CN101520426B - 基于矢量合成的土壤水分和电导率的测量方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于矢量合成的土壤水分和电导率的测量方法及其装置。参考信号通过土壤信号采集模块，得到幅度和相位均可改变的阻容模型信号；同样利用参考信号，经过放大和反向，得到增益可调反向信号；将阻容模型信号和增益可调反向信号通过矢量合成模块进行矢量合成，得到电容分量和电导分量，即可得出土壤模型的水分含量和电导率。本发明提供了一种思路简单、巧妙、易于操作且易于实现的土壤水分测试方法。此方法可以消除土壤中电导的影响，准确的分离出土壤电容分量，提高了介电法水分测量的灵敏度和精确度。通过对土壤模型电导的抵消，同时可以求出土壤的电导率，而电导率是反映土壤肥力的一个重要参数。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量土壤水分和电导率的方法，具体地说是涉及一种利用矢量合成的信号处理技术进行测量土壤水分和电导率的方法及其装置。
背景技术
测定土壤的水分状况，需要根据农作物在不同的生长周期所需要的水分进行相应的灌溉，在农业生产中意义重大，同时这也是一种非常有效的合理利用水资源的措施，尤其是在我国目前农业用水资源利用率不高的情况下，意义就更加重大。
目前国内外的土壤含水量测定方法主要有：卡尔惠斯(Karl Fischer)法、土壤张力法、烘干法、电容法、电阻法、γ射线法、微波法、中子法、时域反射法(TDR)等。卡尔费休法，采用化学试剂，污染环境并且危害身体健康；土壤张力法，容易受到土壤环境的影响，稳定性差；烘干法，可造成有机质分解，致使测试结果不准；电阻法，土壤盐分的存在，使电阻法不能真正反应土壤的水分含量；γ射线法、微波法、中子法，存在一定的辐射，对身体健康和环境造成影响；时域反射法，价格昂贵，还未能推广。而电容水分传感器以其成本低、便携和动态响应范围宽等特点在农业土壤水分检测中得到广泛应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种提供一种崭新的利用矢量合成技术测量的土壤水分和电导率的阻容信号处理方法及其装置。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明中，参考信号，通过土壤信号采集模块，得到幅度和相位均可改变的阻容模型信号；同样利用参考信号，经过放大和反向，得到增益可调反向信号；将阻容模型信号和增益可调反向信号通过矢量合成模块进行矢量合成，得到电容分量和电导分量，即可得出土壤模型的水分含量和电导率。
参考信号可选频率范围为1～50MHZ。
参考信号为正弦信号。
一种实施该方法所利用的测量装置，高频信号源产生参考信号，传感器对土壤信号进行采集，参考信号与运算放大器I的正向输入端相连接，且与另一运算放大器II的反向输入端相连接；运算放大器I的输出端输出阻容模型信号，且输出端经第一电阻与自身的反向输入端连接，构成正反馈；电容与第七电阻并联接入运算放大器I的反向输入端；参考信号通过第九电阻接入运算放大器II的反向输入端，其运算放大器II的输出端输出增益可调反向信号，且输出端经第二电阻与自身的反向输入端连接，构成负反馈；阻容模型信号经过第四电阻、增益可调反向信号经过第五电阻并联接入运算放大器III的反向输入端，其输出端输出电容信号；增益可调反向信号经第八电阻接入运算放大器IV的反向输入端，其输出端输出电导信号。
参考信号可选频率范围为1～50MHZ。
参考信号为正弦信号。
第七电阻为阻值可调的电位器。
第九电阻为阻值可调的电位器。
第一电阻和第二电阻为阻值可调的电位器。
