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電子元件水分含量是表達(dá)旱情的zui直接指標(biāo)。國(guó)內(nèi)外從20世紀(jì)中葉就開始進(jìn)行電子元件水分的監(jiān)測(cè)，國(guó)內(nèi)外一直都在進(jìn)行各種測(cè)量方法的研究，目前主要采用烘干稱重、張力計(jì)、中子水分計(jì)和時(shí)域反射儀、頻域發(fā)射儀等測(cè)量方法。這些方法雖然可以實(shí)現(xiàn)電子元件水分的測(cè)量，但原理、特性各有不同。綜觀國(guó)內(nèi)墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀，目前還沒(méi)有一種產(chǎn)品在野外廣泛應(yīng)用，也沒(méi)有一種主導(dǎo)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)大范圍墑情信息自動(dòng)采集、傳輸處理。
隨著國(guó)家抗旱指揮系統(tǒng)的規(guī)劃和實(shí)施，各省、市區(qū)域墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)即將全面展開，特別是2010年春季我國(guó)西南部分省(區(qū))干旱的出現(xiàn)，迫切需要自動(dòng)化電子元件水分監(jiān)測(cè)儀器和信息傳輸系統(tǒng)，以獲取連續(xù)、可靠的電子元件水分信息，為區(qū)域旱情分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文根據(jù)國(guó)家旱情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)需要開展國(guó)內(nèi)外電子元件水分監(jiān)測(cè)傳感儀器的調(diào)查研究工作，對(duì)調(diào)研產(chǎn)品進(jìn)行分類分析。
1 電子元件水分監(jiān)測(cè)儀器分類和特點(diǎn)分析
按照測(cè)量原理，電子元件水分監(jiān)測(cè)儀器可分成以下幾種類型：
1)時(shí)域反射型儀器 (TDR);
2)時(shí)域傳輸型儀器 (TDT);
3)頻域反射型儀器 (FDR);
4)中子水分儀器 (Neutron Probe);
5)負(fù)壓儀器(Tension meter);
6)電阻儀器(Resister Method)。
傳統(tǒng)的烘干法盡管也需要一些設(shè)備，但不屬于電子元件水分監(jiān)測(cè)儀器的范疇，它只是一種方法。烘干法的內(nèi)容和方法在SL364-2006《電子元件墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范》5.2 節(jié)中有明確規(guī)定，目前烘干法依然是*校驗(yàn)儀器準(zhǔn)確度的方法[1]。
1.1 時(shí)域反射儀儀器(TDR)
TDR是近年來(lái)出現(xiàn)的測(cè)量電子元件含水量的重要儀器，是通過(guò)測(cè)量電子元件中的水和其它介質(zhì)介電常數(shù)之間的差異原理，并采用時(shí)域反射測(cè)試技術(shù)研制出來(lái)的儀器，具有快速、便捷和能連續(xù)觀測(cè)電子元件含水量的優(yōu)點(diǎn)。
由于空氣、干土和水中的介電常數(shù)相對(duì)固定，如果對(duì)特定的電子元件和介電常數(shù)的關(guān)系已知，就可間接對(duì)電子元件水分進(jìn)行有效介電常數(shù)測(cè)量。根據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳播速度與包圍在傳輸體上的物質(zhì)介電常數(shù)有關(guān)的基本原理，干燥電子元件與水之間的介電常數(shù)具有很大的差別，所以該技術(shù)從理論上確立對(duì)電子元件水分的測(cè)量有很好的響應(yīng)和靈敏度。
電子元件的表觀介電常數(shù) K a 可以按如下公式轉(zhuǎn)換(Dirksen，1999)：
式中：T 為電磁波延波導(dǎo)頭傳輸?shù)臅r(shí)間，ns;L 為測(cè)量用的波導(dǎo)頭的長(zhǎng)度，cm;C 為電磁波在真空中傳播速，cm/ns。
或直接將傳輸時(shí)間 T 和介電常數(shù) Ka 表達(dá)為：
