一種基于頻域反射法的管針式土壤含水率檢測(cè)方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于頻域反射法的管針式土壤含水率檢測(cè)方法及裝置，涉及土壤含水率檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】。以高頻信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，根據(jù)電磁波傳輸理論中阻抗匹配的原理，測(cè)量高頻衰減信號(hào)幅值，以反映待測(cè)土壤和探頭阻抗的變化；同時(shí)測(cè)量土壤的容積密度和溫度，根據(jù)含水率與高頻衰減信號(hào)幅值、溫度和容積密度的函數(shù)關(guān)系或溫度和容積密度對(duì)含水率的修正方法，精確地獲得土壤的含水率。基于該方法的裝置包括管針式土壤含水率探頭、50Ω同軸連接線、高頻信號(hào)激勵(lì)電路、電壓檢測(cè)電路、溫度傳感器、質(zhì)量傳感器、電源模塊、微處理器和顯示模塊。利用本發(fā)明可消除土壤溫度和容積密度對(duì)土壤含水率測(cè)量的影響，實(shí)現(xiàn)土壤含水率的準(zhǔn)確、快速測(cè)量，且成本低。
【專利說(shuō)明】一種基于頻域反射法的管針式土壤含水率檢測(cè)方法和裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及土壤含水率檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于頻率反射法的管針式土壤含水率檢測(cè)方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本生產(chǎn)資料，也是為農(nóng)作物提供養(yǎng)分的載體。土壤含水率對(duì)于農(nóng)作物的生長(zhǎng)非常重要。首先農(nóng)作物必須要吸收足夠的水分才能滿足自身的生長(zhǎng)需要；其次，水分將土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)溶解成溶液，通過(guò)植物根部細(xì)胞內(nèi)外的溶液濃度進(jìn)行交換，完成營(yíng)養(yǎng)的吸收；最后，水分的滲透作用可以將人工施加的肥料帶入土壤內(nèi)部，使土壤肥力提高。土壤含水率是了解農(nóng)田狀況以及農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況的一項(xiàng)重要指標(biāo)。
[0003]目前，土壤含水率檢測(cè)裝置所采用的方法主要有張力計(jì)法、電阻法、中子法、射線法、光學(xué)法和介電法。相比而言，通過(guò)土壤介電特性測(cè)量土壤含水率的介電法是一種快速、簡(jiǎn)單、有效的測(cè)量方法。1976年，Topp和Davis首先將時(shí)域反射法引入到土壤水分快速測(cè)量的研究中，并于1980年應(yīng)用統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)中數(shù)值逼近理論中的理論分類(lèi)法找出了土壤含水率與介電常數(shù)間的多項(xiàng)式關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)方程，并在不同成分、類(lèi)型的土壤條件下進(jìn)行了試驗(yàn)，證明具有較高的測(cè)量精度。以此為基礎(chǔ)，基于介電特性測(cè)量土壤含水率的方法得到了廣泛的探索和應(yīng)用。
[0004]目前，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上基于介電法研發(fā)的土壤含水率傳感器主要有時(shí)域反射法(TDR)和頻域反射法(FDR)兩種。其中時(shí)域反射法(TDR)是基于電磁波在不同介質(zhì)中傳播速度不同的原理，根據(jù)高頻電磁波在土壤中發(fā)射波和反射波間的時(shí)間差來(lái)測(cè)定土壤含水率。由于電磁波傳播速度很快，導(dǎo)致發(fā)射波與反射波的時(shí)間差極短，需要超高速延遲測(cè)量技術(shù)，因此，該技術(shù)的成本較高，較難應(yīng)用于低成本的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。
