CN101858878B - 管式土壤水分测量传感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种管式土壤水分测量传感器及测量方法，包括：探测管，高频信号发射器、传输线等效网络电路、检波电路、信号放大电路、双圆环探头，所述传输线等效网络电路的信号接收端与高频信号发射器的信号发射端连接；传输线等效电路的信号传输线连接双圆环探头；所述两个检波电路信号输入端分别连接在传输线等效网络电路的两端，所述信号放大电路与所述检波电路的检测波输出端相连；测量时只需要将双圆环金属探头伸入探测管内将双圆环探头伸入埋设在土壤中的探测管内，利用驻波原理检测计算土壤的含水量即可，对被观测的土壤剖面扰动小，检测方便，而且电路相对简单，价格低于国外土壤水分测试仪，调试方便，适合在中国的广大地域中使用。

Description

管式土壤水分测量传感器及测量方法

技术领域

本发明属于土壤水分测量领域，尤其涉及一种对土壤剖面进行测量的管式土壤剖面水分测量传感器及测量方法。 

背景技术

土壤水分监测技术广泛应用于农业、水利、气象、林业和生态等重要的监测项目中。土壤水分测量技术是节水抗旱实施的重要的技术保障。而管式土壤水分测量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。 

随着高新技术的不断发展，土壤水分检测技术包括TDR(TimeDomain Reflectometry)时域反射技术和FDR(Frequency DomainReflectometry)频域反射技术，这两种技术在土壤水分测定中得到了广泛的应用。早期的TDR技术在土壤中插入探针，通过测定探针发出电磁波在土壤中的传播时间来实现土壤含水量的测定；FDR技术是通过探针感应电磁波在土壤中的传导和衰减来分析土壤含水量的。 

传统的土壤水分测量仪器利用探针直接与土壤接触的方式检测土壤的含水量，这种测量方式操作比较简单，但这种检测方式主要有缺点在于：必须挖开土壤剖面才能进行传感器的分层埋设，检测时费时、费力，并且中国地域广阔土壤类复杂，国外的管式土壤水分测量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，提供了一种利用驻波原理、技术先进、电路简单、适合在中国大陆使用的管式土壤剖面水分测量传感器及其检测方法。 

为了解决上述问题，本发明采取以下技术方案：一种管式土壤水分测量传感器，包括：探测管，高频信号发射器、传输线等效网络电路、检波电路、信号放大电路、双圆环探头，所述传输线等效网络电路的信号接收端与高频信号发射器的信号发射端连接；传输线等效电路的信号传输线连接双圆环探头；所述两个检波电路信号输入端分别连接在传输线等效网络电路的两端，所述信号放大电路与所述检波电路的检测波输出端相连；所述探测管埋设于待测土壤中，所述双圆环探头与探测管内壁接触。 

优选的，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，其中第一电容器和第二电容器连接点接地。 

优选的，所述信号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与所述检波电路检测波输出端连接。 

优选的，所述传感器双圆环探头由两个同轴的不锈钢圆环组成，所述两个不锈钢圆环分为正极圆环和负极圆环，所述负极圆环的中心与传输线等效电路的信号传输线连接，所述正极圆环中心处与通过负极圆环中心的传输线等效电路的信号传输线连接。 

一种基于管式土壤水分测量传感器的土壤含水量测量方法，包括： 

将双圆环探头伸入探测管，在探测管内移动双圆环探头，高频信 号发射器通过双圆环发射电磁波； 

在信号放大电路信号输出端检测传输线等效网络电路产生驻波时，传输线等效网络电路两端的电位差； 

根据所述检测的电位差计算被测土壤的介电常数； 

根据介电常数与土壤容积含水量的函数关系计算获得土壤容积含水量。 

优选的，所述电磁波通过双圆环探头的正极圆环发射到外界。 

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采用驻波原理测定土壤含水量。管式土壤水分测量传感器通过所述高频信号发射器发出高频信号，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，测量精度为土2％。本发明传感器探头采用双圆环金属探头，将探测管埋设在待测土壤中，测量时只需要将双圆环金属探头伸入探测管内进行测量即可，对被观测的土壤剖面扰动小，检测方便，而且电路相对简单，价格低于国外土壤水分测试仪，调试方便，适合在中国的广大地域中使用。 