TDR 信號(hào)脈沖延波導(dǎo)頭的起點(diǎn)到端點(diǎn)傳遞需要的時(shí)間可以通過(guò)測(cè)量確定。
TDR 特點(diǎn)分析如下：
1)時(shí)域反射法電子元件水分監(jiān)測(cè)儀器沿著埋設(shè)在電子元件中的波導(dǎo)頭發(fā)射高頻波，高頻波在電子元件的傳輸速度(或傳輸時(shí)間)與電子元件的介電常數(shù)相關(guān)，介電常數(shù)與電子元件的含水量相關(guān)，這樣測(cè)量高頻波的傳輸時(shí)間或速度可直接測(cè)量電子元件的含水量。理論上這是測(cè)量電子元件水分監(jiān)測(cè)精度zui高的技術(shù)。
2)因電磁波的傳輸速度很快，TDR 測(cè)定時(shí)間的精度需達(dá) 0.1 ns 級(jí)，因此 TDR的時(shí)間電路成本高，測(cè)量結(jié)果受溫度影響小。
3)TDR 水分傳感器高頻波的發(fā)射和測(cè)量在傳感器體內(nèi)完成，工作時(shí)產(chǎn)生 1 個(gè) 1GHz以上的高頻電磁波，傳輸時(shí)間為皮秒級(jí)，輸出信號(hào)一般為模擬電壓信號(hào)，可精確表達(dá)插入點(diǎn)處電子元件的水分。根據(jù)不同的信號(hào)采集要求，TDR電子元件水分傳感器也可輸出4～20 mA，或 232 串行接口數(shù)據(jù)。TDR 的上述輸出容易接入常規(guī)的數(shù)據(jù)采集器，形成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。
4)目前市場(chǎng)上的 TDR 電子元件水分傳感器是典型的點(diǎn)式電子元件水分測(cè)量?jī)x器，體積小，重量輕，單個(gè)傳感器損壞可更換，運(yùn)行維護(hù)方便。
TDR 電子元件水分傳感器主體是1個(gè)含有探針的密封探頭，當(dāng)探針*插入電子元件中時(shí)，測(cè)量輸出信號(hào)通過(guò)有線電纜輸出，可以接遙測(cè)終端，也可以接手持式儀表。TDR產(chǎn)品水分監(jiān)測(cè)示意圖如圖 1 所示。
1.2 時(shí)域傳輸型儀器(TDT)
TDT技術(shù)是另外一種電子元件水分測(cè)量技術(shù)，TDT技術(shù)的特點(diǎn)就是電磁波在介質(zhì)中是單程傳播，檢測(cè)電磁波單向傳輸后的信號(hào)，并不要求獲取反射后的信號(hào)。該技術(shù)也是基于電子元件介電常數(shù)的差異性來(lái)測(cè)定電子元件含水率的[2]。
TDT 特點(diǎn)分析如下：
1)以 TDT 原理研制出的水分測(cè)定儀工作頻率較低，線路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，成本比 TDR 儀器低;
2)典型產(chǎn)品為帶狀電子元件水分傳感器，在部分土質(zhì)不均勻電子元件類型應(yīng)用中具有推廣應(yīng)用潛力;
3)基于 TDT 原理研制出的水分測(cè)定儀輸出信號(hào)一般為模擬量，可以接入常規(guī)的數(shù)據(jù)采集器，形成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。
圖 2 是一種長(zhǎng) 3 m 的帶狀TDT水分傳感器應(yīng)用示例，土中所測(cè)植物根部電子元件水分是圍繞著帶狀傳感器的圓柱體電子元件水分的均值，因測(cè)量范圍是圓柱型土體帶，測(cè)量土體體積多，可有效避免點(diǎn)狀測(cè)量的偶然性，能取得測(cè)定地帶電子元件水分的空間平均值。圖片上方是一些外掛的采集和顯示儀表。
1.3 頻域反射型儀器(FDR)
FDR電子元件水分監(jiān)測(cè)傳感器的測(cè)量原理是插入電子元件中的電極與電子元件(電子元件被當(dāng)作電介質(zhì))之間形成電容，并與高頻震蕩器形成1個(gè)回路。通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的傳輸探針產(chǎn)生高頻信號(hào)，傳輸線探針的阻抗隨電子元件阻抗變化而變化。阻抗包括表觀介電常數(shù)和離子傳導(dǎo)率。應(yīng)用掃頻技術(shù)，選用合適的電信號(hào)頻率使離子傳導(dǎo)率的影響zui小，傳輸探針阻抗變化幾乎僅依賴于電子元件介電常數(shù)的變化。這些變化產(chǎn)生1個(gè)電壓駐波。駐波隨探針周圍介質(zhì)的介電常數(shù)變化增加或減小由晶體振蕩器產(chǎn)生的電壓。電壓的差值對(duì)應(yīng)于電子元件的表觀介電常數(shù)。
