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1.2.8 驻波比法（SWR）

基于驻波原理的水分测量法是当今世界上最具潜力的水分测量法——介电法中的一种。它通过传输线上电压幅值的变化来反应土壤中的水分变化情况[1]。SWR型土壤水分传感器相对于介电法中的TDR和FDR，在成本上大大降低，测量精度可以和TDR相媲美；而且技术难度小，受土质的影响也比较小。此外，它弥补了目前只有在美国研制出来的时域反射法（TDR）不能测量表层土壤含水量的缺陷。但对于盐碱地区要对于传感器进行特殊标定，土壤水分探头的特征阻抗计算也存在一定的误差。

1.3  本文主要研究内容

1、以电介质物理学为基础，设计一种基于驻波原理（SWR）和传输线理论、输出稳定、成本低、适用于大多数土壤类型的测量，且在生产中便于推广应用的土壤水分速测仪；

2、建立土壤水分传感器输入、输出数学模型并进行相关参数标定；

3、进一步研究与土壤水分传感器配套使用的相关仪表和计算机软、硬件，使其达到智能化、数字化、便携化。

第二章  SWR型土壤水分传感器的测量原理

2.1 引言

本章通过计算传输线的特征阻抗[13] ，建立了SWR型四针不等长式土壤水分探头的特征阻抗数学模型；在前人研究的基础上，提出了电磁波的最佳测试频率；通过高频传输线理论[13] 分析，提出了基于驻波原理的测量土壤水分含量的方法。

2.2 介电法测量土壤含水率的理论分析

现代物理学认为“所有的非金属，甚至在一定情况下的金属，,源!自%优尔>文)论(文]网[www.youerw.com均属于电介质[14]”。根据介电材料分子化学结构的不同，电介质可分为非极性电介质、极性电介质和离子性电介质三大类。现有文献资料一致表明：“土-水-气三相混合物属于介于极性电介质和离子性电介质之间的一种十分复杂的电介质[14]”。相比于非极性电介质，极性电介质和离子性电介质的相对介电常数ε（ , 为介电常数实部， 为介电常数虚部，即介电损耗）较大，在1～80左右[12]。Hasted(1973)、Hilhost和Dirksen(1994)等学者对土壤介电行为的频域特性做了大量的试验研究。研究结果如图2-1所示。图中可以看出：对于粘土、砂土和壤土等三种典型土壤而言，土壤介电常数的实部随着测试频率的变化而有很大的差异。此外，在100MHZ～500MHZ频率段，三条曲线较好地交汇在了一起。所以，选择此频率段来测量不同土壤类型的介电行为最为合适。 

    2.2.1 土壤水分介电测量的等效电路

电磁波发出一个频率一定（100MHZ）的交变信号后，通过一定长度的同轴电缆到达探针。传感器的探针为外接引脚，可看作电极[11 ]（电源等的正负极） 。它可以等效为一个电导和一个电容的RC并联电路[11 ] 。假设电容参数为 ，当加在电极之间的电压为 时，储存在电极上的电荷量为