CN102590233B - 通过检测最小驻波测土壤含水量的仪器及方法 - Google Patents

通过检测最小驻波测土壤含水量的仪器及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种介电法土壤水分测量仪器及方法，具体为一种通过检测最小驻波测土壤含水量的仪器及方法。本发明通过扫频检测探针入射波与探针反射波干涉合成的最小驻波信号，计算出信号在探针上的传播时间，再根据传播时间计算出土壤的介电常数，最后通过介电常数与土壤含水量的正相关关系，通过定标，可以直接测量出土壤的含水量，比现有的依据直接脉冲反射测量时间间隔更方便快捷，电路实现上也更加简单，且精度高。

Description

通过检测最小驻波测土壤含水量的仪器及方法
技术领域
本发明涉及一种介电法土壤水分测量仪器及方法，具体为一种通过检测最小驻波测土壤含水量的仪器及方法。
背景技术
土壤水分测量技术经过漫长的研究，形成的多种测量方法，主要有烘干法、中子法、近红外反射法、介电法等。利用土壤的介电特性来测量土壤含水率是一种非常有效、快速、简单、可靠的方法。最先对土壤介电特性做出系统研究的是前苏联学者Cheryak，他在1964年出版了《湿土介电特性研究一书》引起世界的关注。以此为基础，土壤介电特性迅速应用于土壤水分测量中，实现方法也各有不同，主要有频域分解法、驻波率法、时域反射法（TDR）。
1992年荷兰Wageningen农业大学学者Hilhorst通过大量的研究提出了频域分解法，利用矢量电压技术，在某一理想的测试频率下将土壤的介电常数进行实部与虚部的分解，从而得到土壤电导率与含水率，他还从实验中得出理想的测试频率在20-30MHz，但在这个频段土壤的介电常数受土质的影响非常大，测量结果不可避免的受到土质的影响，后来Heimovaara的研究也证实了上述的说法。
驻波法测量土壤水分含量是1995年由Gaskin和Miller共同提出的，利用微波理论中的驻波比来测量土壤水分含量，他们从实验研究得出土壤介电常数改变能引起传输线上驻波比的改变，以此为依据来测量土壤水分含量，此种测量方法虽然比频域分解法有所改进，且实现简单，但测量精度与传感器互换性上不及时域反射法。影响测量精度的主要问题是探针的阻抗计算，在土壤水分含量高的时候探针可以看成是短线即集中常数器件，但水分含量低的时候，信号在探针上传播速度加快，波长变短，此时探针无法再看成是集中常数器件，影响土壤水分测试的线性。
时域反射法是介电测量中的一种高速技术，是在1969年以Feidegg等人关于许多液体介电常数的研究为基础发展而来的。到了1975年，Topp和Davis将其引入到土壤水分的研究，根据电磁波在不同介电常数介质中传播速度的改变提出了时域反射法（Time Domain Reflectometry），简称TDR测量方法。时域反射法测量土壤水分的基本原理是100MHz的电磁脉冲在同轴线上的传播速度依赖于其传播介质介电特性与损耗，在损耗较小时主要依赖于介电常数实部。TDR土壤水分测试仪主要由脉冲信号发生器，同轴传输线，探头及高频示波器组成。高频脉冲发生器产生100MHz的高频脉冲，并将其通过50欧同轴传输线传至探头。由于同轴传输线与探针阻抗、探针阻抗与土壤阻抗的不同造成信号的反射，测量两次反射之间的时间差即可测量土壤水分含量。时域反射法测量土壤水分含量得到了大家普遍的认可，许多学者对TDR测量土壤含水率的测量敏感区域，土质对测量结果的影响，TDR探头几何结构对测量结果的影响等方面做了大量研究。理论和实验研究表明基于TDR方法的土壤水分测试仪能够满足快速实时测量的要求。但对于土壤这种复杂的多孔介质对象，含水率的变化引起信号在探针上传输时间的改变在1-9 ns之间，为了达到一定测量精度就要求TDR对时间测量的分辨率达到0.1 ns。要对如此短的时间进行准确的测量，难度极大。目前世界上掌握此测量技术的只有美国、加拿大、德国等少数国家，因此TDR土壤水分测试仪的成本也很高，如美国的Trase土壤水分测试系统价格高达1万美元。
因此TDR土壤水分测试仪只有在极少的高等院校，科研机构中使用，无法大量应用于农田土壤墒情监测。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种通过检测最小驻波测土壤含水量的仪器及方法的技术方案，通过检测电磁波信号在探针上的传播时间，根据高频信号传播时间与土壤含水量的相关性，实现土壤含水量的快速检测。
