CN101216439A - 一种土壤水分测量仪器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土壤水分测量仪器及方法，该仪器包括：脉冲信号发生器，产生脉冲信号并将其传输到测量探针；测量探针，在接收脉冲信号后在其始端和末端进行反射，分别产生两路脉冲反射信号；脉冲检测电路，对测量探针产生的两路脉冲反射信号进行检波和采样，得到采样后的两路脉冲反射信号；微控制单元，根据采样后的两路脉冲反射信号得到土壤的单位容积含水率，该方法利用脉冲信号将在测量探头的始端与末端产生因阻抗不匹配而形成时域反射，测量镜像反射波的时间差，进而得知被测土壤实际对应的单位容积含水率。本发明具有测量速度快、精度高、低成本、易于批量化生产等优点。

Description

一种土壤水分测量仪器及方法

技术领域

本发明涉及高频测量领域，具体涉及一种土壤水分测量仪器及方法。

背景技术

在农业生产过程中，土壤不仅对植物的生长提供物理支撑，也是植物生长的营养库。水是保证农作物生长的命脉，土壤中所发生的一系列反应，能量与物质交换均与水分有关，它直接关系着作物产量与品质。TOPP(1980)通过实验给出的土壤介电常数与土壤含水率之间的近似关系式，称为TOPP公式，实践证明该实验公式可以在不同类型、成分的土壤条件下取得较高的精度(0.022m3m-3，Jacobsen和Schjonning，1994)。因此基于土壤介电特性的土壤含水率测量方法研究引起了土壤科学工作者的广泛关注与重视。

时域反射方法(TDR，time domain reflectometer)、频域方法(FD，Frequency Domain)是土壤水分的介电测量理论的两个主要实现方法。TDR方法的产生源于电缆的故障定位诊断。上世纪80年代初期加拿大学者TOPP等率先将此方法成功用于土壤水分测量。但是由于土壤探针长度通常不超过20cm，因此以土壤水分为对象的、基于TDR测量原理的反射时间差远小于电缆故障诊断定位反射时间差，常规反射测量技术无法实现土壤水分仪器化设计。目前为止TDR原理的土壤水分测量仪器基本上都是以陡峭前沿的阶跃脉冲作为激励信号，测量反射时差的关键技术还不成熟，无法实现土壤水分仪器化设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种土壤水分测量仪器及方法，本发明简化了确定反射时间差的算法，利用该设备和方法可以在3～4秒时间内快速完成土壤样品含水率的测量，且精度高，低成本，易于批量化生产。

为达上述目的，一方面，本发明提出了一种基于时域反射原理(TDR)的土壤水分测量仪器，该仪器包括：脉冲信号发生器，用于产生第一脉冲信号，并通过同轴传输线将其传输到测量探针；所述测量探针，与所述脉冲信号发生器连接，插入待测土壤中，用于在接收所述脉冲信号后在其始端和末端进行反射，分别产生两路脉冲反射信号；脉冲检测电路，与所述测量探针连接，用于对所述测量探针产生的两路脉冲反射信号进行检波和采样，得到采样后的两路脉冲反射信号；微控制单元，与所述脉冲检测电路连接，用于根据采样后的两路脉冲反射信号得到土壤的单位容积含水率。

该仪器中，其中所述脉冲检测电路包括：延时电路，与所述微控制单元连接，由微控制单元控制输出固定延时信号；脉冲发生电路，与所述延时电路连接，用于将所述固定延时信号触发后产生第二脉冲信号，所述第二脉冲信号与所述测量探针产生的两路脉冲反射信号分别叠加，得到叠加后的两路脉冲信号；检波电路，与所述脉冲发生电路连接，用于对叠加后的两路脉冲信号进行检波，得到检波后的两路脉冲信号；采样保持电路，与所述检波电路连接，在所述延时电路产生固定延时信号的同时，对检波后的两路脉冲信号进波采样，得到采样后的两路脉冲信号。

