專利名稱：一種基于rc網(wǎng)絡(luò)頻率特性的土壤含水量測量裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)信息檢測技術(shù)研究領(lǐng)域，特別涉及一種基于RC網(wǎng)絡(luò)頻率特性的土壤含水量測量裝置和方法。
背景技術(shù)：
土壤含水量是影響農(nóng)作物生長的重要因素之一。土壤含水量的監(jiān)測是實施節(jié)水灌溉的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。通過實時測量土壤水分可以及時地了解土壤墑情，對作物需水規(guī)律的研究也具有重要的現(xiàn)實意義。目前，土壤水分的測定方法有烘干法、射線法、介電特性法、核磁共振法、分離示蹤劑法和遙感法等。其中，介電特性法是利用土壤中所含水分與土壤的介電特性關(guān)系間接地測量土壤含水量，能實現(xiàn)土壤水分的快速無損測量。介電特性法又可分為基于電阻原理、基于電容原理、基于時域反射原理、基于頻率反射原理和基于駐波原理的測量方法。但每種實現(xiàn)方法有其優(yōu)勢與不足。綜合考慮技術(shù)難度、成本、精度和實時性等因素，當(dāng)前土壤含水量測量方法中，以基于電容原理的介電方法較為普遍，并在此方法的基礎(chǔ)上研制了許多土壤含水量傳感器?，F(xiàn)有基于電容原理的介電法土壤含水量傳感器常采用鑒相法檢測高頻信號的延遲時間，進而確定傳感器電極之間土壤的電容。換言之，現(xiàn)有方法僅僅利用了電路的相頻特性感知土壤含水量，而忽視了電路的幅頻特性的作用。因此，現(xiàn)有基于電容原理的介電法土壤含水量傳感器在檢測方法上存在一定的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種基于RC網(wǎng)絡(luò)頻率特性的土壤含水量測量裝置，該裝置包括RC網(wǎng)絡(luò)電路和幅相檢測模塊，能夠同時測量RC網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性電壓和相頻特性電壓用于含水量的計算，提高了土壤含水量檢測的準(zhǔn)確度。本發(fā)明的另一個目的在于提供一種基于上述裝置的RC網(wǎng)絡(luò)頻率特性的土壤含水量測量方法，該方法是同時利用了土壤含水量對RC網(wǎng)絡(luò)的相頻特性的變異信息和幅頻特性的變異信息，增加了土壤含水量信息感知來源，進一步提高了 土壤含水量檢測的準(zhǔn)確度。本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)一種基于RC網(wǎng)絡(luò)頻率特性的土壤含水量測量裝置，包括電極、RC網(wǎng)絡(luò)、高頻信號源、幅相檢測模塊和數(shù)據(jù)處理裝置，其中用于檢測土壤含水量的電極作為電容器接入Re網(wǎng)絡(luò)，高頻信號源將高頻信號發(fā)送到RC網(wǎng)絡(luò)和幅相檢測模塊，幅相檢測模塊與RC網(wǎng)絡(luò)相連，用于根據(jù)高頻信號和RC網(wǎng)絡(luò)的輸出值測量得到RC網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性電壓和相頻特性電壓，幅相檢測模塊與數(shù)據(jù)處理裝置相連，用于上傳測到的幅頻特性電壓和相頻特性電壓；數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)測量前后幅頻特性電壓變化量、相頻特性電壓變化量與土壤含水量關(guān)系得到含水量。幅相檢測模塊同時檢測RC網(wǎng)絡(luò)的相頻特性信息和幅頻特性信息，提高了土壤含水量檢測的準(zhǔn)確度。優(yōu)選的，所述RC網(wǎng)絡(luò)為一階無源RC網(wǎng)絡(luò)電路，包括一個電容和一個電阻，電容和電極并聯(lián)，二者并聯(lián)后與電阻串聯(lián)，電阻與電容相連的一端為RC網(wǎng)絡(luò)的輸出端，電阻另一端為RC網(wǎng)絡(luò)的輸入端。這種結(jié)構(gòu)具有實現(xiàn)簡單的優(yōu)點。RC電路網(wǎng)絡(luò)的形式可以有其它多種，但一階無源RC低通網(wǎng)絡(luò)由一個電阻R和一個電容C構(gòu)成，是最簡單的一種形式，同時也最方便測量其頻率特性。另外，一階無源RC低通網(wǎng)絡(luò)可以最大程度避免進行回歸建模時得到過分非線性化的回歸模型，有利于提高傳感器的測量準(zhǔn)確性。優(yōu)選的，所述裝置還包括顯示器，顯示器與數(shù)據(jù)處理裝置相連，用于顯示土壤含水量預(yù)測結(jié)果。以便更好地進行人機交互。