[0005]頻域反射法(FDR)是根據(jù)土壤表觀介電常數(shù)隨土壤含水率變化而變化的原理測(cè)量土壤含水率?；陬l域反射法(FDR)的土壤含水率檢測(cè)儀器一般在幾十到幾百兆赫茲范圍內(nèi)工作，可以將介電常數(shù)的變化用電壓或其他形式表現(xiàn)。頻域反射法(FDR) 土壤含水率檢測(cè)儀器的測(cè)量結(jié)果易受土壤的質(zhì)地、溫度和容重的影響。現(xiàn)有的頻域法土壤含水率檢測(cè)儀通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定和引入溫度傳感器來(lái)克服土壤質(zhì)地和環(huán)境溫度的影響，而大多未考慮土壤容重的影響，導(dǎo)致測(cè)量精度不高。增加土壤緊實(shí)度傳感器而設(shè)計(jì)的復(fù)合式土壤含水率傳感器對(duì)于減小容重影響，提高含水率檢測(cè)精度有重要的作用，但卻使儀器成本增加，而且步進(jìn)電機(jī)的使用又增加了傳感器操作的復(fù)雜程度。因此，有必要開(kāi)發(fā)快速、低成本、操作簡(jiǎn)便、精度較高的土壤含水率檢測(cè)儀。
[0006]本發(fā)明的目的:克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種基于頻域反射法(FDR) 土壤水分快速、低成本、操作簡(jiǎn)便、精度高的測(cè)量方法和裝置。
[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題:(I)在頻域反射法(FDR) 土壤水分測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)上如何同時(shí)消除土壤溫度、土壤容積密度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，且測(cè)量速度快、操作方便、成本低、精度高；(2 )基于頻域反射法(FDR)，設(shè)計(jì)一種測(cè)量探頭及相關(guān)的測(cè)量輔助系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤水分測(cè)量時(shí)，能快速、方便、低成本地同時(shí)消除溫度和容積密度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，獲得較高的測(cè)量精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對(duì)現(xiàn)有頻域反射法(FDR) 土壤含水率儀器存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種一種基于頻域反射法的管針式土壤含水率檢測(cè)方法。其特征在于，以高頻信號(hào)作為激勵(lì)源，根據(jù)電磁波傳輸理論中阻抗匹配的原理，測(cè)量50Q同軸連接線與管針式土壤含水率探頭相連處的高頻電壓的幅值，以反映待測(cè)土壤和探頭阻抗的變化；利用土壤附著力以及管針式結(jié)構(gòu)帶出待測(cè)土壤，根據(jù)質(zhì)量傳感器測(cè)得的土壤質(zhì)量和管針式結(jié)構(gòu)探頭帶出土壤區(qū)域的體積獲得土壤的容積密度，利用溫度傳感器測(cè)量土壤的溫度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件建立的土壤含水率與探頭處的電壓幅值、土壤溫度和容積密度的函數(shù)關(guān)系或溫度和容積密度對(duì)含水率的修正方法，精確地計(jì)算出土壤的含水率。
[0009]此外，本發(fā)明的目的還在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、可以快速測(cè)量土壤容積密度的基于頻率反射法的管針式土壤含水率檢測(cè)裝置。
[0010]該裝置包括:管針式土壤含水率探頭1、50Q同軸連接線2、高頻信號(hào)激勵(lì)電路3、電壓檢測(cè)電路4、溫度傳感器5、質(zhì)量傳感器6、電源模塊7、微處理器8和顯示模塊9 ；