所述的通过检测最小驻波测土壤含水量的仪器，其特征在于，包括：
扫频信号源，用来产生20-200MHz连续频率正弦高频信号；
高频放大电路，用来放大扫频信号源输出的高频信号；
阻抗匹配电路，实现与探针的阻抗匹配；
峰值检测电路，连接阻抗匹配电路和探针，用来检测入射波与探针反射波干涉合成驻波信号的大小；
微控制器，接收峰值检测电路的检测信号，产生控制信号作用于扫频信号源，使扫频信号源产生不同频率的高频信号输出；
探针，与阻抗匹配电路连接，插入土壤，提供信号传播路径。
所述的通过检测最小驻波测土壤含水量的仪器，其特征在于所述的扫频信号源采用直接数字合成频率技术DDS来实现。
所述的通过检测最小驻波测土壤含水量的仪器，其特征在于所述的探针采用长度为20-40厘米，间距1-5厘米的多针平行结构。
所述的通过检测最小驻波测土壤含水量的仪器，其特征在于所述的探针采用3针平行结构，探针间距20mm，直径5mm，长度300mm，材料为304不锈钢，其直接焊接在PCB板上。
所述的仪器测土壤含水量的方法，其特征在于包括以下步骤：
1）扫频信号源产生从20-200MHz频率连续变化的正弦波信号，输送至高频放大电路；
2）高频放大电路将信号放大并将信号输送至阻抗匹配电路，阻抗匹配电路连接探针实现阻抗匹配与信号输出，且连接峰值检测电路；
3）峰值检测电路检测入射波与探针反射波干涉合成驻波信号的大小，并记下该信号为最小时扫频信号源的频率；
4）根据电磁波传输线理论，此时信号的波长                                                
Figure 2012100482005100002DEST_PATH_IMAGE001
为探针长度
Figure 998053DEST_PATH_IMAGE002
的4倍，再根据步骤3）测出的信号频率
Figure 2012100482005100002DEST_PATH_IMAGE003
，可得信号在探针上传播的时间
Figure 139184DEST_PATH_IMAGE004
，由信号在介电常数为
Figure 2012100482005100002DEST_PATH_IMAGE005
的介质中传播速度
Figure 699479DEST_PATH_IMAGE006
得出介电常数
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，其中
Figure 267863DEST_PATH_IMAGE005
为土壤的介电常数，c为光速，
Figure 546398DEST_PATH_IMAGE004
为信号在探针上传播的时间，
Figure 428903DEST_PATH_IMAGE002
为探针长度，计算出土壤的介电常数
Figure 867141DEST_PATH_IMAGE005
，由于单位体积土壤的含水量与介电常数
Figure 809690DEST_PATH_IMAGE008
正相关，通过定标，即可测出单位体积土壤的含水量。
所述的仪器测土壤含水量的方法，其特征在于步骤4）中所述信号在探针上传播时间
Figure 309941DEST_PATH_IMAGE004
的计算方法如下：
设探针长为
Figure 730558DEST_PATH_IMAGE002
，探针两端点为A、B，两探针末端之间阻抗为Z，同一探针两端之间的阻抗为Z0；
把A点当做信号入射点，B点为信号末端反射点，信号相位为0，且A点入射信号大小为：
Figure 2012100482005100002DEST_PATH_IMAGE009
             式1
则信号传播到B点的大小为： 
 式2
A为信号振幅，
Figure 2012100482005100002DEST_PATH_IMAGE011
为信号波长，L为探针长度；
信号传播到B点发生反射，反射率为：
Figure 175632DEST_PATH_IMAGE012
       式3
因末端开路，阻抗
Figure 2012100482005100002DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 163179DEST_PATH_IMAGE014