一種基于上述裝置的基于RC網(wǎng)絡(luò)頻率特性的土壤含水量測量方法，用于檢測土壤含水量的電極作為電容器接入RC網(wǎng)絡(luò)中，高頻信號注入RC網(wǎng)絡(luò)輸入端，首先進行初始建模，檢測電極未插入土壤樣本時RC網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性電壓和相頻特性電壓，檢測電極插入若干個標(biāo)準(zhǔn)含水量的土壤樣本時分別得到的RC網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性電壓和相頻特性電壓，得到測量前后輸出的幅頻電壓變化量、相頻電壓變化量，建立幅頻電壓變化量、相頻電壓變化量與土壤含水量關(guān)系的回歸方程；然后實際測量時，根據(jù)電極未插入和插入待測土壤中時幅頻電壓變化量和相頻電壓變化量，根據(jù)上述回歸方程，即得到土壤含水量。具體包括以下步驟(I)初始建模，具體包括以下步驟(1-1)設(shè)RC網(wǎng)絡(luò)為一階無源RC網(wǎng)絡(luò)電路，包括一個電容和一個電阻，電容和電極并聯(lián)，二者并聯(lián)后與電阻串聯(lián)，設(shè)電極電容為CX，RC網(wǎng)絡(luò)固定電容為C。，電阻為R，RC網(wǎng)絡(luò)電路總電容為C=CJCtl,電阻R上與電容Ctl相連的一端稱為RC網(wǎng)絡(luò)的輸出端，將電阻R的另一端稱為RC網(wǎng)絡(luò)的輸入端；

(1-2)特定頻率的高頻信號從RC網(wǎng)絡(luò)的輸入端注入，為RC網(wǎng)絡(luò)和幅相檢測模塊提供激勵信號源；(1-3)測量空載，即電極未插入土壤中時RC網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性電壓Vm和相頻特性電壓VP;(1-4)給定標(biāo)準(zhǔn)含水量的土壤樣本，分別測量帶載，即電極分別插入土壤樣本中時RC網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性電壓V' M和相頻特性電壓V' p；(1-5)每個土壤樣本均分別得到RC網(wǎng)絡(luò)幅頻特性電壓的變化量AVm=V' M_VM和相頻特性電壓的變化量AVp=V' p_Vp，進而建立幅頻電壓變化量ΛVM、相頻電壓變化量AVp與土壤含水量W關(guān)系的回歸方程；(2)實際測量(2-1)測量電極未插入土壤中時RC網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性電壓VM,dP相頻特性電壓VP，K ；(2-2)測量電極插入待測土壤中時RC網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性電壓V M, E和相頻特性電壓 V，Ρ,Ε； (2-3 )得到RC網(wǎng)絡(luò)幅頻特性電壓的變化量Λ E=V! % K_VM，E和相頻特性電壓的變化量P，K-VP,K，根據(jù)步驟(1-5)中幅頻電壓變化量、相頻電壓變化量與土壤含水量關(guān)系的回歸方程，得到此待測土壤對應(yīng)的土壤含水量。優(yōu)選的，所述步驟(1-5)建立幅頻電壓變化量AVM、相頻電壓變化量AVp與土壤含水量W關(guān)系的回歸方程，公式為
權(quán)利要求
1.一種基于RC網(wǎng)絡(luò)頻率特性的土壤含水量測量裝置，其特征在于，包括電極、RC網(wǎng)絡(luò)、高頻信號源、幅相檢測模塊和數(shù)據(jù)處理裝置，其中用于檢測土壤含水量的電極作為電容器接入RC網(wǎng)絡(luò)，高頻信號源將高頻信號發(fā)送到RC網(wǎng)絡(luò)和幅相檢測模塊，幅相檢測模塊與RC網(wǎng)絡(luò)相連，用于根據(jù)高頻信號和RC網(wǎng)絡(luò)的輸出值測量得到RC網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性電壓和相頻特性電壓，幅相檢測模塊與數(shù)據(jù)處理裝置相連，用于上傳測到的幅頻特性電壓和相頻特性電壓；數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)測量前后幅頻特性電壓變化量、相頻特性電壓變化量與土壤含水量關(guān)系得到含水量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于RC網(wǎng)絡(luò)頻率特性的土壤含水量測量裝置，其特征在于，所述RC網(wǎng)絡(luò)為一階無源RC網(wǎng)絡(luò)電路，包括一個電容和一個電阻，電容和電極并聯(lián)，二者并聯(lián)后與電阻串聯(lián)，電阻與電容相連的一端為RC網(wǎng)絡(luò)的輸出端，電阻另一端為RC網(wǎng)絡(luò)的輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于RC網(wǎng)絡(luò)頻率特性的土壤含水量測量裝置，其特征在于，所述裝置還包括顯示器，顯示器與數(shù)據(jù)處理裝置相連。
