劉 亮，伍群芳，賴建英，刁心宏，彭 皓

（華東交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，江西南昌330013）

水分（含水率）是影響巖土類介質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)的最重要因素之一，也是土工試驗(yàn)、工程實(shí)踐和科學(xué)研究中的重要測(cè)試指標(biāo)［1-2］。目前對(duì)于水分測(cè)量的方法主要有烘干法、中子衰減法、張力計(jì)法、近紅外線法以及介電常數(shù)法等等［3-4］。但是烘干法用時(shí)長(zhǎng)，中子衰減法潛在危害大，張力計(jì)法對(duì)測(cè)試環(huán)境要求高，近紅外反射法受土壤表面水分孔隙情況的影響等。而巖體介質(zhì)一般水分含量分布不均勻，處于非飽和狀態(tài)，會(huì)形成一個(gè)濕度場(chǎng)，對(duì)其測(cè)量要求要具有響應(yīng)速度快，線性好，環(huán)境適用性好，測(cè)試操作簡(jiǎn)單，成本低等特點(diǎn)。介電常數(shù)法具有快速便捷，準(zhǔn)確可靠，測(cè)量簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因此該方法十分適合用于巖土介質(zhì)水分的測(cè)量。文獻(xiàn)［5］研制了一種土壤含水率測(cè)量?jī)x，但是由于測(cè)量傳感器主要表現(xiàn)為電容效應(yīng)，采用分壓法測(cè)量交流阻抗時(shí)，恒壓激勵(lì)源對(duì)電容有充電作用且會(huì)改變其本身的電容值，從而影響了測(cè)量含水率的精度，另外其測(cè)量通道單一，可選頻率少，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際工程中對(duì)巖土水分測(cè)量的要求。

本文研制出了一種基于STM32為控制核心，以阻抗轉(zhuǎn)換芯片AD5933為測(cè)量核心巖土介質(zhì)水分測(cè)試儀系統(tǒng)，如圖1 所示。該測(cè)試儀具有32 同時(shí)測(cè)量通道，自動(dòng)測(cè)量與校準(zhǔn)，支持USB通訊與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，另外，其具有測(cè)量精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低等特點(diǎn)。

圖1 巖土水分測(cè)量?jī)xFig.1 Soil moisture meter

1 測(cè)量原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

介電常數(shù)法測(cè)量巖土含水量的基本原理是采用外部交流激勵(lì)源激勵(lì)水分測(cè)量傳感謝器從而得到傳感器的交流阻抗值，再利用文獻(xiàn)［6］的方法找出交流阻抗值與含水量的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系從而得到巖土的含水量。本文采用AD5933阻抗轉(zhuǎn)換芯片來(lái)測(cè)量水分測(cè)量傳感器的交流阻抗值，其基本測(cè)量原理圖如圖2所示，圖中VIN為AD5933 內(nèi)部DDS 所產(chǎn)生的幅值頻率均可調(diào)的正弦波；RFB為外接反饋電阻；ZX為被測(cè)未知阻抗；VOUT為AD5933內(nèi)部ADC的輸入端。其結(jié)構(gòu)為利用一個(gè)運(yùn)算放大器接成電壓并聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)。通過(guò)推導(dǎo)可得

在以上測(cè)量原理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)由阻抗轉(zhuǎn)換芯片AD5933、微控制器STM32、外圍電路、系統(tǒng)電源等組成。反饋電阻網(wǎng)絡(luò)選擇電路、標(biāo)定電阻網(wǎng)絡(luò)選擇電路、USB 通信電路、時(shí)鐘分頻電路等組成外圍電路，輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)阻抗自動(dòng)測(cè)量功能。系統(tǒng)由上位機(jī)PC 通過(guò)USB 總線發(fā)送相應(yīng)控制命令。通過(guò)PC 應(yīng)用軟件將掃描頻率起點(diǎn)、掃描點(diǎn)數(shù)和頻率增量步長(zhǎng)設(shè)置好，經(jīng)USB 總線傳輸至下位機(jī)（STM32），下位機(jī)解析相應(yīng)的命令后轉(zhuǎn)換成對(duì)AD5933的控制指令，完成AD5933的相應(yīng)配置操作。另外，STM32 經(jīng)I2C 接口與AD5933芯片通信，AD5933阻抗轉(zhuǎn)換完成后通過(guò)I2C接口向微控制器STM32傳送測(cè)量到的阻抗實(shí)部R和虛部I數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)微控制器的處理和計(jì)算，得到的阻抗通過(guò)USB 傳輸至上位機(jī)存儲(chǔ)和圖形顯示。其中AD5933的時(shí)鐘由具有高穩(wěn)定度、低漂移的外部有源晶振分頻提供，分頻電路參考文獻(xiàn)［7-8］的設(shè)計(jì)。