所述管針式土壤含水率探頭I包括測(cè)量探針10、測(cè)量管11和測(cè)量手柄12 ;測(cè)量探針10位于測(cè)量管11中心，測(cè)量探針10和測(cè)量管11固定在測(cè)量手柄12上；所述溫度傳感器5嵌入安裝于管針式土壤含水率探頭I測(cè)量管11外側(cè)；所述質(zhì)量傳感器6安裝于管針式土壤含水率探頭I的測(cè)量手柄12下端，質(zhì)量傳感器6的下端面為一個(gè)平面，可保證管針式土壤含水率探頭(I)及其上附屬部件以此平面為支撐倒立站穩(wěn)；測(cè)量手柄12上對(duì)稱布置有手把19，與管針式土壤含水率探頭1、溫度傳感器5以及質(zhì)量傳感器6相連的電纜20從一側(cè)手把19中心穿出；
所述50 Q同軸連接線2的中心導(dǎo)線的一端與管針式土壤含水率探頭I的測(cè)量探針10相連，其屏蔽金屬網(wǎng)線與管針式土壤含水率探頭I的測(cè)量管11相連；50Q同軸連接線2中心導(dǎo)線的另一端連接高頻信號(hào)激勵(lì)電路3 ；
所述高頻信號(hào)激勵(lì)電路3包括高頻信號(hào)發(fā)生芯片16、差分處理電路17和放大電路18，用于產(chǎn)生管針式土壤含水率探頭I所適用的高頻信號(hào)；
所述電壓檢測(cè)電路4包括高頻濾波13、高頻檢波14和信號(hào)處理15模塊，用于檢測(cè)50 Q同軸連接線2與管針式土壤含水率探頭I相連處的高頻電壓的幅值，以反映待測(cè)土壤和探頭阻抗的變化；所述溫度傳感器5和質(zhì)量傳感器6分別用于采集所測(cè)土壤樣品的溫度和質(zhì)量;
所述微處理器8分別與電壓檢測(cè)電路4、溫度傳感器5和質(zhì)量傳感器6相連，用于處理電壓檢測(cè)電路4輸出信號(hào)、溫度傳感器5輸出信號(hào)和質(zhì)量傳感器6輸出信號(hào)，計(jì)算土壤含水率；
所述顯示模塊9與微處理器8相連，用于顯示微處理器8輸出的土壤含水率計(jì)算結(jié)果；所述電源模塊7分別與高頻信號(hào)激勵(lì)電路3、電壓檢測(cè)電路4、溫度傳感器5、質(zhì)量傳感器6和微處理器8相連，為它們提供電源。
[0011]本發(fā)明提出的一種基于頻域反射法的土壤含水率檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法包括以下步驟:
51:將管針式土壤含水率探頭I插入待測(cè)土壤，啟動(dòng)測(cè)量；
52:由高頻信號(hào)激勵(lì)電路3產(chǎn)生高頻信號(hào)，并通過(guò)50 Ω同軸連接線2將其傳輸?shù)焦茚樖酵寥篮侍筋^1，由于管針式土壤含水率探頭I與50 Ω同軸連接線2阻抗不匹配，將產(chǎn)生低于高頻信號(hào)激勵(lì)電路3輸出電壓幅值的高頻衰減信號(hào)；
53:電壓檢測(cè)電路4對(duì)檢測(cè)到的高頻衰減信號(hào)進(jìn)行高頻濾波13、高頻檢波14和信號(hào)處理15，得到未修正土壤含水率信號(hào)；
54:由溫度傳感器5測(cè)量待測(cè)土壤的溫度，得到土壤溫度；
55:將管針式土壤含水率探頭I拔出，管針式土壤含水率探頭I利用土壤附著力將待測(cè)土壤帶出；
56:將管針式土壤含水率探頭I垂直倒立在一個(gè)水平面上，測(cè)量探針10在上，測(cè)量手柄12在下，由質(zhì)量傳感器6測(cè)量管針式土壤含水率I和帶出土壤總質(zhì)量，根據(jù)土壤質(zhì)量計(jì)算土壤容積密度的方法為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于頻域反射法的管針式土壤含水率檢測(cè)方法，其特征在于，以高頻信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，根據(jù)電磁波傳輸理論中阻抗匹配的原理，測(cè)量50 Ω同軸連接線與管針式土壤含水率探頭相連處的高頻電壓的幅值，以反映待測(cè)土壤和探頭阻抗的變化；利用土壤附著力以及管針式結(jié)構(gòu)帶出待測(cè)土壤，根據(jù)質(zhì)量傳感器測(cè)得的土壤質(zhì)量和管針式土壤含水率探頭的測(cè)量探針和測(cè)量管內(nèi)側(cè)之間可容納土壤的體積獲得土壤的容積密度，利用溫度傳感器測(cè)量土壤的溫度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件建立的土壤含水率與50 Ω同軸連接線與管針式土壤含水率探頭相連處的高頻電壓的幅值、土壤溫度和容積密度的函數(shù)關(guān)系或溫度和容積密度對(duì)含水率的修正方法，精確地計(jì)算出土壤的含水率。