本发明中由于采用矢量合成技术，从而提供了一种思路简单、巧妙、易于操作且易于实现的土壤水分测试方法。此方法可以消除土壤中电导的影响，准确的分离出土壤电容分量，提高了介电法水分测量的灵敏度和精确度。通过对土壤模型电导的抵消，同时可以求出土壤的电导率，而电导率是反映土壤肥力的一个重要参数。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明中土壤阻容模型信号U1的矢量合成图；
图3为本发明中土壤阻容模型阻容总电压与参考信号放大后的UR’矢量叠加示意图；
图4为本发明中的电路图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明中，一种基于矢量合成的土壤水分和电导率的测量方法，利用参考信号U0，通过土壤信号采集模块，得到幅度和相位均可改变的阻容模型信号U1；同样利用的参考信号U0，经过放大和反向，得到增益可调反向信号U2，U2即为电导信号；将阻容模型信号U1和增益可调反向信号U2通过矢量合成模块进行矢量合成，得到电容分量和电导分量，电容分量即表示土壤中水分的含量，电导分量即表示土壤模型的电导率。
本方法中参考信号U0可选频率为1MHZ，且参考信号U0为正弦信号。
如图2所示矢量合成的土壤水分测试信号叠加处理的示意图。其中Uc是流经土壤阻容模型电容分量的电压，UR为流经土壤阻容模型电阻分量的电压，Uc比UR超前90度，U1为阻容电压叠加之后的总电压。
如图3所示，UR’为参考信号经运放放大后并与UR方向相反的电压量，U’为土壤阻容模型阻容总电压与参考信号放大后的UR’矢量叠加之后的总电压，当U’的幅值最小时，则UR’＝U2，此时，最小的U’幅值代表Uc，的大小，反映的是水分的大小，而U2反映的是电导率，即土壤肥力的大小。
如图4所示，一种为实施上述方法所利用的测量装置，基于上述矢量合成的原理，采用如图4所示的电路图。本实施例中土壤信号采集模块为运放电路，传感器采集土壤信号后进入土壤信号采集模块。
高频信号源产生参考信号U0，传感器对土壤信号进行采集，参考信号U0与运算放大器I A1的正向输入端相连接，且与另一运算放大器IIA2的反向输入端相连接；运算放大器I A1的输出端输出阻容模型信号U1，且输出端经第一电阻R1与自身的反向输入端连接，构成正反馈；电容Cx与第七电阻Rx并联接入运算放大器IA1的反向输入端；参考信号U0通过第九电阻Rc接入运算放大器IIA2的反向输入端，其运算放大器IIA2的输出端输出增益可调反向信号U2，且输出端经第二电阻R2与自身的反向输入端连接，构成负反馈；阻容模型信号U1经过第四电阻R4、增益可调反向信号U2经过第五电阻R5并联接入运算放大器IIIA3的反向输入端，其输出端输出电容信号U3；增益可调反向信号U2经第八电阻R8接入运算放大器IVA4的反向输入端，其输出端输出电导信号U4。
本装置的外围辅助设备为常规的电路设计，为本领域的普通技术人员所能够实现的技术。
本装置中参考信号U0可选频率为1MHZ，且参考信号U0为正弦信号。第七电阻Rx和第九电阻Rc为阻值可调的电位器。
图4中，也体现了土壤阻容模型中电容信号的分离原理：
利用参考正弦信号U0，通过传感器采集土壤的信号，得到幅度和相位均发生改变的阻容模型信号U1。由于电容Cx和第七电阻Rx的作用，阻容模型信号U1中因电容分量引起的信号变化比参考信号U0的相位超前90度，而电阻分量引起的信号变化与参考信号U0的相位相同。即U1为一个复数，它的实部是由电阻分量引起变化的信号量，且由于运放电路正反馈的作用，实部信号的相位与参考信号U0的相位相同；虚部是由电容分量引起变化的信号量。