近似为1，则B点反射信号大小为：
    式4
且向A点传播，入射波与反射波发生叠加，A点叠加信号为：               
Figure 512121DEST_PATH_IMAGE016
      式5
由式5可知，A点叠加信号受探针长度与信号波长影响，当
Figure 2012100482005100002DEST_PATH_IMAGE017
   
Figure 901514DEST_PATH_IMAGE018
时，
Figure 2012100482005100002DEST_PATH_IMAGE019
，即
Figure 248182DEST_PATH_IMAGE020
；
Figure 2012100482005100002DEST_PATH_IMAGE021
一定，通过改变信号波长即频率
Figure 723026DEST_PATH_IMAGE022
，则频率从低向高改变时，A点出现最小信号时有，即
Figure 547762DEST_PATH_IMAGE024
，则信号从探针A传播到B时间为
Figure 2012100482005100002DEST_PATH_IMAGE025
。
本发明通过扫频检测探针入射波与探针反射波干涉合成的最小驻波信号，计算出信号在探针上的传播时间，再根据传播时间计算出土壤的介电常数，最后通过介电常数与土壤含水量的正相关关系，通过定标，可以直接测量出土壤的含水量，比现有的依据直接脉冲反射测量时间间隔更方便快捷，电路实现上也更加简单，且精度高。
附图说明
图1为本发明原理框图；
图2为本发明探针结构示意图；
图3为本发明的测量流程图；
图中：1-扫频信号源，2-高频放大电路，3-阻抗匹配电路，4-探针，5-峰值检测电路，6-微控制器。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明做进一步说明：
图1是本发明测试仪器的一种实施例，包括扫频信号源1，高频放大电路2，阻抗匹配电路3，探针4，峰值检测电路5及微控制器6。
扫频信号源1与高频放大电路2、微控制器6相连，受微控制器6控制产生20-200MHz高频正弦波信号，经高频放大电路2与阻抗匹配电路3输送到探针4，作为土壤水分测试的入射信号。扫频信号源1由AD9910构成，可以产生0-400MHz的正弦波信号，扫频信号源也可以是由压控振荡器构成。
高频放大电路2连接在扫频信号源1与阻抗匹配电路3之间，用于放大扫频信号源1输出的高频正弦波信号，且实现均衡的作用，使不同频率信号的输出电压幅值相同。高频放大电路2由射频运放uPC1658构成，带宽大于1GHz，增益大于18dB，高频放大电路也可以由其他射频运放构成，不只限于uPC1658。
阻抗匹配电路3连接高频放大电路2与探针4，使信号传输回路阻抗匹配，避免信号发生二次反射，提高测量精度，阻抗匹配电路3由电阻构成，也可以是同轴电缆线，也可以是电容电感构成的匹配电路。
探针4同时连接阻抗匹配电路3与峰值检测电路5，测量时插入土壤中为高频信号提供传输通道，信号传输至末端产生反射，反射信号与入射信号在探针始端发生干涉叠加形成驻波输入峰值检测电路5。由于不同体积含水量土壤对信号反射延迟时间不同，给定长度探针，只要改变信号频率检测最小驻波即可测出信号反射时间，根据高频信号传播时间与土壤含水量的相关性，再进一步测出土壤体积含水量。探针4的结构如图2所示，采用平行三针结构，探针间距20mm，直径5mm，长度300mm，材料为304不锈钢，直接焊接在PCB板上，图2只是构成探针4的一种实施例，并非只限于此，也可以是两针、单针、多针结构，长度可以是200-400mm，间距10-50mm。
峰值检测电路5接收探针4始端的信号，检测信号的峰值，并将峰值信息反馈给微控制器6，微控制器6根据反馈信号控制扫频信号源1改变信号频率，直至找到最小峰值时的信号频率。峰值检测电路5采用单个射频锗检波二极管2AP31与电阻构成，其中射频检波二极管也可以是其它射频检波二极管，并非只限于2AP31。
微控制器6接收来自峰值检测电路5的信息，产生控制信号作用于扫频信号源1，产生不同频率高频信号输出，并记下最小峰值时的信号频率，并计算信号在探针上传播时间，通过标定进一步计算土壤体积含水量。本实施例微控制器6由MSP430单片机构成，但并不仅限于此，也可以是其它单片机。