2.一種基于頻域反射法的管針式土壤含水率檢測(cè)裝置，其特征在于，包括管針式土壤含水率探頭(I)、50 Ω同軸連接線(2)、高頻信號(hào)激勵(lì)電路(3)、電壓檢測(cè)電路(4)、溫度傳感器(5)、質(zhì)量傳感器(6)、電源模塊(7)、微處理器(8)和顯示模塊(9)； 所述管針式土壤含水率探頭(I)包括測(cè)量探針(10)、測(cè)量管(11)和測(cè)量手柄(12);測(cè)量探針(10)位于測(cè)量管(11)中心，測(cè)量探針(10)和測(cè)量管(11)固定在測(cè)量手柄(12)上；所述溫度傳感器(5 )嵌入安裝于管針式土壤含水率探頭(I)測(cè)量管(11)外側(cè)；所述質(zhì)量傳感器(6)安裝于管針式土壤含水率探頭(I)的測(cè)量手柄(12)下端，質(zhì)量傳感器(6)的下端面為一個(gè)平面，可保證管針式土壤含水率探頭(I)及其上附屬部件以此平面為支撐倒立站穩(wěn)；測(cè)量手柄(12)上對(duì)稱布置有手把(19)，與管針式土壤含水率探頭(I)、溫度傳感器(5)以及質(zhì)量傳感器(6)相連的電纜(20)從一側(cè)手把(19)中心穿出； 所述50Ω同軸連接線(2)的中心導(dǎo)線的一端與管針式土壤含水率探頭(I)的測(cè)量探針(10)相連，其屏蔽金屬網(wǎng)線與管針式土壤含水率探頭(I)的測(cè)量管(11)相連；50 Ω同軸連接線(2)中心導(dǎo)線的另一端連接高頻信號(hào)激勵(lì)電路(3)； 所述高頻信號(hào)激 勵(lì)電路(3)包括高頻信號(hào)發(fā)生芯片(16)、差分處理電路(17)和放大電路(18)，用于產(chǎn)生管針式土壤含水率探頭(I)所適用的高頻信號(hào)； 所述電壓檢測(cè)電路(4)包括高頻濾波(13)、高頻檢波(14)和信號(hào)處理(15)模塊，用于檢測(cè)50 Ω同軸連接線(2)與管針式土壤含水率探頭(I)相連處的高頻電壓的幅值，以反映待測(cè)土壤和探頭阻抗的變化；所述溫度傳感器(5)和質(zhì)量傳感器(6)分別用于采集所測(cè)土壤樣品的溫度和質(zhì)量； 所述微處理器(8)分別與電壓檢測(cè)電路(4)、溫度傳感器(5)和質(zhì)量傳感器(6)相連，用于處理電壓檢測(cè)電路(4)輸出信號(hào)、溫度傳感器(5)輸出信號(hào)和質(zhì)量傳感器(6)輸出信號(hào)，計(jì)算土壤含水率； 所述顯示模塊(9 )與微處理器(8 )相連，用于顯示微處理器(8 )輸出的土壤含水率計(jì)算結(jié)果; 所述電源模塊(7)分別與高頻信號(hào)激勵(lì)電路(3)、電壓檢測(cè)電路(4)、溫度傳感器(5)、質(zhì)量傳感器(6)和微處理器(8)相連，為它們提供電源。
3.如權(quán)利2所述的一種基于頻域反射法的管針式土壤含水率檢測(cè)裝置，其特征在于，用該裝置檢測(cè)土壤含水率包括以下步驟: 51:將管針式土壤含水率探頭(I)插入待測(cè)土壤，啟動(dòng)測(cè)量； 52:由高頻信號(hào)激勵(lì)電路(3)產(chǎn)生高頻信號(hào)，并通過(guò)50 Ω同軸連接線(2)將其傳輸?shù)焦茚樖酵寥篮侍筋^(I )，由于管針式土壤含水率探頭(I)與50Ω同軸連接線(2)阻抗不匹配，將產(chǎn)生低于高頻信號(hào)激勵(lì)電路(3)輸出電壓幅值的高頻衰減信號(hào)； 53:電壓檢測(cè)電路(4)對(duì)檢測(cè)到的高頻衰減信號(hào)進(jìn)行高頻濾波(13)、高頻檢波(14)和信號(hào)處理(15)，得到未修正土壤含水率信號(hào)； 54:由溫度傳感器(5)測(cè)量待測(cè)土壤的溫度，得到土壤溫度； 55:將管針式土壤含水率探頭(I)拔出，管針式土壤含水率探頭(I)利用土壤附著力將待測(cè)土壤帶出； 56:將管針式土壤含水率探頭(I)垂直倒立在一個(gè)水平面上，測(cè)量探針(10)在上，測(cè)量手柄(12)在下，由質(zhì)量傳感器(6)測(cè)量管針式土壤含水率探頭(I)和帶出土壤總質(zhì)量，根據(jù)土壤質(zhì)量計(jì)算土壤容積密度的方法為:
【文檔編號(hào)】G01N27/02GK103592338SQ201310584218
【公開(kāi)日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月20日
【發(fā)明者】郭文川, 宋克鑫, 韓文霆 申請(qǐng)人:西北農(nóng)林科技大學(xué)