FDR 特點(diǎn)分析如下：
1)頻域測(cè)量技術(shù)用于電子元件科學(xué)是近年才得到應(yīng)用的，采用在某個(gè)頻率上測(cè)定相對(duì)電容，即介電常數(shù)的方法測(cè)量電子元件水分含量，已開展了近半個(gè)世紀(jì)了(Halbertsma等，1987)。頻域法，相比時(shí)域法結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，測(cè)量更方便。但是，在過(guò)去，通常人們很難得到準(zhǔn)確的介電常數(shù)測(cè)量值。可靠的電子元件水分含量必須對(duì)每一個(gè)應(yīng)用通過(guò)后續(xù)的標(biāo)定來(lái)得到。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)和元器件的發(fā)展，測(cè)量介電常數(shù)的頻域水分傳感器已研制成功，由于頻域法采用了低于TDR的工作頻率，在測(cè)量電路上易于實(shí)現(xiàn)，造價(jià)較低。
2)頻域法儀器一般工作在 20～150MHz的頻率范圍內(nèi)，由多種電路可將介電常數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為直流電壓或其它模擬量輸出形式，輸出的直流電壓在廣泛的工作范圍內(nèi)與電子元件含水量直接相關(guān)。對(duì)傳輸電纜沒(méi)有十分嚴(yán)格的要求。
3)zui初國(guó)內(nèi)研制 FDR 傳感器采用的是高頻電容式傳感器，后來(lái)逐漸更新為駐波式 FDR 傳感器。早研制的駐波式FDR電子元件水分監(jiān)測(cè)傳感器因參照國(guó)外第 1 代 FDR 傳感器的設(shè)計(jì)思路，沒(méi)有溫度補(bǔ)償，測(cè)量結(jié)果變異大。國(guó)外駐波式FDR電子元件水分監(jiān)測(cè)傳感器也在不斷革新，逐步增加了溫度補(bǔ)償?shù)裙δ埽鄳?yīng)提高了測(cè)量精度。但是，F(xiàn)DR 電子元件水分監(jiān)測(cè)傳感器采用的是 100MHz左右的電磁波，所以，波在傳輸過(guò)程中受電子元件的溫度和電導(dǎo)率(鹽份)的影響較大時(shí)，導(dǎo)致測(cè)量精度比 TDR 和T*元件水分監(jiān)測(cè)傳感器要低一些。
4)FDR電子元件水分監(jiān)測(cè)傳感器一般輸出為直流電壓量，容易接入常規(guī)的數(shù)據(jù)采集器實(shí)現(xiàn)連續(xù)、動(dòng)態(tài)墑情監(jiān)測(cè)，可組建墑情監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用比前2種低。
1.4 中子儀、負(fù)壓計(jì)、電阻儀
中子儀是歷史悠久的測(cè)量電子元件體積含水量的儀器。中子水分計(jì)由高能放射性中子源和熱中子探測(cè)器構(gòu)成。中子源向各個(gè)方向發(fā)射能量在0.1～10.0M電子伏特的快中子射線。在電子元件中，快中子迅速被周圍的介質(zhì)，其中主要是被水中的氫原子減速為慢中子，并在探測(cè)器周圍形成密度與水分含量相關(guān)的慢中子“云球”。散射到探測(cè)器的慢中子產(chǎn)生電脈沖，且被計(jì)數(shù);在1個(gè)時(shí)間內(nèi)被計(jì)數(shù)的慢中子的數(shù)量與電子元件的體積含水量相關(guān)，中子計(jì)數(shù)越大，電子元件含水量越大。
中子儀適合人工便攜式測(cè)量電子元件墑情，采用中子水分儀定點(diǎn)監(jiān)測(cè)電子元件含水率時(shí)，每次埋設(shè)導(dǎo)管之前，都應(yīng)以取土烘干法為基準(zhǔn)對(duì)儀器進(jìn)行率定[3]。
因中子儀器帶有放射源，設(shè)備管理使用受到環(huán)境的限制。
張力計(jì)是測(cè)量非飽和狀態(tài)電子元件中張力的儀器。常用的張力計(jì)測(cè)量范圍為0～100kPa(Dirksen，1999)。水總是從高水勢(shì)的地方向流向低水勢(shì)的地方，電子元件中的水分運(yùn)移基于電子元件水勢(shì)梯度。水勢(shì)反映了電子元件的持水能力。水分在電子元件中受多種力的作用，使得其自由能降低，這種勢(shì)能的變化稱為土水勢(shì)(電子元件吸力)。張力計(jì)的應(yīng)用原理類似于植物根系從電子元件中獲取水分的抽吸方式，它測(cè)量的是作物要從電子元件中汲取水分所施加的力。