该仪器还包括与所述微控制单元连接的数据显示电路，用于显示微控制单元得到的土壤的单位容积含水率数据。

该仪器还包括与所述微控制单元连接的数据传输电路，用于接收所述微控制单元发送的数据，并将所述数据传输到与该数据传输电路连接的设备。

该仪器还包括连接在所述微控制单元和脉冲信号发生器之间的触发电路，所述触发电路由所述微控制单元控制，向所述脉冲信号发生器发送触发信号。

该仪器还包括连接在所述脉冲检测电路和微控制单元之间的A/D转换电路，所述A/D转换电路将采样后的两路脉冲反射信号进行模/数转换后，发送到所述微控制单元。

该仪器还包括电源单元，用于向所述微控制单元、脉冲信号发生器和脉冲检测电路供电。

其中，所述脉冲信号发生器为开关晶体管。

另一方面，本发明提出了一种基于时域反射原理(TDR)的土壤水分测量方法，该方法包括以下步骤：

S1：将测量探针插入待测土壤中，启动测量；

S2：由脉冲信号发生器产生脉冲信号，并通过同轴传输线将其传输到测量探针，该脉冲信号在测量探针的始端和末端进行反射，分别产生两路脉冲反射信号；

S3：将所述两路脉冲反射信号输出到脉冲检测电路进行检波和采样，得到采样后的两路脉冲反射信号；

S4：将采样后的两路脉冲反射信号发送到微控制单元，所述微控制单元根据采样后的两路脉冲反射信号求出其传输时间差，由传输时间差得到待测土壤的介电常数，根据所述介电常数得到土壤的单位容积含水率。

该方法中，在步骤S4中，由传输时间差得到待测土壤的介电常数的方法为：

根据公式Ka＝(ct/2L)²求出待测土壤的介电常数Ka，其中c为光速，t为脉冲在测试探针(5)中的传播时间，L为测试探针(5)的长度。

本发明的设备利用脉冲发生装置产生脉冲信号作为激励源，根据已知的电磁波传输理论，测量镜像反射波的时间差，可定量获取“探头-介质(土壤)”传输线的相对介电常数，进而根据实验室环境特定样本下获取的介电常数与含水率标定曲线，即可得知被测土壤实际对应的单位容积含水率，利用本发明的设备和方法测试速度快，且精度高，成本低，易于批量化生产。

附图说明

图1为本发明土壤水分测量仪器的电路组成框图；

图2为本发明土壤水分测量仪器的外观示意图；

图3为本发明土壤水分测量仪器的电源管理示意图；

图4为本发明土壤水分测量仪器中脉冲检测电路的原理框图；

图5为本发明土壤水分测量方法的流程图。

图中：1、脉冲信号发生器；2、触发电路；3、脉冲检测电路；4、同轴传输线；5、测量探针；6、同轴连接器；7、微控制单元；8、A/D转换电路；9、显示电路；10、数字传输电路；11、LCD显示模块；12、测量按钮；13、串口；14、开关；15、复位按键；16、充电接口；17、延时电路；18、脉冲发生电路；19、检波电路；20、采样保持电路。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的理论基础是将土壤和插入土壤的测量探针看作一段传输线，根据窄脉冲信号在测量探针中传播速度与介质(这里为土壤)的介电常数的关系，确定出介质(这里为土壤)的介电常数，根据该介电常数，再由TOPP公式计算出介质(这里为土壤)的单位容积含水率。

本实施例就是应用上述理论来进行测量土壤中的单位容积含水率，本实施例中上述的介质为土壤，土壤水分测量仪器利用脉冲发生器产生一个皮秒级上升沿脉冲，当该脉冲作用于插入土壤类多孔介质中的测量探头时，由于测量探头具有一定的波导阻抗，根据已知的电磁波传输理论，该脉冲信号将在传感器测量探头的始端与末端产生因阻抗不匹配而形成时域反射，以专用的脉冲检测电路测量并记录反射波形，测量两路镜像反射波的时间差，可定量获取“探头-介质(土壤)”传输线的相对介电常数。进而根据实验室环境特定样本下获取的介电常数与含水率标定曲线，即可得知被测土壤实际对应的单位容积含水率。

