專利名稱：：基于相位檢測的土壤水分、電導(dǎo)率測量儀及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及測量
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種基于相位檢測原理的土壤水分、電導(dǎo)率測量儀及其測量方法。
背景技術(shù)：
：近年來土壤學(xué)的研究結(jié)果表明，土壤電導(dǎo)率這一參數(shù)本身包含了反映土壤品質(zhì)和物理性質(zhì)的豐富信息。例如，土壤中鹽分、水分及有機(jī)質(zhì)含量，土壤壓實(shí)度、質(zhì)地結(jié)構(gòu)和孔隙率等都不同程度地影響著土壤電導(dǎo)率的改變。在以上諸因素中，土壤鹽分和含水率對電導(dǎo)率的影響明顯大于其他各因素，借助于測量土壤電導(dǎo)率評價農(nóng)作物的生長環(huán)境，是當(dāng)前發(fā)達(dá)國家精細(xì)農(nóng)作研究的熱點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室測定土壤電導(dǎo)率的方法雖然精確，但過程繁瑣，給工程實(shí)踐帶來不便。由于土壤溶液中溶質(zhì)的濃度與電導(dǎo)率成線性關(guān)系，而在含水量一定的條件下，土壤體電導(dǎo)和土壤的溶液電導(dǎo)存在線性關(guān)系，因此可直接用土壤的體電導(dǎo)率來確定溶質(zhì)的含量及遷移，但在含水量變化較大的情況下，土壤體電導(dǎo)率與含水量密切相關(guān)，直接用土壤的體電導(dǎo)來指示溶質(zhì)的含量就很困難，將測定的土壤含水量與土壤體導(dǎo)電率結(jié)合起來，通過體電導(dǎo)和溶液電導(dǎo)之間的關(guān)系來確定物質(zhì)的遷移具有很大的意義。時域反射儀(TDR)是新近發(fā)展起來的一種測定土壤含水率的方法，其主要優(yōu)越性是在測試土壤水分過程中可不破壞土壤原狀結(jié)構(gòu)，操作簡便，并可直接讀取土壤含水量，便于原位動態(tài)監(jiān)測，做到訊息轉(zhuǎn)換而達(dá)到數(shù)據(jù)自動采集的目的，因而很快為人們所接受。Topp和Davis于1975年首次將TDR技術(shù)用于土壤水分測量的研究。TDR土壤水分測量的根本依據(jù)是電磁波沿探頭傳播的速度與探頭周圍土壤的介電常數(shù)的平方根成反比，因此可以根據(jù)電磁波傳播的速度來測量土壤的介電常數(shù)。Topp依此方法測得了土壤中氣一固一液混合物的介電常數(shù)ε，進(jìn)而利用數(shù)值回歸分析方法找出了不同類型土壤的含水量與介電常數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>其中θ為土壤體積含水量，ε為土壤表觀介電常數(shù)。通過大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究證明了基于TDR方法的土壤水分和電導(dǎo)率測試儀能夠滿足快速測量的實(shí)時性要求，可是對土壤這種復(fù)雜的多孔介質(zhì)對象，雖然含水量θ的變化能夠顯著地導(dǎo)致介電常數(shù)ε的變化，但在傳感器探頭幾何長度受到限制的條件下，由氣-固-液混合物介電常數(shù)ε引起的入射-反射時間差ΔT卻僅僅是10-9秒數(shù)量級。若要對如此短的滯后時間進(jìn)行準(zhǔn)確測量，從無線電測量技術(shù)的角度來看難度極大，基于傳統(tǒng)方法TDR土壤水分和電導(dǎo)率測試儀器成本相應(yīng)很高。TDR土壤水分測試儀一般由階躍信號發(fā)生器、同軸傳輸線、土壤水分探頭及高頻采樣示波器組成等部分組成，如圖1所示，其中，1-RS-232通訊口，2-同步發(fā)生器，3-脈沖發(fā)生器，4-采樣示波器，5-50Ω同軸電纜，6-探頭；高頻脈沖產(chǎn)生器(pulsegenerator)發(fā)出1000MHz的高頻脈沖，并將其通過50Ω的同軸傳輸線(50Ωcoaxialcable)傳輸?shù)教筋^(probe)，由于同軸傳輸線與探頭阻抗不匹配，有一部分電磁波在探頭與傳輸線連結(jié)處沿同軸傳輸線反射回來，剩余的電磁波繼續(xù)沿探頭傳輸?shù)教筋^的另一端，由于探頭與土壤的阻抗不匹配又造成電磁波的再次反射。兩次反射之間的時間是電磁波沿探頭傳輸時間的兩倍。兩次反射之間的時間可由高頻示波器(samplingoscilloscope)來測量顯示。