shè)計需求，可應(yīng)用于土壤含水量監(jiān)測。

1 傳感器設(shè)計
諧振式含水量傳感器利用諧振頻率的變化以及諧振品質(zhì)因數(shù)的變化來測量含水量。當(dāng)某一固定介電常數(shù)的介質(zhì)基板與另一不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料有接觸邊界時，其有效介電常數(shù)將會改變，從而引起諧振頻率的改變。
傳播常數(shù)γ為復(fù)數(shù)，由下式表示：

式中：σ為電導(dǎo)率；ε為相對介電常數(shù)；μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率。在有耗媒質(zhì)中，σ≠0，ε=ε0εEr，μ=μ0μr。
媒質(zhì)的含水量可看作其有效介電常數(shù)的函數(shù)。由式(2)可知，有效介電常數(shù)分為兩部分，其中與相對介電常數(shù)ε關(guān)系為線性，而與其電導(dǎo)率σ之間的關(guān)系為非線性。在某些含水量的測量和計算方法中，通常忽略了土壤介電常數(shù)中其虛部對含水量的影響，這將引起含水量計算結(jié)果的不準(zhǔn)確性，因為嚴(yán)格說來介電常數(shù)的實部與虛部在其特定動態(tài)范圍內(nèi)均將對土壤含水量的計算產(chǎn)生影響。而在本文所提出的微波諧振式含水量測量方法中，其介電常數(shù)的實部與虛部均可測得，避免了測量不準(zhǔn)確的問題。
微帶諧振環(huán)可看作一個簡單的傳輸線諧振器。設(shè)計工作中主要考慮三個因素：
(1)結(jié)構(gòu)尺寸。根據(jù)微帶天線設(shè)計理論，當(dāng)有限大接地板與基板的比例大于5時，計算線性電容的前向模型可認為是準(zhǔn)確的；
(2)間隙因數(shù)。間隙因數(shù)為介質(zhì)基板內(nèi)部存儲的電能量所占總存儲能量的百分比。對于微帶諧振器而言，保證沿線的特征阻抗為50 Ω即可滿足這一要求；
(3)耦合。本設(shè)計采用將開路同軸線直接連接于微帶下方來激勵諧振環(huán)的方式。
圖1分別給出了一種諧振環(huán)的正面與剖面結(jié)構(gòu)。

當(dāng)諧振環(huán)的長度大約為π*d=λ時會出現(xiàn)第一諧振頻率。諧振環(huán)的諧振頻率可通過式(3)計算：

式中：d為諧振環(huán)的平均直徑；l為諧振環(huán)的周長。從另一個角度說，當(dāng)諧振環(huán)的諧振基頻已知的前提下，通過測量某一已知直徑諧振環(huán)的諧振頻率，可間接計算出在此諧振頻率上的有效介電常數(shù)。