CN101629918B - 一种基于相位检测原理的土壤含水量测试仪及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于相位检测原理的土壤含水量测试仪，所述测试仪包括：高频正弦信号发生器，信号分离电路，探针，环形器，相位检测器等，其中，相位检测器用于接收信号分离电路发送的参考信号及环形器发送的反射信号，并将二者的相位差直流电压信号输出给模数转换电路；模数转换电路，与所述相位检测器连接，用于将相位检测器产生的直流电压信号变换成数字信号后输入微处理器；微处理器，用于控制所述高频正弦信号发生器的工作频率，及根据所述模数转换电路输出的数字信号计算出测试信号在探针上的传播时间，并根据该传播时间利用公知经验公式计算出土壤含水量。本发明的测试仪不仅在技术上能够实现，且产品造价低廉，易于在国内推广应用。

Description

一种基于相位检测原理的土壤含水量测试仪及其方法

技术领域

本发明涉及一种土壤含水量测试仪及其方法，尤其涉及一种基于相位检测原理的土壤含水量测试仪及其方法。

背景技术

随着农业节水技术的推广和应用，在生产和科研活动中越来越需要实时、快速和准确地监测土壤水分，以确保对农作物适时、适量的灌溉，或者结合气象预报对未来土壤水分状况进行预测，作为区域调水、配水和制定灌溉计划的参考依据。虽然现有的一些方法和技术(如：称重烘干法、中子仪和张力计等)也用于土壤水分监测，但研究和实践表明，时域反射仪(Time Domain Reflectometry，简称TDR)在几种测定土壤水分技术中最具实时、快速和准确等方面的优势，国外应用TDR时域反射仪还在监测山体滑坡、垃圾填埋、江河和水库堤坝安全等方面发挥重要作用。

传统的TDR仪器产生一个具有极小上升沿(＜200ps)的阶跃电压信号，其以电磁波的形式沿插入土壤中的探针传播，并在探针的末端被反射回来，通过高速采样示波器可以获取整个TDR波形，在TDR波形上采用双切线方法来确定电磁波在探针上传播的时间(如图1所示)。探针周围土壤的表观介电常数Ka由下式计算得出：

$K_a={\left(\frac{c}{v}\right)}^2={\left(\frac{\mathrm{ct}}{2L}\right)}^2---\left(1\right)$

其中c为电磁波在真空中传播的速度，t为电磁波沿插入土壤中的探针传播的时间，L为探针的物理长度。自由水的介电常数为80.36(20℃)，空气的介电常数为1，土壤颗粒的介电常数一般为3～5，因此湿土的介电常数主要取决于土壤含水量。土壤含水量由以下经验公式给出：

θ_v＝-5.3×10^-2+2.92×10^-2K_a-5.5×10^-4K_a ²+4.3×10^-6K_a ³    (2)

国外的时域反射仪(TDR)中使用的快速阶跃信号发生器、超高速A/D转换器和高精度高分辨率时间基准所需的IC芯片精度和规格要求较高，造价高昂。我国生产和科研单位目前使用的TDR时域反射仪主要从美国、加拿大和德国等进口(如：Tectronix 1502C，Trase，MP-917，Trime等)。TDR时域反射仪的单机价格约一万美元，成套设备价格为几万美元，目前急需设计出一种具备同等功能，但设计更合理、造价更低廉的替代性产品方案。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是要克服现有技术的不足，提供一种基于相位检测原理的土壤含水量测试仪(TDR)及其方法，不仅在技术上能够实现，而且价格大大低于国外产品，易于在国内推广应用。

(二)技术方案

针对以上问题，本发明提出的一种基于相位检测原理的土壤含水量测试仪，包括：

高频正弦信号发生器，用于产生单一频率的高频正弦电压信号；

信号分离电路，与所述高频正弦信号发生器相连，用于将所述高频正弦信号发生器产生的高频正弦电压信号分离为参考信号和测试信号；

探针，通过同轴电缆与所述信号分离电路的测试信号输出端连接，并用于置于待测土壤中以反射测试信号；

环形器，与所述信号分离电路相连，用于作为所述测试信号的信号通道，并作为所述测试信号在探针末端被反射回来后的反射信号的 信号通道；

相位检测器，分别与信号分离电路和环形器连接，用于接收信号分离电路发送的参考信号及环形器发送的反射信号，并将二者的相位差直流电压信号输出给模数转换电路；

模数转换电路，与所述相位检测器连接，用于将相位检测器产生的直流电压信号变换成数字信号后输入微处理器；

微处理器，用于控制所述高频正弦信号发生器的工作频率，及根据所述模数转换电路输出的数字信号计算出测试信号在探针上的传播时间，并根据该传播时间利用公知经验公式计算出土壤含水量。

