CN101487810B - 土壤三参数测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土壤三参数测量方法，该方法通过测量高频信号与探针上形成的反射信号叠加而成的交变电压，计算土壤的含水量以及电导率，通过设置在探针中的温度传感器获得土壤温度信息，对求得的电导率进行校准，完成土壤三参数的测量。土壤三参数测量系统包括：信号发生单元，用于发射固定频率的高频信号；传输单元；探针，用于在接收到高频信号后形成反射信号，其上安装有温度传感器；信号处理单元，用于电压信号的处理和转换；控制单元，根据内嵌的公式进行土壤含水量、电导率的计算，以及根据土壤温度信息对电导率进行校准。本发明的方法和系统测量速度快、精度高，且抗土壤类型和盐分影响能力强，适用范围广泛，生产成本低。

Description

土壤三参数测量方法及系统

技术领域

本发明涉及土壤环境信息测量技术领域，具体涉及一种土壤三参数测量方法及系统。 

背景技术

土壤含水量、电导率和温度是土壤的三个重要参数，他们能够反映出土壤的丰富信息。TDR(Time domain reflectometer，时域反射法)，FDR(Frequency domain reflectometer，频域反射法)和ADR(Amplitude-domain reflectometry，振幅反射法)是目前测量土壤介电常数的主要方法。TDR方法通过高精度的脉冲发生检测电路，检测高频电磁波在同轴电缆与探针连接处以及探针与土壤相接处的反射波时间差，从而计算出土壤的含水量；FDR方法则通过发射连续频率的电磁波，根据发生共振频率(振幅最大)的频点振幅，计算出土壤含水量；ADR以固定频率的高频晶体振荡器发射电磁波，通过同轴电缆传输到插入土壤中的平行金属探针，ADR的反射波和入射波将在同轴电缆上形成幅度变化稳定的电压信号，信号的电压值与平行探针之间土壤的含水量相关。 

基于上述原理的很多仪器已得到了广泛应用，TDR仪器测量快速，准确，但由于需要精密的脉冲时间检测电路，因此在造价上相对昂贵；FDR方法，虽然在价格上相对较低，但其测量结果容易受到土壤中盐分和土壤空隙的影响；还有一种驻波法，该方法有着较好的适用范围，并且价格较之TDR和FDR更具有优势，但目前采用这种方法只能测量一种土壤参数，故而尚难以反映出土壤中的更多信息，难以满足对土壤多参数同时测量的需求。 

ADR传感器不但价格低廉，而且可以准确测量土壤的含水量，且适用于含盐量较高的场所。由于测量结果为电压信号，所以ADR传感器可以方便的接入常用的数据采集设备中。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量精度高，速度快，适用范围宽，生产成本低，抗土壤类型和盐分影响能力强，且能够同时进行土壤含水量、电导率和温度的测量的土壤三参数测量方法及系统，以弥补现有技术中存在的不足。 

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 

一种土壤三参数测量方法，该方法包括步骤： 

S1.将探针插入到待测土壤中，系统上电，开始测量； 

S2.向所述探针发射固定频率的高频信号； 

S3.获取所述探针在接收到所述高频信号后形成的反射信号与所述高频信号叠加而成的交变电压信号，并对所述交变电压信号进行处理，将其转换为直流电压信号； 

S4.根据所述直流电压信号与土壤含水量的对应关系，计算所述土壤含水量； 

S5.根据所述反射信号以及所述高频信号，计算土壤的电导率，同时获取土壤温度信息； 

S6.根据所述土壤温度信息，对所述土壤电导率进行校准，完成土壤三参数的测量。 

其中，所述步骤S3中对所述电压信号的处理以及转换是通过两级差分放大电路实现，所述两级差分放大电路包括：第I级差分放大电路，由运算放大器a组成，用于对输入信号进行差分处理；第II级信号放大电路，由运算放大器b组成，用于对所述第I级差分放大电路处理后的信号进一步放大，并将其转换为直流电压输出。 