傳輸時間可表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>式中t—兩次反射之間的時間(s)；L——探頭的長度(m)ε—介質(zhì)(土壤)的介電常數(shù)；c——電磁波在真空中的傳播速度(3Χ108m/s)由此可得出介質(zhì)的介電常數(shù)ε<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>式中(ct/2)稱為探頭的“表觀”長度。令1^=(^/2則<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>土壤電導(dǎo)率與信號反射率及土壤含水量有關(guān)。目前僅少數(shù)發(fā)達(dá)國家掌握了設(shè)計(jì)制造TDR土壤水分測試儀所需的高速采樣示波器、窄上升沿階躍信號發(fā)生器、高頻高精度時間基準(zhǔn)等技術(shù)。而這些國家對我國采取嚴(yán)格的技術(shù)出口限制措施，使我國無法獲得必需的尖端電子部件和芯片，因此我國還不能制造傳統(tǒng)的TDR土壤電導(dǎo)測試儀。我國生產(chǎn)和科研單位使用的TDR儀主要從美國和加拿大等國進(jìn)口，單機(jī)價格約一萬美元，成套設(shè)備價格為幾萬美元，由于我國尚無此產(chǎn)品，進(jìn)口價格比生產(chǎn)國本地價格高出許多。因廠家在國外，缺乏完善的維修和配件供應(yīng)服務(wù)，出現(xiàn)故障后往往不得不返回原廠家進(jìn)行維修，影響監(jiān)測的連續(xù)性。所以，研制開發(fā)擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的TDR土壤水分、電導(dǎo)率測試儀和測量方法具有重要的理論意義與實(shí)用價值。
發(fā)明內(nèi)容(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有TDR土壤水分測量技術(shù)中電磁波在傳感器探頭上傳播的時間難于精確測量而導(dǎo)致的研發(fā)難度大以及測量設(shè)備成本昂貴等缺陷。(二)技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案提供了一種基于相位檢測的土壤水分、電導(dǎo)率測量儀，包括信號發(fā)生器，分別向環(huán)行器和延時器輸出具有相同頻率、幅度和初相位的高頻正弦檢測信號vt和參考信號vr；環(huán)行器，通過同軸電纜和阻抗變換器向待測土壤內(nèi)的傳感器探頭輸出所述檢測信號vt，分離出經(jīng)傳感器探頭末端反射回來的反射信號vt并分別輸出給相位檢測器和檢波器；延時器，使所述信號發(fā)生器輸出的參考信號vr的傳輸時間產(chǎn)生延時后輸出給相位檢測器；相位檢測器，將所述延時器輸出的參考信號vr與所述環(huán)行器輸出的反射信號Vt之間的相位差轉(zhuǎn)化為與之成比例的直流電壓信號，輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換器；檢波器，對所述延時器輸出的參考信號vr和所述環(huán)行器輸出的反射信號vt進(jìn)行整流，分別獲取其電壓幅值Vr和Vt并輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換器；模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對所述相位檢測器和檢波器輸出的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化并分別輸出給傳播時間計(jì)算器和反射系數(shù)計(jì)算器；傳播時間計(jì)算器，根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的相位差值計(jì)算檢測信號Vt在所述傳感器探頭上的傳播時間t；反射系數(shù)計(jì)算器，根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的電壓幅值Vr和Vt計(jì)算信號反射系數(shù)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>水分計(jì)算器，根據(jù)所述傳播時間t和預(yù)先標(biāo)定的含水量標(biāo)定公式計(jì)算得到待測土壤含水量θ；電導(dǎo)率計(jì)算器，根據(jù)所述含水量θ、所述反射系數(shù)P以及預(yù)先標(biāo)定的電導(dǎo)率標(biāo)定公式計(jì)算得到待測土壤電導(dǎo)率σ。其中，所述延時器為延時電纜。