其中，所述高频正弦信号发生器包括由石英晶体振荡器、鉴频鉴相器、低通滤波器、压控振荡器和分频器组成的锁相环电路。

其中，所述测试仪还包括一微处理器外围电路，该外围电路由与微处理器连接的LCD显示、键盘、存储器、USB接口组成，用于提供人机操作界面和数据通信接口。

其中，所述探针的探针针体和探针末端覆盖着厚度为1mm的PVC绝缘涂层。

其中，所述探针的探头与同轴电缆的连接处设有尺寸大小适中的使得其在探头外壳材料中的特征阻抗与同轴电缆特征阻抗相等的连接铜柱。

本发明还提供了一种利用前述任一种土壤含水量测试仪测量土壤含水量的方法，本方法包括如下步骤：

S1：利用高频正弦信号发生器产生单一频率的高频正弦电压信号；

S2：利用信号分离电路将所述高频正弦信号发生器产生的高频正弦电压信号分离为参考信号和测试信号；

S3：将上述参考信号发送给相位检测器，并将测试信号通过环形器传输至探针末端后反射回来的反射信号通过环形器传输至相位检 测器；

S4：利用相位检测器将参考信号和反射信号的相位差直流电压信号输出给模数转换电路；

S5：利用模数转换电路将相位检测器产生的相位差直流电压信号变换成数字信号后输入微处理器；

S6：利用微处理器根据所述模数转换电路输出的数字信号计算出测试信号在探针上的传播时间，并根据该传播时间利用公知经验公式计算出土壤含水量。

(三)有益效果

本发明提供的一种新的基于相位检测原理的时域反射土壤水分测试仪(TDR)和土壤水分测量方法，不仅在技术上能够实现，而且产品造价低廉，成本大大低于国外产品，易于在国内推广应用。

附图说明

图1为传统的TDR测量电磁波传播时间的方法的示意图；

图2为本发明的测试信号传播路径示意图；

图3为本发明土壤含水量测试仪的电路组成框图；

图4为本发明高频正弦信号源电路的组成框图；

图5为本实施例平行三棒式带PVC绝缘层探头的内部结构图；

图6为本实施例微处理器上的P-TDR系统软件工作流程图。

具体实施方式

本发明提出的一种基于相位检测原理的土壤含水量测试仪(TDR)及其方法结合附图和实施例说明如下。以下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各权利要求限定。

传统的TDR仪器产生一个具有极小上升沿(＜200ps)的阶跃电压信号，其以电磁波的形式沿插入土壤中的探针传播，并在探针的末端被反射回来，通过高速采样示波器可以获取整个TDR波形，在TDR波形上采用双切线方法来确定电磁波在探针上传播的时间(如图1所示)。探针周围土壤的表观介电常数Ka由下式计算得出：

$K_a={\left(\frac{c}{v}\right)}^2={\left(\frac{\mathrm{ct}}{2L}\right)}^2---\left(1\right)$

其中c为电磁波在真空中传播的速度，t为电磁波沿插入土壤中的探针传播的时间，L为探针的物理长度。自由水的介电常数为80.36(20℃)，空气的介电常数为1，土壤颗粒的介电常数一般为3～5，因此湿土的介电常数主要取决于土壤含水量。土壤含水量由以下经验公式给出：

θ_v＝-5.3×10^-2+2.92×10^-2K_a-5.5×10^-4K_a ²+4.3×10^-6K_a ³      (2)