圖2 阻抗測(cè)量原理圖Fig.2 Schematic diagram of impedance measurement

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 System structure diagram

2 硬件設(shè)計(jì)

測(cè)量?jī)x硬件電路如圖4所示。在Z1～Z32端子接入待測(cè)阻抗，32路模擬開(kāi)關(guān)ADG732（U4）經(jīng)微控制器控制A4A3A2A1A0選擇待測(cè)阻抗通道。在RF1～RF8端子接入電流電壓轉(zhuǎn)換電阻，微控制器控制8 路模擬開(kāi)關(guān)ADG849（U5）的F2F1F0經(jīng)行反饋電阻的選擇。在RC1～RC8端子接入標(biāo)定電阻，微控制器控制8 路模擬開(kāi)關(guān)ADG849（U3）的B2B1B0進(jìn)行標(biāo)定電阻的選擇。系統(tǒng)處于標(biāo)定狀態(tài)時(shí)，微控制器使ADG849（U2）單刀雙擲開(kāi)關(guān)切換至S1，正常測(cè)量時(shí)開(kāi)關(guān)切換至S2。通過(guò)對(duì)微控制器編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)標(biāo)定、檔位的自動(dòng)切換及通道阻抗掃描。

反饋電阻網(wǎng)絡(luò)、標(biāo)定電阻網(wǎng)絡(luò)及待測(cè)電阻網(wǎng)絡(luò)都是通過(guò)使用多路模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行自動(dòng)切換接入系統(tǒng)的。由于模擬開(kāi)關(guān)將引入導(dǎo)通電阻（Ron）以及寄生電容（Cp），為了提高測(cè)量精度，減少模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻以及寄生電容的影響，系統(tǒng)采用的都是具有超低導(dǎo)通電阻、高帶寬、開(kāi)關(guān)速度快的模擬開(kāi)關(guān)，其中導(dǎo)通電阻都小于4 Ω。

圖4 中AD5933VOUT引腳輸出激勵(lì)信號(hào)先通過(guò)高通濾波器并重新偏壓至VDD/2（R1，R2分壓，其中R1=R2），之后利用一個(gè)超低輸出阻抗放大器（U1）進(jìn)行緩沖。在外部使用U6 完成I-V 轉(zhuǎn)換后信號(hào)返回至AD5933接收引腳VIN。外圍電路不僅消除了AD5933芯片自身的一些限制，而且提高了阻抗測(cè)量結(jié)果的精度和準(zhǔn)確度。

圖4 硬件電路Fig.4 Hardware circuit diagram

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)量軟件設(shè)計(jì)

由于AD5933內(nèi)部DFT返回在每個(gè)特定頻率下得到的實(shí)部數(shù)據(jù)R和虛部數(shù)據(jù)I。根據(jù)公式（2）和（3）可計(jì)算出阻抗的模值A(chǔ)和相位φ。

式（2）得到的模值A(chǔ)并非阻抗值，要獲得實(shí)際阻抗值還需要乘以一個(gè)校準(zhǔn)系數(shù)，稱之為增益系數(shù)G，增益系數(shù)由已知的標(biāo)定電阻得到。如圖4，通過(guò)微控制器I/O口控制U2的IN引腳，使其切換至S1標(biāo)定狀態(tài)，同時(shí)控制模擬開(kāi)關(guān)U3選擇某一標(biāo)定電阻RC，使其等于模擬開(kāi)關(guān)U5上的電流電壓反饋電阻RF，在頻率f下得其幅值為AC，那么該頻率下的增益因子為：

增益系數(shù)與標(biāo)定電阻、反饋電阻、激勵(lì)電壓、激勵(lì)頻率及PGA增益有關(guān)，改變?nèi)我鈪?shù)，增益系數(shù)都會(huì)不同，需要重新標(biāo)定。微控制器使U2切換至標(biāo)定狀態(tài)，控制AD5933輸出頻率10 kHz、幅值2 Vpp的激勵(lì)，自動(dòng)切換標(biāo)定電阻網(wǎng)絡(luò)與反饋電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)標(biāo)定，得到的增益系數(shù)如表1所示。