其中，所述阻抗變換器為阻抗變換電路。本發(fā)明的技術(shù)方案還提供了一種使用該測量儀測量土壤水分的方法，其特征在于，包括以下步驟生成具有相同頻率、幅度和初相位的高頻正弦檢測信號Vt和參考信號vr；環(huán)行器通過同軸電纜和阻抗變換器將所述檢測信號Vt傳送給待測土壤內(nèi)的傳感器探頭，分離出經(jīng)傳感器探頭末端反射回來的反射信號vt并輸出；使所述參考信號vr的傳輸時間延遲，延遲時間與檢測信號Vt在環(huán)行器、同軸電纜和阻抗變換器上的傳輸時間相等；將所述延遲輸出的參考信號vr與反射信號Vt之間的相位差轉(zhuǎn)化為與之成比例的直流電壓信號，隨后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；根據(jù)所述數(shù)字信號中包含的相位差值計(jì)算檢測信號Vt在所述傳感器探頭上的傳播時間t，并根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的表征所述傳播時間t與土壤含水量θ之間函數(shù)關(guān)系的標(biāo)定公式計(jì)算得到待測土壤含水量θ。進(jìn)一步地，該方法還包括，預(yù)先標(biāo)定所述傳播時間t與土壤含水量θ之間的函數(shù)關(guān)系。本發(fā)明的技術(shù)方案還提供了一種使用該測量儀測量土壤電導(dǎo)率的方法，包括以下步驟生成具有相同頻率、幅度和初相位的高頻正弦檢測信號vt和參考信號vr；環(huán)行器通過同軸電纜和阻抗變換器將所述檢測信號Vt傳送給待測土壤內(nèi)的傳感器探頭，分離出經(jīng)傳感器探頭末端反射回來的反射信號vt并輸出；使所述參考信號vr的傳輸時間延遲，延遲時間與檢測信號Vt在環(huán)行器、同軸電纜和阻抗變換器上的傳輸時間相等；將所述延遲輸出的參考信號vr與反射信號Vt之間的相位差轉(zhuǎn)化為與之成比例的直流電壓信號，隨后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；根據(jù)所述數(shù)字信號中的相位差值計(jì)算檢測信號Vt在所述傳感器探頭上的傳播時間t，并根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的表征所述傳播時間t與土壤含水量θ之間函數(shù)關(guān)系的標(biāo)定公式計(jì)算得到待測土壤含水量θ；對所述延遲輸出的參考信號vr和所述反射信號Vt進(jìn)行整流，分別獲取其電壓幅值Vr和Vt，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；根據(jù)所述數(shù)字信號中的電壓幅值Vr和Vt計(jì)算反射系數(shù)P=Vt/Vr,并根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的表征信號反射系數(shù)P、土壤含水量θ與土壤電導(dǎo)率σ之間函數(shù)關(guān)系的標(biāo)定公式計(jì)算得到待測土壤電導(dǎo)率ο。進(jìn)一步地，該方法還包括通過標(biāo)定試驗(yàn)預(yù)先確定反射系數(shù)P、土壤含水量θ與土壤電導(dǎo)率σ之間的函數(shù)關(guān)系。其中，所述表征反射系數(shù)P、含水量θ與土壤電導(dǎo)率σ之間函數(shù)關(guān)系的標(biāo)定公式為σ=(1468θ2-531.76θ+75.474)(P_1)2。(三)有益效果本發(fā)明的基于相位檢測的土壤水分、電導(dǎo)率測試儀，其高頻電路使用單一頻率的正弦信號代替階躍信號，使用相位檢測器將入射信號和反射信號的相位差轉(zhuǎn)換為與之成正比的直流電壓信號，通過測量直流電壓信號即可得到電磁波在探頭上的傳播時間，檢波器將參考信號和反射信號進(jìn)行整流，分別獲取其電壓幅值并輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過標(biāo)定可進(jìn)一步得到土壤含水量和電導(dǎo)率。由于沒有采用傳統(tǒng)TDR技術(shù)的快速階躍信號發(fā)生器和高頻采樣示波器技術(shù)，大大降低了成本和技術(shù)難度。其技術(shù)性能與國外同類儀器相當(dāng)，但價格僅為國外產(chǎn)品的50%。