因張力計(jì)價(jià)格低廉，可以在應(yīng)用研究田塊中大量布設(shè)來(lái)研究電子元件水分布。壓力值顯示可以是指針式表和壓力傳感器，通過(guò)電氣改造，傳感器可用于自動(dòng)測(cè)量。
電阻法常用多孔介質(zhì)塊石膏電阻塊測(cè)量電子元件水分，因靈敏度低，目前應(yīng)用較少。
2 電子元件水分監(jiān)測(cè)儀器技術(shù)指標(biāo)
電子元件墑情監(jiān)測(cè)儀器的核心是電子元件水分監(jiān)測(cè)傳感器，它將電子元件中的含水特性物理量轉(zhuǎn)換為電子設(shè)備所能識(shí)別的電量。以建設(shè)自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站為目的，按照《電子元件墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，對(duì)電子元件水分傳感器提出以下一些技術(shù)要求。
1)工作環(huán)境溫度：-25 ～ +55℃;
2)工作環(huán)境濕度：100 % RH(無(wú)凝結(jié));
3)誤差不超過(guò) 2 %(含水率在 5 %～50 %范圍內(nèi)時(shí));
4)測(cè)量范圍：一般為 0～50 %;
5)穩(wěn)定時(shí)間：一般情況下應(yīng)不大于 10 s;
2.1 典型 TDR 儀器技術(shù)指標(biāo)
典型 TDR 電子元件水分監(jiān)測(cè)傳感器以國(guó)外Trime-EZ便攜式電子元件水分速測(cè)儀為例。
Trime-EZ TDR 電子元件水分傳感器和手持讀表連用，可便攜式測(cè)量電子元件水分，也可連接有模擬量接口的自動(dòng)測(cè)報(bào)裝置。
測(cè)量范圍：0～100 % 體積含水量;
含水量 0～40 % 范圍： 精度 ±2 %;
含水量 40 %～70 % 范圍： 精度 ± 3 %;
重復(fù)測(cè)量精度：± 0.5 % ;
操作溫度 ：-15～50 ℃;
供電：7～15 VDC;
電量消耗： 靜態(tài) 8 mA，測(cè)量時(shí) 250 mA;
輸出：0～1 V 或 4～20 mA 或 RS-232 數(shù)字接口;
外殼防護(hù)等級(jí)：IP68;
纜線長(zhǎng)度 5 m(可訂制特殊長(zhǎng)度)。
2.2 典型 FDR 技術(shù)指標(biāo)
1)國(guó)外 FDR 產(chǎn)品以英國(guó) ML2x 為例
該 FDR儀器能夠?qū)Ω黝愲娮釉投喾N介質(zhì)的水分進(jìn)行測(cè)量，可用作為水分定點(diǎn)監(jiān)測(cè)或移動(dòng)測(cè)量的基本工具，該電子元件水分探頭各項(xiàng)指標(biāo)如下：
測(cè)量范圍：0～100 % 體積含水量;
精度：± 5 %(0～ 70 ℃，儀器默認(rèn)電子元件類型);
工作溫度： -10～+ 70 ℃;
尺寸：探針，60 mm 長(zhǎng)， 總長(zhǎng)，207 mm;
標(biāo)準(zhǔn)電纜長(zhǎng)度： 5 m(zui長(zhǎng)可至 100 m)
2)國(guó)內(nèi) FDR 產(chǎn)品以水分傳感器 MP-406 為例
該電子元件水分探頭各項(xiàng)指標(biāo)如下：
測(cè)量參數(shù)：0～100 % 體積含水量;
測(cè)量精度：給定電子元件標(biāo)定后 ± 5 %;
測(cè)量區(qū)域：90 % 的影響在圍繞*探針的直徑為 2.5 cm，長(zhǎng)為 6 cm 的圓柱體內(nèi);
穩(wěn)定時(shí)間：通電后約 10 s;
響應(yīng)時(shí)間：0.5 s 內(nèi)對(duì) 99 % 的變化有響應(yīng);
工作電壓：7～15 V;
工作電流：20 mA;
輸出信號(hào)：0～1 V;
密封材料：PVC;
探針材料：不銹鋼;
電纜長(zhǎng)度：標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度 5 m;
zui大傳輸長(zhǎng)度：100 m。
3 電子元件水分監(jiān)測(cè)儀器應(yīng)用與選型
