CN101419182A - 土壤水分测量传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土壤水分测量传感器及其测量方法。土壤水分传感器通过所述高频信号源发出高频信号，由检波电路将介电常数的变化转换为直流电压输出，输出的直流电压与土壤含水量的确定数学关系，实现土壤容积含水量的精确测量，测量精度为±2％。由于本发明传感器探头采用探针式，可埋设在土壤剖面连续测量，也可与专用测量仪器配合作移动巡回测量，而且电路相对简单，因此成本低，价格大大低于TDR土壤水分测试仪，调试方便，保证了传感器批量生产时的一致性。

Description

土壤水分测量传感器及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种土壤水分测量传感器及其测量方法。

背景技术

土壤水分测量技术是节水抗旱实施的重要的技术保障。而土壤水分传感器和测量仪器则是实现变量灌溉和墒情(旱情)监测的重要技术手段。

利用土壤的介电特性来测量土壤含水量是一种行之有效的、快速的、简便的、可靠方法。最先对土壤的介电特性作出系统研究的是前苏联学者Chernyak，他在1964年出版了引起世界关注的学术名著《湿土介电特性研究方法》。以此为基础，土壤的介电特性迅速应用于土壤含水量的测量技术中，而且具体实现方法千差万别。其中，高频电容探头测量土壤含水量、甚高频晶体管传输线振荡器测量土壤含水量、时域反射法(TDR)、频域反射法(FDR)等测量方法都属于基于土壤介电特性的土壤含水量测量方法。

土壤水分的介电测量方法目前主要有时域反射法(TDR)和频域反射法。时域反射法(TDR)通过测量高频电磁波在土壤中的发射波和反射波间的时间差来测量土壤含水量。TDR技术复杂，时域反射仪价格昂贵，目前该技术为欧美等发达国家垄断，在我国尚为空白。

频域法应用被测介质中表观介电常数随土壤含水量变化而变化这一原理测定土壤含水量。频域法仪器一般在20～150MHz范围内工作，由多种电路可将介电常数的变化转换为直流电压或其他输出形式，输出的直流电压在宽广的工作范围内与土壤含水量直接相关。频域法的土壤水分输出曲线与TDR类似，由多项式表达，宜用三次多项式便可得到良好的对应测量精度。

由于中国地域广阔土壤类型多，国外的土壤水分传感器给不出在中国各类土壤中的标定特性，往往测量精度得不到保证，加上价格较高，技术保护不及时等，不宜在中国广泛推广应用。

发明内容

本发明克服了上述缺点，提供了一种理论充分、技术先进、电路简单、检测精度高的土壤水分测量传感器及其测量方法。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种土壤水分测量传感器，包括高频信号源、传输线等效网络电路、检波电路、放大电路、传感器探头，所述传输线等效网络电路的一端连接高频信号源，另一端连接所述传感器探头，所述两个检波电路分别连接在在传输线等效网络电路的两端，所述放大电路与所述检波电路的输出端相连。

所述放大电路为差动放大电路，所述差动放大电路的两路信号输入端分别连接所述检波电路输出端。

所述传感器探头由四根等长的不锈钢探针组成，其中一根为中心探头，连接在传输线等效网络电路的一端，其余三根为与所述中心探头等距布置的外围探头，连接在传输线等效网络电路的接地端，所述检波电路分别连接在传输线等效网络电路的两端。

一种土壤水分测量方法，包括

检测传输线等效网络电路上产生驻波时，两端的信号输出，

检测传输线等效网络电路两端的电位差获得探针间土壤的介电常数，

根据介电常数与土壤容积含水量的函数关系确定土壤容积含水量。

本发明利用被测介质中介电常数随土壤含水量变化而变化这一原理测定土壤含水量。土壤水分传感器通过所述高频信号源发出高频信号，由检波电路将介电常数的变化转换为直流电压输出，输出的直流电压在宽广的工作范围内(0-100％Vol)与土壤含水量的确定数学关系，实现土壤容积含水量的精确测量，测量精度为±2％。由于本发明传感器探头采用探针式，可埋设在土壤剖面连续测量，也可与专用测量仪器配合作移动巡回测量，而且电路相对简单，因此成本低，价格大大低于TDR土壤水分测试仪，调试方便，保证了传感器批量生产时的一致性。

附图说明

图1为本发明的电路原理框图；

图2为本发明的传输线等效网络电路；

图3为本发明的土壤水分传感器等效电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明内容加以详细阐述。

本发明的电路原理框图如图1中所示，包括高频信号源1、传输线等效网络电路2、两个检波电路3、差动放大电路4、传感器探头5。其中高频信号源1产生100MHZ的高频正弦信号，此信号一路通过传输线等效网络电路2传输至传感器探头5，所述传感器探头5由四根长60mm、直径3mm的不锈钢探针组成，其中一根为中心探头，连接在传输线等效网络电路2的一端，另外三根为呈正三角形布置的外围探头，连接在传输线等效网络电路2的接地端，高频正弦信号通过中心探头在土壤中发射，在中心探头和外围探头间的土壤介质中产生电磁场，当传感器探头5插入土壤中时，正弦波信号通过探针在其周围的土壤介质中传播，由于传输线等效网络电路与探针阻抗不匹配，有一部分电磁波在探针与传输线等效网络电路连接处沿传输线等效网络电路反射回来，在传输线的等效网络电路上入射波和反射波叠加形成驻波，本发明正是通过测量传输线等效网络电路上的驻波率来测量土壤水分的。在实际应用中可以采用数量较多的探头，例如在同一土壤剖面埋设3-4个探头同时使用，本发明的一致性和互换性能满足实际生产应用的需要。