如图2所示，为测试信号的传播路径示意图，锁相环产生的单一频率的正弦电压信号，以电磁波的形式沿同轴电缆和探针传播，并在探针的末端被反射回来。环行器将反射信号分离出来，与入射信号一起进入相位检测器。相位检测器将入射信号和反射信号的相位差转换为直流电压信号，AD转换器将模拟电压信号转换为数字量并送入CPU进行处理。

一列正弦波沿两条不同的路径传播到达同一点，它们的相位差与两条路径上传播的时间差成正比：

其中： 

为相位差；Δt为传播的时间差；f为正弦波频率；T为正弦波周期。

如f＝500MHz的正弦波，T＝2ns，要使时间测量误差小于50ps，只须相位测量误差不超过9°。

土壤、水、空气混合物的介电常数的最大最小值是已知的，且探针的长度可以根据实际需要来确定，以15cm长的探针为例，电磁波沿探针传播的最长时间和最短时间相差8ns。本专利发明了使用单一频率的正弦波信号作为测试信号，并采用相位检测技术测量电磁波传播时间的TDR土壤水分测量方法。

如图3所示，为基于相位检测原理的时域反射(TDR)土壤含水量测试仪的电路组成框图。

高频正弦波信号源产生的正弦波信号沿同轴电缆传播到探针，在探针的末端产生反射，反射波沿探针和同轴电缆传播回来，在环行器中被分离出来，并与参考信号一起分别进入相位测量和幅度测量模块，相位检测模块产生的直流电压经数模转换器变换成数字信号输入微处理器。微处理器的外围电路由LCD显示、键盘、存储器、USB接口组成。

如图4所示，是本发明高频正弦信号源电路的组成框图，使用由石英晶体振荡器、鉴频鉴相器、低通滤波器、压控振荡器和分频器组成的锁相环电路作为信号发生器，输出频率可由微处理器控制，调节范围300MHz～1GHz，最小调节步长0.2MHz。

基于相位检测原理的时域反射(TDR)土壤水分测试仪在传统的TDR系统通常采用的平行三棒式探头的基础上加以改进，在三根不锈钢探针棒上以及探针棒的头部(末端)都覆盖了厚度为1mm的PVC绝缘涂层，以减小因土壤含水量的变化引起的探头阻抗变化的范围，另外，绝缘涂层还能降低土壤电导率对相位测量的影响。在探头与同轴电缆的连接处也作了精心的设计，使得阻抗不连续部位的范围大大缩小，从而进一步提高土壤含水量测量的精度。

如图5所示，为平行三棒式带PVC绝缘层探头的内部结构图，探头的测试部分为三根平行金属棒，长，直径，相邻两棒间距为L，d，D/2，每根棒上覆盖了厚度为的PVC绝缘层。金属棒伸入到探头壳体内，使用螺钉将其与同轴电缆连接，中间的金属棒与同轴电缆的内导体相连，两侧的金属棒与同轴电缆的外导体相连，通过适当选择探头与同轴电缆连接处铜柱的尺寸，使得其在PVC介质(即探头外壳材料)中的特征阻抗与同轴电缆特征阻抗相等，从而减少测试信号在此处的发射，提高测量精度。

如图6所示，为运行于本发明微处理器上的P-TDR系统软件工作流程图，其主要功能是：通过模数转换电路获取入射信号与反射信号的相位差和电压幅度，计算电磁波信号在传感器探针上传播的时间和信号的衰减量，通过校正公式得到土壤体积含水量和电导率；通过LCD显示模块和键盘提供人机界面，显示土壤水分和电导率测量结果以及系统工作状态，并设置各种工作参数；将测量结果保存到FLASH存储器以便以后查看和上传到计算机；与计算机通讯，以便通过计算机来设置系统参数和将测量数据上传到计算机作进一步的分析处理。

通常根据相位检测器的输出只能得到-180～180°之间的相位差，因为对于任意相位差 

和与之相差若干个周期的相位差 

来说，相位检测器的输出是相同的。为了解决这种整周期数不确定的问题，可以采取如下方法：使信号源的输出频率改变一个较小的值_Δω，假设这样引起的相位差的变化为_Δθ，即在信号频率为ω和ω+_Δω时对应的相位差分别为 