阻抗測(cè)量時(shí)，U2切換至S2阻抗測(cè)量狀態(tài)，U4切換至待測(cè)阻抗通道。被測(cè)阻抗ZX是一未知值，可由式（5）進(jìn)行反饋電阻RF 的選擇，Amin和Amax為事先設(shè)置好的最小和最大模值。Amin和Amax根據(jù)表1 中的阻抗測(cè)量范圍以及增益系數(shù)得到。在測(cè)量過(guò)程中，首先選擇100 Ω的反饋電阻進(jìn)行多次測(cè)量，然后利用去極值濾波法計(jì)算模值A(chǔ)X，若AX滿足式（5）要求，則獲得阻抗值經(jīng)USB 傳送至上位機(jī)存儲(chǔ)和顯示，若AX不滿足式（5）條件，自動(dòng)選擇下一反饋電阻1 kΩ，重復(fù)前面測(cè)量過(guò)程，直到AX滿足條件。已知該頻率下增益因子G和待測(cè)阻抗的模值A(chǔ)X由式（6）求實(shí)際阻抗ZX。

表1 反饋電阻及增益系數(shù)Tab.1 Feedback resistor and gain coefficient

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。上位機(jī)主要完成測(cè)量參數(shù)的配置及測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)和圖形化顯示等功能，下位機(jī)主要任務(wù)是根據(jù)上位機(jī)配置的參數(shù)控制AD5933 進(jìn)行阻抗測(cè)量，測(cè)量結(jié)果通過(guò)USB 總線傳輸至上位機(jī)。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.5 Software system flow chart

4 實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用

4.1 測(cè)量?jī)x精度實(shí)驗(yàn)

選取精準(zhǔn)電阻和高精度電容串聯(lián)方式作為待測(cè)阻抗，在0.8～100 kHz 的激勵(lì)頻率下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與具有0.05%精度的惠普4284A數(shù)字電橋的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出在0.8～100 kHz頻率范圍內(nèi)本測(cè)量?jī)x測(cè)量相對(duì)誤差控制在1%以內(nèi)，并且非常的穩(wěn)定可靠。精度滿足一般測(cè)量需求，其他5～32通道測(cè)量結(jié)果與1～4通道基本一樣，此處就不在列出。

表2 測(cè)量精度實(shí)驗(yàn)Tab.2 Experimental measurement accuracy

4.2 巖土水分測(cè)量實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)探頭采用自制的水分探頭。依據(jù)文獻(xiàn)［4］的原理，采用陶瓷濕敏材料為填充材料及兩同心圓環(huán)作為電極制作成水分探頭。通過(guò)上述測(cè)試電路，將水分探頭中水分的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化測(cè)試記錄。試驗(yàn)簡(jiǎn)要的步驟為：調(diào)配好土樣，裝入土盒并編號(hào)（編號(hào)為1，2，3，4），再把探頭埋入土樣中。將水分測(cè)試儀鏈接探頭和電腦，輸入?yún)?shù)并開(kāi)始測(cè)量，測(cè)量結(jié)束后把數(shù)據(jù)保存并處理分析，結(jié)果見(jiàn)表3。在水分探頭埋設(shè)時(shí)，應(yīng)使探頭埋入的緊密狀態(tài)要與土樣填筑的緊密狀態(tài)相似。

表3 阻抗與巖土水分測(cè)試結(jié)果Tab.3 Measurement results of impedance and soil moisture

根據(jù)表3中所得結(jié)果，采用matlab軟件進(jìn)行曲線擬合，得出水分與阻抗值的曲線關(guān)系，擬合曲線見(jiàn)圖6。

根據(jù)圖6的結(jié)果發(fā)現(xiàn)水分探頭的阻抗值隨著探頭的含水量減少而增大，含水量在13%～35%時(shí)，含水率與阻抗值的關(guān)系在圖6中趨于直線；而在5%～13%之間，含水量與阻抗值的成階梯型遞減線段。此外，測(cè)試儀的參數(shù)設(shè)置不一樣時(shí)，測(cè)試的結(jié)果會(huì)不一樣。一方面是測(cè)試儀對(duì)不同頻率段的測(cè)試相對(duì)誤差不一樣；另一方面是水分探頭的阻抗值與頻率也有關(guān)系，不同的激勵(lì)頻率會(huì)產(chǎn)生不同阻抗值。水分探頭采用由濕到干的曲線進(jìn)行擬合，也可以采用有干到濕的曲線進(jìn)行擬合。曲線擬合時(shí)，采用不同的擬合曲線會(huì)得到不同的擬合方程，但曲線的變化趨勢(shì)大體一致。

5 總結(jié)

本文研制出了一種以STM32 為控制核心，以阻抗轉(zhuǎn)換芯片AD5933 為測(cè)量核心的32 通道巖土水分測(cè)試儀系統(tǒng)。32通道能實(shí)時(shí)對(duì)巖土水分進(jìn)行測(cè)量，頻率可選范圍寬，支持USB通訊等等，另外，裝置具有體積小，操作簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)具有很好的工程實(shí)用價(jià)值。

圖6 水分探頭12次方擬合曲線圖Fig.6 The 12 square fitting curve of the moisture probe

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