其中，所述探针上安装有温度传感器，用于采集土壤温度信息。 

一种土壤三参数测量系统，该系统包括：信号发生单元，用于发射固定频率的高频信号；传输单元，与所述信号发生单元相连，用于信号的传输；探针，与所述传输单元相连，用于在接收到所述高频信号后形成反射信号，所述探针上安装有温度传感器；信号处理单元，与所述信号发生单元、传输单元相连，用于对所述高频信号以及所述反射信号叠加而的交变电压信号进行差分放大处理，将其转换为直流电压信号；控制单元，与所述温度传感器、信号处理单元相连接，根据内嵌的公式进行土壤含水量、电导率的计算，以及根据所述温度传感器采集到的土壤温度信息对求得的电导率进行校准。 

其中，该系统还包括：通信单元，与所述控制单元相连，负责对外的数据通信，将测量结果传输到任意的数据采集装置中；电源单元，与系统各部分相连为其提供电源。 

其中，所述探针进一步包括：底座；固定于底座中心位置的中心探针；外围探针，均匀分布于底座圆周外围，平行于所述中心探针，且与所述中心探针通过同样固定于所述底座上的绝缘层绝缘；温度测量孔，设置与所述底座上，用于安装温度传感器。 

其中，所述信号处理单元，包括：第I级差分放大电路，由运算放大器a组成，用于对输入信号进行差分处理；第II级信号放大电路，由运算放大器b组成，用于对所述第I级差分放大电路处理后的信号进一步放大，并将其转换为直流电压输出。 

其中，所述中心探针、外围探针以及所述底座均由不锈钢材料制成。 

其中，所述信号发生单元为高频晶振，所述输送单元为高频同轴电缆。 

其中，所述高频同轴电缆分为内外两层，内层为信号传导层，外层为屏蔽层，所述信号传导层与所述中心探针以及信号处理单元相连接，所述屏蔽层与所述外围探针以及所述电源单元相连接。 

有益效果： 

1、本发明提出的土壤三参数测量方法集系统，基于ADR原理，可同时进行土壤含水量、土壤电导率和土壤温度三个参数的测量，效率更高，使用简便； 

2、可根据土壤温度对土壤电导率进行校准，使得测量结果更加准确； 

3、采用两级差分放大电路，进行稳定的交变电压信号的采集和转换，省去了TDR和FDR方法中复杂的信号发生检测部分； 

4、采用模拟电路实现土壤参数的测量，具有良好的性价比和稳定性。 

附图说明

图1为本发明的土壤三参数测量方法流程图； 

图2为本发明的土壤三参数测量系统的结构图； 

图3为本发明的土壤三参数测量系统的探针结构图； 

图4为本发明的土壤三参数测量系统的信号处理单元结构图； 

图中：1、信号发生单元；2、传输单元；3、探针；4、温度传感器；5、信号处理单元；6、控制单元；7、通信单元；8、电源单元；9、中心探针；10、外围探针；11、底座；12、绝缘层；13、温度测量孔；14、运算放大器a；15、运算放大器b。 

具体实施方式

本发明提出的土壤三参数测量方法及系统，结合附图和实施例详细说明如下。 

本发明的土壤三参数测量方法及系统以ADR原理为理论基础，通过测量在探针和高频同轴电缆上形成的稳定交变电压，计算土壤的含水量，并通过公式计算出土壤的电导率；通过设置在探针中的温度传感器获得探针与土壤接触面的温度，最后根据温度对土壤电导率进行校准，完成土壤三参数的测量。利用该方法和系统可在2-4秒时间内快速完成对土壤样品含水量、电导率和温度的测量，且抗土壤类型和盐分影响能力强，测量精度高，适用范围广泛，生产成本低，易于进行批量生产和推广。

如图1所示，本实施例中土壤三参数测量方法包括步骤：S1.将探针插入到待测土壤中，系统上电，开始测量； 

S1.将探针插入到待测土壤中，给系统上电，开始测量； 

S2.由信号发生单元产生一个固定频率的高频信号，通过传输单元传输到探针，高频信号将在探针之间产生一个稳定的电场，探针形成反射信号，反射信号与入射的高频信号产生叠加，从而形成稳定的交变电压。 