和 因为其它条件未变，所以在这两种情况下t_t、t_r的值是相同的，根据式 

可得：

因为_Δω很小，所以_Δθ的值也很小(在-180～180°之间)；_Δω可根据实际需要取正值和负值，所以_Δθ也可为正可为负。这样，通过对_Δω的值进行适当的选择就能保证 

和 有相同的整周期数，那么_Δθ就没有整周期数不确定的问题(其整周期数为0)。_Δθ的值确定后，再根据式(0-2)由ω和_Δω的值就可以计算出 的准确大小。

基于相位检测原理的时域反射(TDR)土壤水分测试仪在信号传播时间的测量上有很高的精度，在0～12ns的时间范围内P-TDR测量结果与理论计算值之间的平均误差小于10ps。

研究表明，基于相位检测原理的时域反射(TDR)土壤水分测试仪对土壤含水量的测量有很高的精度，均方根误差小于0.02m³/m³，其性能与传统的PDR土壤水分测试系统相当。

土壤质地对基于相位检测原理的时域反射(TDR)土壤水分测试仪测量结果有一定影响，但如果把质地差异很大的土壤分为三类，每一类型的土壤使用一个特定标定公式，则实测土壤体积含水量时可以忽略土质的影响。如果对特定的土壤进行单独的标定，基于相位检测原理的时域反射(TDR)土壤水分测试仪可以达到更高的精度。

Claims (6)

1.一种基于相位检测原理的土壤含水量测试仪，其特征在于，所述测试仪包括：

高频正弦信号发生器，用于产生单一频率的高频正弦电压信号；

信号分离电路，与所述高频正弦信号发生器相连，用于将所述高频正弦信号发生器产生的高频正弦电压信号分离为参考信号和测试信号；

探针，通过同轴电缆与所述信号分离电路的测试信号输出端连接，并用于置于待测土壤中以反射测试信号；

环形器，与所述信号分离电路相连，用于作为所述测试信号的信号通道，并作为所述测试信号在探针末端被反射回来后的反射信号的信号通道；

相位检测器，分别与信号分离电路和环形器连接，用于接收信号分离电路发送的参考信号及环形器发送的反射信号，并将二者的相位差直流电压信号输出给模数转换电路；

模数转换电路，与所述相位检测器连接，用于将相位检测器产生的直流电压信号变换成数字信号后输入微处理器；

微处理器，用于控制所述高频正弦信号发生器的工作频率，及根据所述模数转换电路输出的数字信号计算出测试信号在探针上的传播时间，并根据该传播时间利用公知经验公式计算出土壤含水量。

2.如权利要求1所述的土壤含水量测试仪，其特征在于所述高频正弦信号发生器包括由石英晶体振荡器、鉴频鉴相器、低通滤波器、压控振荡器和分频器组成的锁相环电路。

3.如权利要求1所述的土壤含水量测试仪，其特征在于，所述测试仪还包括一微处理器外围电路，该外围电路由与微处理器连接的LCD显示、键盘、存储器、USB接口组成，用于提供人机操作界面和数据通信接口。

4.如权利要求1所述的土壤含水量测试仪，其特征在于，所述探针的探针针体和探针末端覆盖着厚度为1mm的PVC绝缘涂层。

5.如权利要求3所述的土壤含水量测试仪，其特征在于，所述探针的探头与同轴电缆的连接处设有尺寸大小适中的使得其在探头外壳材料中的特征阻抗与同轴电缆特征阻抗相等的连接铜柱。

6.一种利用如权利要求1～5之任一所述的土壤含水量测试仪测量土壤含水量的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1：利用高频正弦信号发生器产生单一频率的高频正弦电压信号；

S2：利用信号分离电路将所述高频正弦信号发生器产生的高频正弦电压信号分离为参考信号和测试信号；

S3：将上述参考信号发送给相位检测器，并将测试信号通过环形器传输至探针末端后反射回来的反射信号通过环形器传输至相位检测器；

S4：利用相位检测器将参考信号和反射信号的相位差直流电压信号输出给模数转换电路；

S5：利用模数转换电路将相位检测器产生的相位差直流电压信号变换成数字信号后输入微处理器；

S6：利用微处理器根据所述模数转换电路输出的数字信号计算出测试信号在探针上的传播时间，并根据该传播时间利用公知经验公式计算出土壤含水量。

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