本实施例中基于时域反射原理(TDR)的土壤水分测量仪器和测量方法详述如下：

如图1所示为本发明土壤水分测量仪器的电路组成框图，该仪器的内部电路包括：

脉冲信号发生器1，与同轴传输线4连接后接入测量探针5，在接收触发电路2发送的触发信号后，产生上升时间和下降时间在皮秒量级的脉冲信号；

触发电路2，与脉冲信号发生器1和微控制单元(MCU)7连接，由微控制单元7控制，向触发脉冲信号发生器发送触发信号，该触发信号触发脉冲信号发生器1产生脉冲信号；

同轴传输线4，连接在同轴连接器6上，用于传输脉冲信号；

测量探针5，与所述脉冲信号发生器1连接，被插入到待测土壤样品中，构成“探头-介质(土壤)”传输线，根据传输线相关理论，所述脉冲信号将由于阻抗的不匹配，在其始端和末端进行反射，分别产生两路脉冲反射信号；

同轴连接器6，用于分插多根同轴传输线4，控制同轴传输线4中脉冲信号的传输方向，使经测量探针5后反射脉冲信号被传输到脉冲检测电路3；

脉冲检测电路3，与测量探针5连接，用于接收经测量探针5后两路脉冲反射信号，对其分别进行检波和采样，得到采样后的两路脉冲反射信号，并输出到A/D转换电路8；

所述A/D转换电路8，用于将脉冲检测电路3发送的采样后的两路脉冲反射信号进行模/数转换，转换后得到采样后的两路脉冲反射信号的数字信号，并将其发送到微控制单元7；

微控制单元7，该控制单元作为整个仪器的控制核心，分别与触发电路2、A/D转换电路8、显示电路9和数据传输电路10连接，与触发电路2连接用于向触发电路2发送控制信号，使其触发脉冲信号发生器1产生脉冲，与A/D转换电路8连接用于接收A/D转换电路8发送的采样后的两路脉冲反射信号的数字信号，根据该数字信号求出两路脉冲信号的传输时间差，该传输时间差为脉冲信号在测量探针5中传输时间的1/2，由传输时间差得到土壤的介电常数，根据该介电常数得到土壤的单位容积含水率，与显示电路9连接用于将得到的土壤的单位容积含水率输出显示，与数据传输电路10连接，通过该数据传输电路10与其它设备连接后相互通信传输数据；

电源单元11，为该设备供电，分别与脉冲信号发生器1、触发电路2、脉冲检测电路3和微控制单元7连接，提供这些电路所需的电源，本实施例也可以通过外接电源供电。

如图2为本发明土壤水分测量仪器的外观示意图，该仪器面板上设置了与微控制单元(MCU)7连接的测量按键12和复位按键15，用于向微控制单元7发送启动测量信号和系统复位信号，可以手动启动测量和复位仪器。侧面板备有与电源单元连接的充电接口16，可以使用配套充电设备对电池进行充电。该仪器的面板上部还设有与显示电路9连接的LCD显示模块11，在仪器内部完成了土壤含水率的计算，将结果以数值方式通过LCD显示模块11显示。该仪器的面板上部的串口13与数据传输电路10连接，具有数据传送功能，可以将测得的原始波形数据通过通用串行接口传送出去，方便用户自行开发后续的应用程序。该仪器的微控制单元7集成了相关的数据和控制命令传送协议，可以按照相应的命令格式对仪器进行软件启动测量设置，另外，该仪器的面板上部设有电源开关14。

如图3所示为本发明土壤水分测量仪器的电源管理示意图，本实施例中的土壤水分测量仪整机采用12V蓄电池供电，方便田间作业。为降低功耗，整机采取了一些措施对电源进行管理，当系统处于待机状态时，仅微控制单元7处于活动状态，而脉冲检测电路3和脉冲发生器1均处于断电状态，此时系统工作电流约50mA；当系统启动测量时，由微控制单元7控制电源单元向脉冲检测电路3和脉冲发生器1供电，直到一次测量完成，测量过程中工作电流约220mA。根据用户需求，仪器可以选配不同容量的电池，从而在整机的连续工作时间和轻便程度上取得平衡。

如图4所示为本发明土壤水分测量仪器中脉冲检测电路的原理框图，本实施例中脉冲检测电路3包括：精密延时电路17、脉冲发生电路18、检波电路19和采样保持电路20，其中：