参见图1，驻波时的入射波和反射波分别经过连接在传输线等效网络电路2两端的检波电路3(检波电路采用国外最先进的解调器集成电路芯片)产生直流信号，输入给差动放大电路4，经过所述差动放大电路4的调零及放大后，产生0-2.5V的差分直流电压信号输出，本发明利用输出的差分直流信号经过土壤水分传感器在土壤中的标定，建立了土壤体积含水量与传感器输出电压之间的三次多项式关系。

图2为传输线等效网络电路。传输线等效网络电路原理上可用一电感电容网络等效。L、C为等效传输线参数，C₁为传输线的输入电容，C₂为传输线负载。元件数值的选择是在工作频点上，LC串联谐振，LC₁并联谐振。根据此原则可确定L值，C的取值根据传感器的类型和探头的外部结构通过试验确定。

传输线等效网络电路2可等效为一段均匀的同轴传输线。将任意一段均匀的同轴传输线划分成许多的微分段dz，对于均匀传输线而言，由于其分布参数是沿线均匀分布的，且由于线元dz的长度极短，故可将看成一个集总参数电路，并用一个Γ型网络来等效，其等效电路如图3中所示，

当所述等效同轴传输线的长度等于波长λ的四分之一时，驻波的波峰与波谷恰在等效同轴传输线的两端，等效同轴传输线长度通过试验确定，必须保证在其上产生驻波，两端的电位差为：

${\hat{U}}_j-{\hat{U}}_0=2\mathrm{A\ρ}=2A\frac{Z_L-Z_C}{Z_L+Z_C}$

上式中，Z_C为传输线的特性阻抗，Z_L土壤水分传感器探头的特征阻抗，A的数值取决于高频振荡器的振幅，为恒定值。故在A恒定的情况下传输两端的电位差正比于反射系数ρ，而在传输线理论中ρ又可用驻波率表示成：

$\mathrm{\Γ}=\frac{1-\mathrm{\ρ}}{1+\mathrm{\ρ}}$

因此本发明要实现的土壤水分测量方法就可以基于驻波率原理的测量方法来实现。

四针等长土壤水分传感器探头属于非规则传输线，本发明研究表明四针等长土壤水分传感器探针特征阻抗Z_L如下式：

$Z_L=\frac{K\·60}{\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}\ln \frac{R}{r}$

因为传感器的探针为同心四针结构，由几何形状分析它的特性满足不等式：

Z_S>Z_L>Z_C

Z_C为同轴电缆的特性阻抗， $Z_C=\frac{60}{\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}\ln \frac{R}{r},$

Z_S为双轴电缆的特性阻抗， $Z_S=\frac{120}{\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}\ln \frac{R}{r}$

其中R为外导体半径，r为内导体半径，ε为电缆内绝缘物质的介电常数。

根据夹逼关系原理，可确定K的取值范围为2>K>1。

设同轴电缆内的介电常数为ε_γ0，探针内介质的介电常数为ε，即得到：

$\mathrm{\Δ}\hat{U}={\hat{U}}_j-{\hat{U}}_0=2A\frac{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r0}}-K\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r0}}+K\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}$

因选定的探针为实心不锈钢探针材料，ε_γ0＝1，则

$\mathrm{\Δ}\hat{U}=2A\frac{1-K\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}{1+K\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}$

其中ε为土壤、水和空气混合物的相对介电常数。

因此通过检测传输线等效网络电路两端的电压差

即可测出土壤的介电常数ε，最后再根据土壤容积含水量与土壤介电常数的函数关系确定出土壤容积含水量。

以上对本发明所提供的土壤水分测量传感器及其测量方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种土壤水分测量传感器，其特征在于：包括高频信号源、传输线等效网络电路、检波电路、放大电路、传感器探头，所述传输线等效网络电路的一端连接高频信号源，另一端连接所述传感器探头，所述两个检波电路分别连接在在传输线等效网络电路的两端，所述放大电路与所述检波电路的输出端相连。

2.根据权利要求1所述的土壤水分测量传感器，其特征在于：所述传输线等效网络电路包括顺次并联的第一电容器、第二电容器和第三电容器，所述第一电容器输入端与所述高频信号源输出端电连接，所述第三电容器的输出端与传感器探头的末端电连接，其中在第一电容器和第二电容器连接点与大地连接。

3.根据权利要求1所述的土壤水分测量传感器，其特征在于：所述放大电路为差动放大电路，所述差动放大电路的两路信号输入端分别连接所述检波电路输出端。

4.根据权利要求1所述的土壤水分测量传感器，其特征在于：所述传感器探头由四根等长的不锈钢探针组成，其中一根为中心探头，连接在传输线等效网络电路的一端，其余三根为与所述中心探头等距布置的外围探头，连接在传输线等效网络电路的接地端，所述检波电路分别连接在传输线等效网络电路的两端。

5.一种采用权利要求1中所述土壤水分测量传感器的测量方法，其特征在于：包括

检测传输线等效网络电路上产生驻波时，两端的信号输出；

检测传输线等效网络电路两端的电位差获得探针间土壤的介电常数；

根据介电常数与土壤容积含水量的函数关系确定土壤容积含水量。

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