同样利用该参考信号U0，经过运算放大器A2改变其幅值，且由于运放电路负反馈的作用，得到幅度变化可调、而相位相反的增益可调反向信号U2。
调整第七电阻Rx和第九电阻Rc的阻值，进行矢量合成。当增益可调反向信号U2正好与阻容模型信号U1的实部大小相等时，即可把幅度的改变抵消掉，从而最终仅剩下相位的改变，相位的改变与土壤的电容分量存在着确定的关系，求出电容分量，运算放大器IIIA3的输出端即为电容信号U3，即可以得到土壤水分的含量。
当电容分量确定之后，根据抵消的电阻分量，可以求出土壤模型的电导率。增益可调反向信号U2经第八电阻R8接入运算放大器IVA4的反向输入端，其输出端输出电导信号U4。
实施例2
如图1所示，本发明中，一种基于矢量合成的土壤水分和电导率的测量方法，利用参考信号U0，通过土壤信号采集模块，得到幅度和相位均可改变的阻容模型信号U1；同样利用的参考信号U0，经过放大和反向，得到增益可调反向信号U2，U2即为电导信号；将阻容模型信号U1和增益可调反向信号U2通过矢量合成模块进行矢量合成，得到电容分量和电导分量，电容分量即表示土壤中水分的含量，电导分量即表示土壤模型的电导率。
本方法中参考信号U0可选频率为15MHZ，且参考信号U0为正弦信号。
如图4所示，一种为实施上述方法所利用的测量装置，基于上述矢量合成的原理，采用如图4所示的电路图。本实施例中土壤信号采集模块为运放电路，传感器采集土壤信号后进入土壤信号采集模块。
高频信号源产生参考信号U0，传感器对土壤信号进行采集，参考信号U0与运算放大器IA1的正向输入端相连接，且与另一运算放大器IIA2的反向输入端相连接；运算放大器IA1的输出端输出阻容模型信号U1，且输出端经第一电阻R1与自身的反向输入端连接，构成正反馈；电容Cx与第七电阻Rx并联接入运算放大器IA1的反向输入端；参考信号U0通过第九电阻Rc接入运算放大器IIA2的反向输入端，其运算放大器IIA2的输出端输出增益可调反向信号U2，且输出端经第二电阻R2与自身的反向输入端连接，构成负反馈；阻容模型信号U1经过第四电阻R4、增益可调反向信号U2经过第五电阻R5并联接入运算放大器IIIA3的反向输入端，其输出端输出电容信号U3；增益可调反向信号U2经第八电阻R8接入运算放大器IVA4的反向输入端，其输出端输出电导信号U4。
本装置的外围辅助设备为常规的电路设计，为本领域的普通技术人员所能够实现的技术。
本装置中参考信号U0可选频率为15MHZ，且参考信号U0为正弦信号。第七电阻Rx、第九电阻Rc和第一电阻R1为阻值可调的电位器。
其他实施技术与实施例1相同。
实施例3
如图1所示，本发明中，一种基于矢量合成的土壤水分和电导率的测量方法，利用参考信号U0，通过土壤信号采集模块，得到幅度和相位均可改变的阻容模型信号U1；同样利用的参考信号U0，经过放大和反向，得到增益可调反向信号U2，U2即为电导信号；将阻容模型信号U1和增益可调反向信号U2通过矢量合成模块进行矢量合成，得到电容分量和电导分量，电容分量即表示土壤中水分的含量，电导分量即表示土壤模型的电导率。
本方法中参考信号U0可选频率为23MHZ，且参考信号U0为正弦信号。
如图4所示，一种为实施上述方法所利用的测量装置，基于上述矢量合成的原理，采用如图4所示的电路图。本实施例中土壤信号采集模块为运放电路，传感器采集土壤信号后进入土壤信号采集模块。