精密延时电路17分别与微控制单元7、采样保持电路20连接，由微控制单元7直接控制，使其产生一固定延时脉冲，将其发送到脉冲发生电路18中；

脉冲发生电路18分别与精密延时电路17、测量探针5、检波电路19连接，由接收的固定延时脉冲触发脉冲发生电路18，脉冲发生电路18同样产生一个皮秒级脉冲，为区别于脉冲信号发生器1产生的脉冲信号，将脉冲信号发生器1产生的脉冲信号称为第一脉冲信号，将脉冲发生电路18产生的脉冲信号称为第二脉冲信号，该第二脉冲信号与从测量探针5接收的两路反射脉冲波形分别叠加，将叠加后的两路波形发送到检波电路19；

检波电路19，与采样保持电路20连接，对接收的叠加后的两路波形进行检波，将检波后的两路波形发送到采样保持电路20进行采样；

采样保持电路20，与A/D转换电路8连接，用于将采样后的两路波形信号发送至A/D转换电路8。

同时精密延时电路17控制采样保持电路20的接通。叠加后的波形信号经过检波电路19检波后，再经过A/D转换电路8得到对应的数字信号。

本实施例中的脉冲信号发生器1采用高速开关晶体管制成，其上升和下降时间均为皮秒量级。

本实施例中的仪器测量探针5由两根平行不锈钢棒组成，间距为12mm，钢棒直径3mm，长度可选20cm或者15cm。当然，两根平行不绣钢的间距、直径和长度不限于以上数值，可根据需要在其邻近范围内作出改变，以能实现测量出两路反射波的时间差为基准。本实施例中的同轴传输线4由中心导体和屏蔽金属网组成，两根钢棒分别与同轴传输线4的中心导体和屏蔽金属网连接。

本实施例中的同轴传输线4为50欧姆标准同轴电缆。

如图5所示，本实施例中利用该仪器测量土壤单位容积含水率的方法为：

脉冲发生器1产生上升时间和下降时间在皮秒量级脉冲，该脉冲通过同轴传输线4加载在测量探针5上，由于测量探针5与同轴传输线4的阻抗存在差异，因此该脉冲在测量探针5的始端和末端均会产生反射，因此存在传输时间差，该传输时间差则为脉冲在探针中传播的往返时间。两个反射脉冲经过脉冲检测电路3进行检波和采样后发送到A/D转换电路8，A/D转换电路8将其转换为数字信号传递给微控制单元7进行数据处理、传输和显示；

微控制单元7根据A/D转换模块获得的波形数据进行计算分析，根据公式Ka＝(ct/2L)²计算得到介质(土壤)的介电常数Ka，其中c为光速，t为脉冲在探针中的传播时间，即传输时间差的一半，L为探针长度；

再根据TOPP公式θ_V＝-5.3·10^-2+2.92·10^-2×Ka-5.5·10^-4×Ka²+4.3·10^-6×Ka³，其中Ka为土壤的相对介电常数，计算出土壤的单位容积含水率θ_V；

计算完成后将结果以数值形式在LCD显示屏上显示出来。同时，微控制单元7还将获得的未处理的波形数据通过串口同步发送出去，可以使用PC机或者其他通讯终端来接收波形数据，以方便进行后续的数据处理工作。

该仪器基于脉冲检测电路3模拟反射电磁波的各态历经，各态历经是控制理论涉及随机过程的一个基本概念，并伴有明确的数学定义，其英文专业字汇为“ergodic”，它并非特指某种技术，因此作为术语为本领域人员所公知，本实施例中第二脉冲信号通过微控制单元7设定的一系列固定延时后与第一脉冲信号在一系列相继的时刻产生叠加，叠加后的信号经过采样保持与模/数转换电路形成数字信号传递给微控制单元7。调整并设置需要产生叠加的时间点，使得模/数转换的输出信号序列覆盖第一脉冲信号的两次反射波，则微控制单元7得到的序列信号即反应了这一时间段内的第一脉冲信号的变化趋势与过程，进而实现重构反射电磁波的波形，最终确定反射时间。其实现过程在3-5秒以内即可完成。

虽然本发明是集体结合以上优选实施例示出和说明的，但是熟悉该技术领域的人员可以理解，其中无论在形式上还是在细节上都可以做出各种改变，这并不背离本发明的精神实在和专利保护范围。