圖1是現(xiàn)有技術(shù)的TDR土壤水分測試儀的原理圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的基于相位檢測的土壤水分、電導(dǎo)率測量儀(P-TDR)的結(jié)構(gòu)圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的使用圖2中所示測量儀測量土壤電導(dǎo)率的方法中用于標(biāo)定電導(dǎo)率公式的標(biāo)定試驗(yàn)的一個實(shí)施例中特定體積含水量下土壤電導(dǎo)率與信號反射系數(shù)的關(guān)系圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的使用圖2中所示測量儀測量土壤電導(dǎo)率的方法中用于標(biāo)定電導(dǎo)率公式的標(biāo)定試驗(yàn)的一個實(shí)施例中二次多項(xiàng)式模型系數(shù)與土壤體積含水量的關(guān)系圖。具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的基于相位檢測的土壤水分、電導(dǎo)率測量儀，結(jié)合附圖和實(shí)施例說明如下。如圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的基于相位檢測的土壤水分、電導(dǎo)率測量儀的結(jié)構(gòu)圖，由圖中可以看出，該測量儀包括信號發(fā)生器，其與環(huán)行器和延時器相連，生成高頻正弦信號后分別向環(huán)行器和延時器輸出檢測信號vt和參考信號vr，其中，vt和vr為具有相同頻率、幅度和初相位的高頻正弦信號；由此，使用單一頻率的正弦信號代替?zhèn)鹘y(tǒng)的階躍信號；環(huán)行器，其與信號發(fā)生器、阻抗變換器、相位檢測器和檢波器相連，檢測信號Vt通過同軸電纜、阻抗變換器后進(jìn)入待測土壤中的傳感器探頭，并在探頭端部產(chǎn)生反射，此后，環(huán)行器將探頭端部的反射信號vt與入射信號相分離，并將反射信號vt輸出給相位檢測器和檢波器；其中，阻抗變換器可以為阻抗變換電路；延時器，其與信號發(fā)生器、相位檢測器和檢波器相連，使來自信號發(fā)生器的參考信號vr的傳輸時間延遲，延時器的延遲時間正好為檢測信號vt在環(huán)行器、同軸電纜和阻抗變換器上的傳輸時間；其中，延時器可以為延時電纜；相位檢測器，其與環(huán)形器、延時器以及微處理器相連，將延時器輸出的參考信號vr與環(huán)行器輸出的反射信號vt之間的相位差轉(zhuǎn)化為與之成比例的直流電壓信號，輸出給微處理器中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；由此，使用相位檢測方法代替了傳統(tǒng)的高速采樣示波器方法；檢波器，其與延時器、環(huán)形器以及微處理器相連，對延時器輸出的參考信號vr和環(huán)行器輸出的反射信號vt進(jìn)行整流，分別獲取其電壓幅值Vr和Vt并輸出給微處理器中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；微處理器與相位檢測器和檢波器相連，對其輸出的信號進(jìn)行處理，根據(jù)需要計(jì)算待測土壤含水量和/或電導(dǎo)率；進(jìn)步一地，其包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對所述相位檢測器和檢波器輸出的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化并分別輸出給傳播時間計(jì)算器和反射系數(shù)計(jì)算器；傳播時間計(jì)算器，根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的相位差值計(jì)算檢測信號Vt在所述傳感器探頭上的傳播時間t；反射系數(shù)計(jì)算器，根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的電壓幅值Vr和Vt計(jì)算信號反射系數(shù)P=Vt/Vr；水分計(jì)算器，根據(jù)所述傳播時間t和預(yù)先標(biāo)定的含水量標(biāo)定公式計(jì)算得到待測土壤含水量θ；電導(dǎo)率計(jì)算器，根據(jù)所述含水量θ、所述反射系數(shù)P以及預(yù)先標(biāo)定的電導(dǎo)率標(biāo)定公式計(jì)算得到待測土壤電導(dǎo)率σ。