4.一種基于RC網(wǎng)絡(luò)頻率特性的土壤含水量測量方法，其特征在于，用于檢測土壤含水量的電極作為電容器接入RC網(wǎng)絡(luò)中，高頻信號注入RC網(wǎng)絡(luò)輸入端，首先進行初始建模，檢測電極未插入土壤樣本時RC網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性電壓和相頻特性電壓，檢測電極插入若干個標(biāo)準(zhǔn)含水量的土壤樣本時分別得到的RC網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性電壓和相頻特性電壓，得到測量前后輸出的幅頻電壓變化量、相頻電壓變化量，建立幅頻電壓變化量、相頻電壓變化量與土壤含水量關(guān)系的回歸方程；然后實際測量時，根據(jù)電極未插入和插入待測土壤中時幅頻電壓變化量和相頻電壓變化量，根據(jù)上述回歸方程，即得到土壤含水量。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于RC網(wǎng)絡(luò)頻率特性的土壤含水量測量方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)初始建模 (1-1)設(shè)RC網(wǎng)絡(luò)為一階無源RC網(wǎng)絡(luò)電路，包括一個電容和一個電阻，電容和電極并聯(lián)，二者并聯(lián)后與電阻串聯(lián)，設(shè)電極電容為Cx，RC網(wǎng)絡(luò)固定電容為C。，電阻為R，RC網(wǎng)絡(luò)電路總電容為C = Cx+C0,電阻R上與電容Ctl相連的一端稱為RC網(wǎng)絡(luò)的輸出端，將電阻R的另一端稱為RC網(wǎng)絡(luò)的輸入端； (1-2)特定頻率的高頻信號從RC網(wǎng)絡(luò)的輸入端注入，為RC網(wǎng)絡(luò)和幅相檢測模塊提供激勵信號源； (1-3)測量空載，即電極未插入土壤中時RC網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性電壓Vm和相頻特性電壓Vp; (1-4)給定標(biāo)準(zhǔn)含水量的土壤樣本，分別測量帶載，即電極分別插入土壤樣本中時RC網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性電壓V' 和相頻特性電壓V' p； (1-5)每個土壤樣本均分別得到RC網(wǎng)絡(luò)幅頻特性電壓的變化量Λ Vm=V/ M-VM和相頻特性電壓的變化量ΛVp=V' p_Vp，進而建立幅頻電壓變化量ΛVM、相頻電壓變化量ΛVp與土壤含水量W關(guān)系的回歸方程； (2)實際測量: (2-1)測量電極未插入土壤中時RC網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性電壓VM,κ和相頻特性電壓VP，K ； (2-2)測量電極插入待測土壤中時RC網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性電壓V' Μ,κ和相頻特性電壓V’p,E(2-3 )得到RC網(wǎng)絡(luò)幅頻特性電壓的變化量Λ \ E=V' M； E-VM；E和相頻特性電壓的變化量AVP；E=V/ P，K-VP,K，根據(jù)步驟(1-5)中幅頻電壓變化量、相頻電壓變化量與土壤含水量關(guān)系的回歸方程，得到此待測土壤對應(yīng)的土壤含水量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于RC網(wǎng)絡(luò)頻率特性的土壤含水量測量方法，其特征在于，所述步驟(1-5 )建立幅頻電壓變化量Λ \、相頻電壓變化量Λ Vp與土壤含水量W關(guān)系的回歸方程，公式為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于RC網(wǎng)絡(luò)頻率特性的土壤含水量測量裝置和方法，該裝置包括電極、RC網(wǎng)絡(luò)、高頻信號源、幅相檢測模塊和數(shù)據(jù)處理裝置。該方法是將電極接入RC網(wǎng)絡(luò)中，高頻信號注入RC網(wǎng)絡(luò)輸入端，進行初始建模，檢測電極未插入土壤時以及插入若干個標(biāo)準(zhǔn)含水量的土壤樣本時RC網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性電壓和相頻特性電壓，進而得到測量前后輸出的幅頻電壓變化量、相頻電壓變化量，建立幅頻電壓變化量、相頻電壓變化量與土壤含水量關(guān)系的回歸方程；然后實際測量時，根據(jù)待測土壤中的測量值和上述回歸方程，即得到土壤含水量。本發(fā)明同時利用土壤含水量對RC網(wǎng)絡(luò)的相頻特性和幅頻特性的變異信息，增加了土壤含水量信息感知來源，提高了土壤含水量檢測的準(zhǔn)確度。
文檔編號G01N27/22GK103048364SQ20121049951
公開日2013年4月17日 申請日期2012年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月28日
發(fā)明者蔡坤, 洪添勝, 岳學(xué)軍, 徐興, 黃雙萍, 劉永鑫, 王葉夫, 楊洲, 蘇建, 朱余清, 宋淑然 申請人:華南農(nóng)業(yè)大學(xué)