S3.信号处理单元获取上述稳定的交变电压信号，通过由运算放大器组成的两级差分放大电路对该电压信号进行差分放大处理，并将其转换为直流电压信号； 

S4.控制单元根据上述直流电压信号与土壤含水量的对应关系，电压信号在0～2V内变化，对应土壤的含水量为0～100％，计算出土壤的含水量； 

S5.由控制单元根据所述反射信号以及高频信号等相关信息，计算土壤的电导率，即根据内嵌的公式： 

$\mathrm{EC}=\frac{K_{0}C}{L}\frac{Z_0}{Z_L}$

进行土壤电导率的计算，同时通过读取温度传感器采集到的环境土壤温度数据，获取土壤温度信息。式中，EC为土壤电导率，单位是mS/cm；K₀是真空的介电常数，C是电磁波在真空中的传播速度，L是测量探针的实际长度，Z₀是探针的电阻值，Z_L＝Z_u＝[2V₀/V_f-1]^-1，Z_u是特性阻抗，V₀是高频晶振发射的高频信号电压值，V_f是反射信号电压值。 

S6.根据所述土壤温度信息，进行土壤电导率计算结果的校准。根据在0℃～60℃条件下，以10℃为一个温度梯度，测量并分析温度对土壤电导率测量结果的影响情况，并根据得到的校准公式对计算结果进行校准，从而完成土壤三参数的测量。 

测量结束后，测量结果将存储在控制单元中，用户可通过通信单元进行实时测量结果的查询处理。 

如图2所示，本实施例土壤三参数测量系统包括： 

信号发生单元1，为高频晶振，用于发射固定频率的高频信号，通过传输单元2与探针3相连接，所述传输单元2为高频同轴电缆，高频晶振产生稳定的固定频率的高频信号作为入射信号通过高频同轴电缆传送到探针3，探针3上将产生反射信号并与入射信号发生叠加，形成稳定的交变电压。 

探针3，与传输单元2相连，如图3所示，探针3由不锈钢固定底座11、底座11中心位置的不锈钢中心探针9、三根均与分布于底座11外围且与中心探针9平行的不锈钢外围探针10、同样固定于底座11上的绝缘层12和温度测量孔13共同组成。中心探针9可看成是高频同轴电缆的一部分，当高频信号通过三根外围探针10时，将形成一个围绕中心探针9的均匀电场，探针3上形成反射电压信号，该反射电压信号与平行探针10之间土壤的含水量相关。三根外围探针10围绕中心探针9均匀分布，以中心探针9为圆点相互夹角为60度，并与中心探针9由绝缘层12绝缘。三根探针10之间以及探针10与底座11相互导通。温度测量孔13用于安装温度传感器4。 

信号处理单元5，与信号发生单元1、传输单元2相连，对反射信号与入射信号叠加产生的稳定的交变电压进行差分放大处理，将其转换为稳定的直流电压信号，该直流电压信号值与土壤含水量变化一致。如图4所示为信号处理单元5结构图，稳定的交变电压信号和高频晶振所产生的高频信号经过由运算放大器a14组成的第I级差分放大电路进行信号的差分处理后，进入由运算放大器b15组成的II级信号放大电路，进一步放大并转换，最后输出一个稳定的直流电压。 

控制单元6，为微控制器，与温度传感器4、信号处理单元5和通信单元7相连接，通过内置的A/D转换电路对经信号处理单元5处理后 的电压信号以及从温度传感器4读取的温度信号进行检测，并根据内嵌的公式进行土壤含水量、电导率的计算及根据土壤温度参数对求得的电导率进行校准。 