附图说明

图1为本发明电路原理框图； 

图2为本发明的传输线等效网络电路图； 

图3为本发明的管式土壤水分测量传感器等效电路图。 

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 

本发明的电路原理框图如图1中所示，包括高频信号发射器11、传输线等效网络电路12、两个检波电路13、差动放大电路14、双圆环探头15。其中高频信号发射器11发出100MHZ的高频正弦电磁波信号，此信号经过传输线等效网络电路12传输至双圆环探头15，所述双圆环探头15由两个同轴的不锈钢圆环组成，两个圆环套在PVC材料的圆柱轴上，所述不锈钢圆环直径为42mm，长度为220mm；所述探测管材料是国产PVC工程塑料，内径为42mm，外径为44.3mm，管长1m、2m或3m。两个不锈钢的圆环中心处与传输线等效网络电路12的信号传输线连接，高频正弦电磁波信号通过中心双圆环探头的正极圆环发射到外界，电磁波透过探测管管壁在周围待测土壤传播，并被环形圆环负极接收，由于传输线等效网络电路的阻抗与探头阻抗不匹配，部分电磁波在探头与传输线等效电路连接处沿信号传输线反射回到传输线等效电路，在传输线等效电路上入射波和反射波叠加形成驻波，在形成驻波时的入射波和反射波分别经过检波电路13将高频电磁波信号转化为直流电压信号，输入给信号放大电路，经信号放大电路的调零和放大后，产生0-2.5V的差分直流电压输出信号，检测电压输出信号，利用壤土中的土壤容积含水量与传感器输出电压的关系(即标定方程)建立土壤容积含水量与传感器输出电压之间的三次多项式，即为θ_V＝0.0438V³-0.1334V²+0.278V-0.0306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。 

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12两端的检波电路13(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，输入给信号放大电路14，经过所述信号放大电路14的调零和放大后，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管式土壤水分测量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，即为θ_V＝0.0438V³-0.1334V²+0.278V-0.0306。 

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双圆环探头的外部结构通过试验确定。 

传输线等效网络电路12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管式土壤水分测量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。 

管式土壤水分测量传感器的探头属于规则传输线，本发明研究表明管式土壤水分测量传感器探头的特征阻抗Z_L如下式： 

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

因为传感器的探头结构为同轴圆环式结构，由几何形状分析它的特性满足不等式：ZS＞ZL＞ZC； 

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，探头内介质的介电常数为ε，即得到： 

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

因选定的探头为不锈钢材料，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。 

因此，本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，还有很多根据其权利要求确定的具体的技术性应用方案。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

Claims (2)

1.一种基于管式土壤水分测量传感器的土壤含水量测量方法，其特征在于，包括：采用管式土壤水分测量传感器进行测量；

所述管式土壤水分测量传感器包括：探测管，高频信号发射器，传输线等效网络电路，第一检波电路，第二检波电路，信号放大电路，双圆环探头；所述传输线等效网络电路的信号接收端与高频信号发射器的信号发射端连接，传输线等效网络电路的信号传输线连接双圆环探头，所述第一检波电路信号输入端连接在传输等效网络电路的信号接收端，所述第二检波电路信号输入端连接在传输等效网络电路的信号传输线上，所述信号放大电路与所述第一检波电路、所述第二检波电路的检测波输出端相连，所述探测管埋设于待测土壤中，所述双圆环探头与探测管内壁接触；

所述传输线等效网络电路包括：电感L，与电感L并联的第一电容器C₁，分别与电感L串联的第二电容器C和第三电容器C₂，所述第二电容器C和所述第三电容器C₂并联，所述第一电容器C₁输入端与所述高频信号发射器的信号发射端电连接，所述第三电容器C₂的输出端与双圆环探头的末端电连接，其中第一电容器C₁和第二电容器C连接点接地；

测量步骤如下：

将双圆环探头伸入探测管，在探测管内移动双圆环探头，高频信号发射器通过双圆环发射电磁波；

在信号放大电路信号输出端检测传输线等效网络电路产生驻波时，传输线等效网络电路两端的电位差；

根据所述检测的电位差计算被测土壤的介电常数；

根据介电常数与土壤容积含水量的函数关系计算获得土壤容积含水量。

2.根据权利要求1所述土壤含水量检测方法，其特征在于，所述双圆环探头由两个同轴的不锈钢圆环组成，所述两个不锈钢圆环分为正极圆环和负极圆环，所述负极圆环的中心与传输线等效电路的信号传输线连接，所述正极圆环中心处与通过负极圆环中心的传输线等效电路的信号传输线连接；

所述电磁波通过双圆环探头的正极圆环发射到外界。

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