3.1 使用要求
電子元件墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括電子元件水分信息的采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理及自動(dòng)報(bào)送功能，其中采集是旱情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，自動(dòng)化的水分采集儀器必須測(cè)驗(yàn)準(zhǔn)確，質(zhì)量可靠。因此，監(jiān)測(cè)儀器從使用方面應(yīng)具備以下要求：
1)率定或標(biāo)定后，工作特性穩(wěn)定，無(wú)須再次標(biāo)定;
2)批量產(chǎn)品特性*;
3)體積小巧，便于測(cè)量地點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)后*自動(dòng)工作;
4)無(wú)須日常維護(hù)，適合于大批量建設(shè)無(wú)人監(jiān)測(cè)站;
5)價(jià)格適中，推廣應(yīng)用成本低廉。
3.2 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用實(shí)例
在某實(shí)驗(yàn)站，按照 SL364-2006《電子元件墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范》中的儀器布設(shè)深度要求，采用 3 只電子元件水分監(jiān)測(cè)傳感器，按10、20、40 cm 深度垂直布設(shè)[1]，連接數(shù)據(jù)采集傳輸終端(YDH-1型)，組建了 1 座墑情自動(dòng)站，傳輸方式有GPRS、SMS 等通信選擇。圖 4為實(shí)驗(yàn)站電子元件水分變化過(guò)程線圖，圖中曲線由細(xì)到粗分別代表 10、20、40cm的電子元件深度處的水分變化;圖中豎線代表日降雨量，豎線下方標(biāo)明了日雨量值。附加的日降雨量信息用于對(duì)應(yīng)觀察電子元件墑情的跟隨降雨的反應(yīng)變化情況。
4 結(jié)語(yǔ)
TDR電子元件水分傳感器可水平或垂直埋設(shè)在電子元件不同的深度，依照SL364-2006《電子元件墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范》要求，采用多點(diǎn)法測(cè)量不同電子元件深度下的電子元件水分分布。TDR儀器因發(fā)射頻率高，故測(cè)量精度高，儀器造價(jià)高。TDT儀器適用于電子元件墑情的空間變異大或電子元件質(zhì)地多樣的地帶，當(dāng)點(diǎn)狀的墑情不具備測(cè)點(diǎn)的代表性時(shí)，采用帶狀TDT 更為合適。FDR使用方法同TDR ，儀器發(fā)射頻率比 TDR 低，精度略低，儀器造價(jià)低。
電子元件水分傳感器原理上存在電子元件含水量→電壓/電流→電子元件體積含水率的2個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)化過(guò)程。前一個(gè)過(guò)程由儀器的電磁波在介質(zhì)中傳播得到測(cè)量值后轉(zhuǎn)化為電壓/電流量，后一個(gè)過(guò)程由根據(jù)測(cè)得電壓/電流量來(lái)率定電子元件水體積含水率的轉(zhuǎn)化公式。2個(gè)過(guò)程存在不同程度的轉(zhuǎn)化誤差，第 1 個(gè)過(guò)程受產(chǎn)品品質(zhì)因素影響，第2個(gè)過(guò)程受人為因素影響,均會(huì)導(dǎo)致儀器的準(zhǔn)確性存在一定的誤差。
目前國(guó)內(nèi)外電子元件水分傳感器品種雖然較多，但是國(guó)內(nèi)還沒(méi)有 1 種儀器形成主流產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有商品化TDR傳感儀器產(chǎn)品出現(xiàn)，電子元件水分監(jiān)測(cè)傳感儀器產(chǎn)品還不太成熟，需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)電子元件水分監(jiān)測(cè)儀器的技術(shù)研究，并且要在實(shí)際應(yīng)用中加強(qiáng)儀器的對(duì)比測(cè)試、優(yōu)化篩選和應(yīng)用考核工作