由于環(huán)行器、同軸電纜和阻抗變換器對信號的衰減很小，可忽略不計(jì)，則反射系數(shù)P反映了信號在沿傳感器探頭傳播時由土壤的介質(zhì)損耗和傳導(dǎo)電流引起的信號衰減，而土壤介質(zhì)的介電常數(shù)又與土壤體積含水量有關(guān)，因此反射系數(shù)P與土壤含水量θ、土壤電導(dǎo)率O滿足一定的函數(shù)關(guān)系，該函數(shù)關(guān)系可通過標(biāo)定試驗(yàn)事先確定下來；電導(dǎo)率計(jì)算器根據(jù)反射系數(shù)P和該標(biāo)定公式即可計(jì)算出土壤電導(dǎo)率；因此，微處理器中還包括存儲器，存儲有事先通過標(biāo)定試驗(yàn)獲得的表征傳播時間t與土壤含水量θ之間函數(shù)關(guān)系的標(biāo)定公式以及表征反射系數(shù)P和土壤電導(dǎo)率σ以及含水量θ之間函數(shù)關(guān)系的標(biāo)定公式。其中，優(yōu)選地，所述傳感器探頭為不銹鋼材質(zhì)的平行三棒式探頭，通過阻抗變換器或其他設(shè)置使其與同軸電纜的特征阻抗值相匹配，從而減少信號在探頭首端的反射，進(jìn)而提高測量精度。其中，上述信號發(fā)生器、環(huán)行器、延時器、相位檢測器、檢波器均可以通過相應(yīng)電路、芯片、電纜等硬件實(shí)現(xiàn)，其分別為本領(lǐng)域公知技術(shù)，在此不作詳述。其中，上述微控制器內(nèi)嵌入的程序?yàn)榭梢园凑毡景l(fā)明的測量儀的工作流程執(zhí)行相應(yīng)操作的軟件。本發(fā)明還提供了使用上述基于相位檢測的土壤水分、電導(dǎo)率測量儀分別測量土壤水分和土壤電導(dǎo)率的方法，包括高頻正弦信號發(fā)生器輸出頻率、幅度和初相位完全一致的測試信號(Vt)和參考信號(vr)；如圖2中虛線所示為測試信號Vt的傳播路徑，點(diǎn)線所示為參考信號vr的傳播路徑；具體地，vt經(jīng)環(huán)行器、同軸電纜和阻抗變換電路進(jìn)入傳感器探頭并在探頭末端產(chǎn)生反射，環(huán)行器將反射信號分離出來送入相位檢測器和檢波器；同時，vr經(jīng)延時器延遲后也輸入相位檢測器和檢波器，其延遲時間應(yīng)正好等于vt在環(huán)行器、同軸電纜和阻抗變換電路上的傳輸時間；相位檢測器將反射信號vt和參考信號vr之間的相位差轉(zhuǎn)換為與之成比例的直流電壓信號后送入微處理器；微處理器根據(jù)相位差計(jì)算得到電磁波在探頭上的傳播時間t，再根據(jù)事先設(shè)置的含水量標(biāo)定公式計(jì)算得到土壤含水量；檢波器對參考信號vr和反射信號vt進(jìn)行整流，得到vr和vt的電壓幅值Vr和Vt，這兩個電壓幅值經(jīng)A/D變換后送入微處理器中用于計(jì)算信號的反射系數(shù)P(=Vt/Vr)；最后根據(jù)事先設(shè)定的電導(dǎo)率標(biāo)定公式即可計(jì)算出土壤電導(dǎo)率。其中，所述含水量標(biāo)定公式和電導(dǎo)率標(biāo)定公式均為實(shí)施測量前通過試驗(yàn)預(yù)先標(biāo)定獲得的。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，土壤含水量θ與信號傳播時間t之間函數(shù)關(guān)系為θ=-3.1363t3+24.016t2-60.442t+50.15，其中，θ為容積含水量m3/m3，t為信號傳播時間nso本實(shí)施例的標(biāo)定方法以土水比為15的土壤浸提液電導(dǎo)率(ο)作為土壤電導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)，對P-TDR的反射系數(shù)與電導(dǎo)率關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定。用分析純的KCl和去離子水以0.3dS/m的間隔配制8種不同電導(dǎo)率的土樣，土樣電導(dǎo)率(dS/m)的設(shè)計(jì)值為0、0.3、0.6、0.9、1.2,1.5,1.8,2.1，由于土壤本身具有微弱的電導(dǎo)率，所以加入KCl后土樣的實(shí)際電導(dǎo)率與設(shè)計(jì)值會有微小差別，因此，試驗(yàn)后用PET2000型電導(dǎo)率儀測量每個土樣的15土壤浸提液電導(dǎo)率ο作為土樣電導(dǎo)率的實(shí)際值。對上述8個土樣以0.05m3/m3的土壤含水量增量依次加入去離子水直至飽和，用P-TDR測量各個含水量水平下土壤的反射系數(shù)。通過分析反射系數(shù)的變化規(guī)律，研究P-TDR測量土壤電導(dǎo)率的有效性，并且對測量結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)過程中環(huán)境溫度控制在20°C左右。