Claims (10)

1.一种土壤水分测量仪器，其特征在于，该仪器包括：

脉冲信号发生器(1)，用于产生第一脉冲信号，并通过同轴传输线(4)将其传输到测量探针(5)；

所述测量探针(5)，与所述脉冲信号发生器(1)连接，插入待测土壤中，用于在接收所述脉冲信号后在其始端和末端进行反射，分别产生两路脉冲反射信号；

脉冲检测电路(3)，与所述测量探针(5)连接，用于对所述测量探针(5)产生的两路脉冲反射信号进行检波和采样，得到采样后的两路脉冲反射信号；

微控制单元(7)，与所述脉冲检测电路(3)连接，用于根据采样后的两路脉冲反射信号得到土壤的单位容积含水率。

2.如权利要求1所述的土壤水分测量仪器，其特征在于，所述脉冲检测电路(3)包括：

延时电路(17)，与所述微控制单元(7)连接，由微控制单元(7)控制输出固定延时信号；

脉冲发生电路(18)，与所述延时电路(17)连接，用于将所述固定延时信号触发后产生第二脉冲信号，所述第二脉冲信号与所述测量探针(5)产生的两路脉冲反射信号分别叠加，得到叠加后的两路脉冲信号；

检波电路(19)，与所述脉冲发生电路(18)连接，用于对叠加后的两路脉冲信号进行检波，得到检波后的两路脉冲信号；

采样保持电路(20)，与所述检波电路(19)连接，在所述延时电路(17)产生固定延时信号的同时，对检波后的两路脉冲信号进行采样，得到采样后的两路脉冲信号。

3.如权利要求2所述的土壤水分测量仪器，其特征在于，该仪器还包括与所述微控制单元(7)连接的数据显示电路(9)，用于显示微控制单元得到的土壤的单位容积含水率数据。

4.如权利要求3所述的土壤水分测量仪器，其特征在于，该仪器还包括与所述微控制单元(7)连接的数据传输电路(10)，用于接收所述微控制单元(7)发送的数据，并将所述数据传输到与该数据传输电路(10)连接的设备。

5.如权利要求4所述的土壤水分测量仪器，其特征在于，该仪器还包括连接在所述微控制单元(7)和脉冲信号发生器(1)之间的触发电路(2)，所述触发电路(2)由所述微控制单元(7)控制，向所述脉冲信号发生器(1)发送触发信号。

6.如权利要求5所述的土壤水分测量仪器，其特征在于，该仪器还包括连接在所述脉冲检测电路(3)和微控制单元(7)之间的A/D转换电路(8)，所述A/D转换电路(8)将采样后的两路脉冲反射信号进行模/数转换后，发送到所述微控制单元(7)。

7.如权利要求6所述的土壤水分测量仪器，其特征在于，该仪器还包括电源单元(11)，用于向所述微控制单元(7)、脉冲信号发生器(1)和脉冲检测电路(3)供电。

8.如权利要求1至7任一项所述的土壤水分测量仪器，其特征在于，所述脉冲信号发生器(1)为开关晶体管。

9.一种土壤水分测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1：将测量探针(5)插入待测土壤中，启动测量；

S2：由脉冲信号发生器(1)产生脉冲信号，并通过同轴传输线(4)将其传输到测量探针(5)，该脉冲信号在测量探针(5)的始端和末端进行反射，分别产生两路脉冲反射信号；

S3：将所述两路脉冲反射信号输出到脉冲检测电路(3)进行检波和采样，得到采样后的两路脉冲反射信号；

S4：将采样后的两路脉冲反射信号发送到微控制单元(7)，所述微控制单元(7)根据采样后的两路脉冲反射信号求出其传输时间差，由传输时间差得到待测土壤的介电常数，根据所述介电常数得到土壤的单位容积含水率。

10.如权利要求9所述的土壤水分测量方法，其特征在于，在步骤S4中，由传输时间差得到待测土壤的介电常数的方法为：

根据公式Ka＝(ct/2L)²求出待测土壤的介电常数Ka，其中c为光速，t为脉冲在测试探针(5)中的传播时间，L为测试探针(5)的长度。

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