高频信号源产生参考信号U0，传感器对土壤信号进行采集，参考信号U0与运算放大器IA1的正向输入端相连接，且与另一运算放大器IIA2的反向输入端相连接；运算放大器IA1的输出端输出阻容模型信号U1，且输出端经第一电阻R1与自身的反向输入端连接，构成正反馈；电容Cx与第七电阻Rx并联接入运算放大器IA1的反向输入端；参考信号U0通过第九电阻Rc接入运算放大器IIA2的反向输入端，其运算放大器IIA2的输出端输出增益可调反向信号U2，且输出端经第二电阻R2与自身的反向输入端连接，构成负反馈；阻容模型信号U1经过第四电阻R4、增益可调反向信号U2经过第五电阻R5并联接入运算放大器IIIA3的反向输入端，其输出端输出电容信号U3；增益可调反向信号U2经第八电阻R8接入运算放大器IVA4的反向输入端，其输出端输出电导信号U4。
本装置的外围辅助设备为常规的电路设计，为本领域的普通技术人员所能够实现的技术。
本装置中参考信号U0可选频率为23MHZ，且参考信号U0为正弦信号。第七电阻Rx和第九电阻Rc为阻值可调的电位器。
其他实施技术与实施例1相同。
实施例4
如图1所示，本发明中，一种基于矢量合成的土壤水分和电导率的测量方法，利用参考信号U0，通过土壤信号采集模块，得到幅度和相位均可改变的阻容模型信号U1；同样利用的参考信号U0，经过放大和反向，得到增益可调反向信号U2，U2即为电导信号；将阻容模型信号U1和增益可调反向信号U2通过矢量合成模块进行矢量合成，得到电容分量和电导分量，电容分量即表示土壤中水分的含量，电导分量即表示土壤模型的电导率。
本方法中参考信号U0可选频率为30MHZ，且参考信号U0为余弦信号。
如图4所示，一种为实施上述方法所利用的测量装置，基于上述矢量合成的原理，采用如图4所示的电路图。本实施例中土壤信号采集模块为运放电路，传感器采集土壤信号后进入土壤信号采集模块。
高频信号源产生参考信号U0，传感器对土壤信号进行采集，参考信号U0与运算放大器IA1的正向输入端相连接，且与另一运算放大器IIA2的反向输入端相连接；运算放大器IA1的输出端输出阻容模型信号U1，且输出端经第一电阻R1与自身的反向输入端连接，构成正反馈；电容Cx与第七电阻Rx并联接入运算放大器IA1的反向输入端；参考信号U0通过第九电阻Rc接入运算放大器IIA2的反向输入端，其运算放大器IIA2的输出端输出增益可调反向信号U2，且输出端经第二电阻R2与自身的反向输入端连接，构成负反馈；阻容模型信号U1经过第四电阻R4、增益可调反向信号U2经过第五电阻R5并联接入运算放大器IIIA3的反向输入端，其输出端输出电容信号U3；增益可调反向信号U2经第八电阻R8接入运算放大器IVA4的反向输入端，其输出端输出电导信号U4。
本装置的外围辅助设备为常规的电路设计，为本领域的普通技术人员所能够实现的技术。
本装置中参考信号U0可选频率为30MHZ，且参考信号U0为余弦信号。第七电阻Rx、第九电阻Rc和第一电阻R1为阻值可调的电位器。
其他实施技术与实施例1相同。
实施例5
如图1所示，本发明中，一种基于矢量合成的土壤水分和电导率的测量方法，利用参考信号U0，通过土壤信号采集模块，得到幅度和相位均可改变的阻容模型信号U1；同样利用的参考信号U0，经过放大和反向，得到增益可调反向信号U2，U2即为电导信号；将阻容模型信号U1和增益可调反向信号U2通过矢量合成模块进行矢量合成，得到电容分量和电导分量，电容分量即表示土壤中水分的含量，电导分量即表示土壤模型的电导率。
本方法中参考信号U0可选频率为50MHZ，且参考信号U0为余弦信号。
如图4所示，一种为实施上述方法所利用的测量装置，基于上述矢量合成的原理，采用如图4所示的电路图。本实施例中土壤信号采集模块为运放电路，传感器采集土壤信号后进入土壤信号采集模块。