實(shí)驗(yàn)中采用平行三棒式探頭，不銹鋼探頭直徑為4mm、長為30mm、棒間距離為20mm。具體地，試驗(yàn)準(zhǔn)備工作包括將試驗(yàn)用土風(fēng)干后用最大孔徑2mm的篩子過篩，然后放到烘箱中以105°C的溫度烘干24小時，在干燥的環(huán)境下冷卻至室溫備用。用于裝填土樣的PVC桶內(nèi)徑為15cm、深為25cm，本試驗(yàn)設(shè)定需裝填的土壤體積Vs=800mL，并在桶內(nèi)相應(yīng)高度處做上標(biāo)記，以便每次裝填時使土樣體積保持不變。根據(jù)事先確定的土壤干容重Pb=1.7g/mL計(jì)算出所需干土的質(zhì)量隊(duì)=PbVs=1360g，用TClOKB型電子天平稱取該質(zhì)量的干土8份。TClOKB型電子天平的最大稱量為10kg、靈敏度為0.lg。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的土壤電導(dǎo)率σ(dS/m)計(jì)算每個土樣需摻入KCl的量值。計(jì)算方法是若要使土樣土水比為15的土壤浸提液的電導(dǎo)率為σ，已知濃度為lmol/L的KCl溶液電導(dǎo)率在25°C時為128.8dS/m,KCl分子量為74.5g/mol，水的密度為1000g/L，土樣的土壤質(zhì)量為ms，則所需KCl質(zhì)量mKC1為mKC1=σ/128.8X74.5X5ms/1000(5)試驗(yàn)步驟包括首先配制體積含水量θ=0.05m3/m3土樣。取0.05VS去離子水，用LA164型電子分析天平(量程160g，最小分度值0.Img)稱取試驗(yàn)設(shè)計(jì)的土壤電導(dǎo)率所需的KCl量值，將其溶于該去離子水中。將干土和KCl溶液倒入金屬盆進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆?，用分層裝填法裝入PVC桶中。按上述步驟裝填好8個土樣后，密封靜置24小時，然后用P-TDR分別測量并記錄8個土樣的信號反射系數(shù)P；再次稱取0.05VS去離子水，將其與每個土樣的土壤重新充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆蚝笱b入PVC桶中靜置24小時，得到8個溶質(zhì)含量不變但體積含水量增加到0.IOmVrn3的土樣，再次測量并記錄8個土樣的信號反射系數(shù)P；以0.05m3/m3的土壤含水量增量重復(fù)上述步驟至土壤體積含水量達(dá)0.25m3/m3時，靜置24小時后土樣表面有少量水分滲出，說明土壤已達(dá)飽和，測量各土樣的信號反射系數(shù)后，進(jìn)入下一步；從每個土樣中取少量的土，按土水質(zhì)量比為15的比例計(jì)算并稱取去離子水，計(jì)算過程中應(yīng)考慮試驗(yàn)中已加入的去離子水的量，均勻混合靜置24小時后取澄清液，使用PET2000型電導(dǎo)率儀測量澄清液的電導(dǎo)率。該值即為每個土樣的電導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)值。本實(shí)施例的上述試驗(yàn)在5種土壤含水量情況下對8個不同電導(dǎo)率的土樣(沙壤土)分別測量信號的反射系數(shù)，共得到5組40個反射系數(shù)P，測量結(jié)果見表1所示；圖3所示為特定體積含水量下土壤電導(dǎo)率與信號反射系數(shù)關(guān)系圖。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>分別采用線性模型和二次多項(xiàng)式模型對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合試驗(yàn)?？紤]到當(dāng)反射系數(shù)P=1時表示沒有信號衰減，對應(yīng)電導(dǎo)率應(yīng)為0，并且電導(dǎo)率隨反射系數(shù)增加應(yīng)單調(diào)減小，因此模型表達(dá)式采用如式(6)、式(7)的形式。線性模型ο=A(P-I)(6)二次多項(xiàng)式模型σ=A(P-I)2(7)模型的擬合結(jié)果見表2。對表2中決定系數(shù)(R2)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，線性模型在低含水量情況下擬合效果較好，而二次多項(xiàng)式模型則正好相反，考慮到實(shí)際應(yīng)用情況，選擇二次多項(xiàng)式作為P-TDR的電導(dǎo)率測量模型。這時，在各個含水量情況下R2值均大于0.812，均方根誤差(RMSE)則小于0.294dS/m。