通信单元7，为标准的RS485通信接口，负责对外的数据通讯，可将测量结果传输到任意的数据采集装置中。 

电源单元8，与各组成部分相连，为直流9～12V输入，为系统各部分提供稳定的电源，系统在上电后，即可按照设定的时间间隔，进行土壤三参数测量。 

本实施例中的高频晶振采用100MHz有源晶振，可产生稳定的高频信号。探针3可插入土壤部分的探针长度为52mm，探针直径2mm，探针3还可根据需要采用其他的参数设定。高频同轴电缆采用50欧姆标准高频同轴电缆，分为内外两层，内层为信号传导，外层为屏蔽层。高频同轴电缆内层与中心位置探针9和信号处理单元5相连接，外层屏蔽层与外围探针10和电源地同时相接。 

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。 

Claims (8)

1.一种土壤三参数测量方法，其特征在于，该方法包括步骤：

S1.将探针插入到待测土壤中，系统上电，开始测量；

S2.向所述探针发射固定频率的高频信号；

S3.获取所述探针在接收到所述高频信号后形成的反射信号与所述高频信号叠加而成的交变电压信号，并对所述交变电压信号进行处理，将其转换为直流电压信号；

S4.根据所述交变电压信号与土壤含水量的对应关系，计算所述土壤含水量；

S5.根据所述反射信号以及所述高频信号，计算土壤的电导率，同时获取土壤温度信息；

S6.根据所述土壤温度信息，对所述土壤电导率进行校准，完成土壤三参数的测量；

所述步骤S3中对所述电压信号的处理以及转换是通过两级差分放大电路实现，所述两级差分放大电路包括：

第I级差分放大电路，由运算放大器a组成，用于对输入信号进行差分处理；

第II级信号放大电路，由运算放大器b组成，用于对所述第I级差分放大电路处理后的信号进一步放大，并将其转换为直流电压输出。

2.如权利要求1所述的土壤三参数测量方法，其特征在于，所述探针上安装有温度传感器，用于采集土壤温度信息。

3.一种土壤三参数测量系统，其特征在于，该系统包括：

信号发生单元，用于发射固定频率的高频信号；

传输单元，与所述信号发生单元相连，用于信号的传输；

探针，与所述传输单元相连，用于在接收到所述高频信号后形成反射信号，所述探针上安装有温度传感器；

信号处理单元，与所述信号发生单元、传输单元相连，用于对所述高频信号以及所述反射信号叠加而的交变电压信号进行差分放大处理，将其转换为直流电压信号；

控制单元，与所述温度传感器、信号处理单元相连接，根据内嵌的公式进行土壤含水量、电导率的计算，以及根据所述温度传感器采集到的土壤温度信息对求得的电导率进行校准；

该系统还包括：

通信单元，与所述控制单元相连，负责对外的数据通信，将测量结果传输到任意的数据采集装置中；

电源单元，与系统各部分相连为其提供电源。

4.如权利要求3所述的土壤三参数测量系统，其特征在于，所述探针进一步包括：

底座；

固定于底座中心位置的中心探针；

外围探针，均匀分布于底座圆周外围，平行于所述中心探针，且与所述中心探针通过同样固定于所述底座上的绝缘层绝缘；

温度测量孔，设置与所述底座上，用于安装温度传感器。

5.如权利要求3所述的土壤三参数测量系统，其特征在于，所述信号处理单元，包括：

第I级差分放大电路，由运算放大器a组成，用于对输入信号进行差分处理；

第II级信号放大电路，由运算放大器b组成，用于对所述第I级差分放大电路处理后的信号进一步放大，并将其转换为直流电压输出。

6.如权利要求3-5任一项所述的土壤三参数测量系统，其特征在于，所述中心探针、外围探针以及所述底座均由不锈钢材料制成。

7.如权利要求3-5任一项所述的土壤三参数测量系统，其特征在于，所述信号发生单元为高频晶振，所述输送单元为高频同轴电缆。

8.如权利要求7所述的土壤三参数测量系统，其特征在于，所述高频同轴电缆分为内外两层，内层为信号传导层，外层为屏蔽层，所述信号传导层与所述中心探针以及信号处理单元相连接，所述屏蔽层与所述外围探针以及所述电源单元相连接。

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