高频信号源产生参考信号U0，传感器对土壤信号进行采集，参考信号U0与运算放大器IA1的正向输入端相连接，且与另一运算放大器IIA2的反向输入端相连接；运算放大器IA1的输出端输出阻容模型信号U1，且输出端经第一电阻R1与自身的反向输入端连接，构成正反馈；电容Cx与第七电阻Rx并联接入运算放大器IA1的反向输入端；参考信号U0通过第九电阻Rc接入运算放大器IIA2的反向输入端，其运算放大器IIA2的输出端输出增益可调反向信号U2，且输出端经第二电阻R2与自身的反向输入端连接，构成负反馈；阻容模型信号U1经过第四电阻R4、增益可调反向信号U2经过第五电阻R5并联接入运算放大器IIIA3的反向输入端，其输出端输出电容信号U3；增益可调反向信号U2经第八电阻R8接入运算放大器IVA4的反向输入端，其输出端输出电导信号U4。
本装置的外围辅助设备为常规的电路设计，为本领域的普通技术人员所能够实现的技术。
本装置中参考信号U0可选频率为50MHZ，且参考信号U0为余弦信号。第七电阻Rx、第九电阻Rc、第一电阻R1和第二电阻R2均为阻值可调的电位器。
其他实施技术与实施例1相同。
Claims (9)
1.一种基于矢量合成的土壤水分和电导率的测量方法，其特征在于：参考信号(U0)和通过传感器采集的土壤信号共同输入至土壤信号采集模块，土壤信号采集模块输出幅度和相位均可改变的阻容模型信号(U1)；同样利用参考信号(U0)，经过放大和反向，得到增益可调反向信号(U2)；将阻容模型信号(U1)和增益可调反向信号(U2)通过矢量合成模块进行矢量合成，得到电容分量和电导分量，即可得出土壤模型的水分含量和电导率。
2.根据权利要求1所述的基于矢量合成的土壤水分和电导率的测量方法，其特征在于：所述参考信号(U0)可选频率范围为1～50MHZ。
3.根据权利要求1或2所述的基于矢量合成的土壤水分和电导率的测量方法，其特征在于：所述的参考信号(U0)为正弦信号。
4.一种如权利要求1所述的为实施该方法所利用的测量装置，其特征在于：高频信号源产生参考信号(U0)，传感器对土壤信号进行采集，参考信号(U0)与运算放大器I(A1)的正向输入端相连接，且与另一运算放大器II(A2)的反向输入端相连接；运算放大器I(A1)的输出端输出阻容模型信号(U1)，且输出端经第一电阻(R1)与自身的反向输入端连接，构成正反馈；电容(Cx)与第七电阻(Rx)并联接入运算放大器I(A1)的反向输入端；参考信号(U0)通过第九电阻(Rc)接入运算放大器II(A2)的反向输入端，其运算放大器II(A2)的输出端输出增益可调反向信号(U2)，且输出端经第二电阻(R2)与自身的反向输入端连接，构成负反馈；阻容模型信号(U1)经过第四电阻(R4)、增益可调反向信号(U2)经过第五电阻(R5)并联接入运算放大器III(A3)的反向输入端，其输出端输出电容信号(U3)；增益可调反向信号(U2)经第八电阻(R8)接入运算放大器IV(A4)的反向输入端，其输出端输出电导信号(U4)。
5.根据权利要求4所述的基于矢量合成的土壤水分和电导率的测量装置，其特征在于：所述参考信号(U0)可选频率范围为1～50MHZ。
6.根据权利要求4或5所述的基于矢量合成的土壤水分和电导率的测量装置，其特征在于：所述的参考信号(U0)为正弦信号。
7.根据权利要求4所述的基于矢量合成的土壤水分和电导率的测量装置，其特征在于：所述的第七电阻(Rx)为阻值可调的电位器。
8.根据权利要求4或7所述的基于矢量合成的土壤水分和电导率的测量装置，其特征在于：所述的第九电阻(Rc)为阻值可调的电位器。
9.根据权利要求4所述的基于矢量合成的土壤水分和电导率的测量装置，其特征在于：所述的第一电阻(R1)和第二电阻(R2)为阻值可调的电位器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120509 Termination date: 20130228 |