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>二次多項(xiàng)式模型中各含水量水平下標(biāo)定公式的系數(shù)A如圖4所示。可見，標(biāo)定方程系數(shù)A是土壤含水量的函數(shù)，采用二次多項(xiàng)式對A與θ的關(guān)系Α(θ)進(jìn)行擬合，結(jié)果如式(8)所示，圖4中繪出了擬合曲線，決定系數(shù)R2=O.99。Α(θ)=1468θ2-531.76θ+75.474(8)將式⑶代入式(7)，得P-TDR測量土壤電導(dǎo)率的標(biāo)定公式σ=(1468θ2-531.76θ+75.474)(P_1)2(9)進(jìn)一步分析表2兩種模型的R2值發(fā)現(xiàn)，對于線性模型，當(dāng)土壤含水量增加時，擬合精度持續(xù)下降，而對于二次模型，土壤含水量較大時(θ=0.20m3/m3)擬合精度最高。因此如果希望在所有含水量情況下均保持較高的測量精度，可考慮將土壤含水量分成高、低兩個區(qū)間，分別采用線性和二次模型建模。以上實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。權(quán)利要求一種基于相位檢測的土壤水分、電導(dǎo)率測量儀，其特征在于，包括信號發(fā)生器，分別向環(huán)行器和延時器輸出具有相同頻率、幅度和初相位的高頻正弦檢測信號vt和參考信號vr；環(huán)行器，通過同軸電纜和阻抗變換器向待測土壤內(nèi)的傳感器探頭輸出所述檢測信號vt，分離出經(jīng)傳感器探頭末端反射回來的反射信號vt并分別輸出給相位檢測器和檢波器；延時器，使所述信號發(fā)生器輸出的參考信號vr的傳輸時間產(chǎn)生延時后輸出給相位檢測器；相位檢測器，將所述延時器輸出的參考信號vr與所述環(huán)行器輸出的反射信號vt之間的相位差轉(zhuǎn)化為與之成比例的直流電壓信號，輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換器；檢波器，對所述延時器輸出的參考信號vr和所述環(huán)行器輸出的反射信號vt進(jìn)行整流，分別獲取其電壓幅值Vr和Vt并輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換器；模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對所述相位檢測器和檢波器輸出的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化并分別輸出給傳播時間計(jì)算器和反射系數(shù)計(jì)算器；傳播時間計(jì)算器，根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的相位差值計(jì)算檢測信號vt在所述傳感器探頭上的傳播時間t；反射系數(shù)計(jì)算器，根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的電壓幅值Vr和Vt計(jì)算信號反射系數(shù)ρ＝Vt/Vr；水分計(jì)算器，根據(jù)所述傳播時間t和預(yù)先標(biāo)定的含水量標(biāo)定公式計(jì)算得到待測土壤含水量θ；電導(dǎo)率計(jì)算器，根據(jù)所述含水量θ、所述反射系數(shù)ρ以及預(yù)先標(biāo)定的電導(dǎo)率標(biāo)定公式計(jì)算得到待測土壤電導(dǎo)率σ。2.如權(quán)利要求1所述的基于相位檢測的土壤水分、電導(dǎo)率測量儀，其特征在于，所述延時器為延時電纜。3.如權(quán)利要求1所述的基于相位檢測的土壤水分、電導(dǎo)率測量儀，其特征在于，所述阻抗轉(zhuǎn)換器為阻抗轉(zhuǎn)換電路。4.一種使用如權(quán)利要求1或2或3所述的測量儀測量土壤水分的方法，其特征在于，包括以下步驟生成具有相同頻率、幅度和初相位的高頻正弦檢測信號vt和參考信號vr；環(huán)行器通過同軸電纜和阻抗變換器將所述檢測信號vt傳送給待測土壤內(nèi)的傳感器探頭，分離出經(jīng)傳感器探頭末端反射回來的反射信號vt并輸出；使所述參考信號vr的傳輸時間延遲，延遲時間與檢測信號vt在環(huán)行器、同軸電纜和阻抗變換器上的傳輸時間相等；將所述延遲輸出的參考信號vr與反射信號vt之間的相位差轉(zhuǎn)化為與之成比例的直流電壓信號，隨后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；根據(jù)所述數(shù)字信號中包含的相位差值計(jì)算檢測信號vt在所述傳感器探頭上的傳播時間t，并根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的表征所述傳播時間t與土壤含水量θ之間函數(shù)關(guān)系的標(biāo)定公式計(jì)算得到待測土壤含水量θ。5.如權(quán)利要求4所述的測量土壤水分的方法，其特征在于，還包括，預(yù)先確定所述傳播時間t與土壤含水量θ之間的函數(shù)關(guān)系。6.如權(quán)利要求5所述的測量土壤水分的方法，其特征在于，所述傳播時間t與土壤含水量θ之間的函數(shù)關(guān)系為θ=-3.1363t3+24.016t2-60.442t+50.15，其中，θ為容積含水量m3/m3，t為信號傳播時間ns。7.一種使用如權(quán)利要求1或2或3所述的測量儀測量土壤電導(dǎo)率的方法，其特征在于，包括以下步驟生成具有相同頻率、幅度和初相位的高頻正弦檢測信號vt和參考信號vr；環(huán)行器通過同軸電纜和阻抗變換器將所述檢測信號vt傳送給待測土壤內(nèi)的傳感器探頭，分離出經(jīng)傳感器探頭末端反射回來的反射信號vt并輸出；使所述參考信號vr的傳輸時間延遲，延遲時間與檢測信號vt在環(huán)行器、同軸電纜和阻抗變換器上的傳輸時間相等；將所述延遲輸出的參考信號vr與反射信號vt之間的相位差轉(zhuǎn)化為與之成比例的直流電壓信號,隨后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；根據(jù)所述數(shù)字信號中的相位差值計(jì)算檢測信號vt在所述傳感器探頭上的傳播時間t，并根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的表征所述傳播時間t與土壤含水量θ之間函數(shù)關(guān)系的標(biāo)定公式計(jì)算得到待測土壤含水量θ；對所述延遲輸出的參考信號vr和所述反射信號vt進(jìn)行整流，分別獲取其電壓幅值Vr和Vt，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；根據(jù)所述數(shù)字信號中的電壓幅值Vr和Vt計(jì)算信號在所述傳感器探頭上的反射系數(shù)P=Vt/Vr，并根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的表征反射系數(shù)P、含水量θ與土壤電導(dǎo)率σ之間函數(shù)關(guān)系的標(biāo)定公式計(jì)算得到待測土壤電導(dǎo)率ο。8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，還包括通過標(biāo)定試驗(yàn)預(yù)先確定信號反射系數(shù)P、含水量θ與土壤電導(dǎo)率ο之間的函數(shù)關(guān)系。9.如權(quán)利要求8所述的測量土壤電導(dǎo)率的方法，其特征在于，所述反射系數(shù)P、含水量θ與土壤電導(dǎo)率σ之間函數(shù)關(guān)系為σ=(1468θ2-531·76θ+75·474)(Ρ-1)2。全文摘要本發(fā)明提供了一種基于相位檢測的土壤水分、電導(dǎo)率測量儀，包括信號發(fā)生器，環(huán)行器，延時器，相位檢測器，檢波器及微處理器。本發(fā)明使用單一頻率的正弦信號代替階躍信號，使用相位檢測器將入射信號和反射信號的相位差轉(zhuǎn)換為與之成正比的直流電壓信號，通過測量直流電壓信號即可得到電磁波在探頭上的傳播時間，檢波器將參考信號和反射信號進(jìn)行整流，分別獲取其電壓幅值并輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過標(biāo)定可進(jìn)一步得到土壤含水量和電導(dǎo)率。由于沒有采用昂貴的快速階躍信號發(fā)生器和高頻采樣示波器技術(shù)，大大降低了成本和技術(shù)難度，其技術(shù)性能與國外同類儀器相當(dāng)，但價格僅為國外產(chǎn)品的50％。此外，還提供了使用該測量儀測量土壤含水量和/或電導(dǎo)率的方法。文檔編號G01R27/02GK101799436SQ201010139210公開日2010年8月11日申請日期2010年3月18日優(yōu)先權(quán)日2010年3月18日發(fā)明者馮磊,張方賢,李子忠,楊衛(wèi)中,王一鳴,王克棟,董喬雪,龔元石申請人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)