利用本发明的仪器进行土壤含水量测试的方法如下：
1）扫频信号源产生从20-200MHz频率连续变化的正弦波信号，输送至高频放大电路；
2）高频放大电路将信号放大并将信号输送至阻抗匹配电路，阻抗匹配电路连接探针实现阻抗匹配与信号输出，且连接峰值检测电路；
3）峰值检测电路检测入射波与探针反射波干涉合成驻波信号的大小，并记下该信号为最小时扫频信号源的频率；
4）根据电磁波传输线理论，此时信号的波长
Figure 791662DEST_PATH_IMAGE001
为探针长度
Figure 309231DEST_PATH_IMAGE026
的4倍，再根据步骤3）测出的信号频率
Figure 2012100482005100002DEST_PATH_IMAGE027
，可得信号在探针上传播的时间
Figure 271370DEST_PATH_IMAGE028
，由信号在介电常数为的介质中传播速度
Figure 899798DEST_PATH_IMAGE006
得出介电常数
Figure 998204DEST_PATH_IMAGE007
，其中
Figure 624357DEST_PATH_IMAGE005
为土壤的介电常数，c为光速，
Figure 323061DEST_PATH_IMAGE028
为信号在探针上传播的时间，
Figure 427283DEST_PATH_IMAGE026
为探针长度，计算出土壤的介电常数
Figure 645775DEST_PATH_IMAGE030
，由于单位体积土壤的含水量与介电常数
Figure 442829DEST_PATH_IMAGE008
正相关，通过定标，即可测出单位体积土壤的含水量。
上述步骤4）中信号在探针上传播时间
Figure 113982DEST_PATH_IMAGE028
的计算方法如下：
设探针长为
Figure 287475DEST_PATH_IMAGE026
，探针两端点为A、B，两探针末端之间的阻抗为Z，同一探针两端之间的阻抗为Z0；
把A点当做信号入射点，B点为信号末端反射点，信号相位为0，且A点入射信号大小为：
Figure 360473DEST_PATH_IMAGE009
             式1
则信号传播到B点的大小为： 
Figure 390746DEST_PATH_IMAGE010
 式2
A为信号振幅，
Figure 486878DEST_PATH_IMAGE011
为信号波长，L为探针长度；
信号传播到B点发生反射，反射率为：
Figure 995219DEST_PATH_IMAGE012
        式3
因末端开路，阻抗，
Figure 327161DEST_PATH_IMAGE014
近似为1，则B点反射信号大小为：
Figure 910589DEST_PATH_IMAGE015
    式4
且向A点传播，入射波与反射波发生叠加，A点叠加信号为：               
Figure 222621DEST_PATH_IMAGE016
      式5
由式5可知，A点叠加信号受探针长度与信号波长影响，当
  时，
Figure 642287DEST_PATH_IMAGE019
，即
Figure 713012DEST_PATH_IMAGE020
；
Figure 828735DEST_PATH_IMAGE021
一定，通过改变信号波长即频率，则频率从低向高改变时，A点出现最小信号时有，即
Figure 2012100482005100002DEST_PATH_IMAGE033
，则信号从探针A传播到B时间为
Figure 566250DEST_PATH_IMAGE025
。
测量高频信号在探针上传播时间的具体过程如下：
如图3所示，开始时微控制器6控制扫频信号源1产生20MHz高频信号，微控制器6再接收峰值检测电路5的电压信号，并记录为第一次比较信号，然后微控制器6再产生控制信号，增加扫频信号源1输出的高频信号频率，微控制器6再一次接收峰值检测电路5的电压信号，并与上一次做比较，如果小于上次信号则产生新的控制信号增加扫频信号源1的输出频率，如果大于上次信号则记录当前信号频率，并作相应计算，如此循环直至找到最小峰值时的频率点。
上述实施方式仅为便于理解本发明，并非用于限定本发明。本发明在不脱离其宗旨的情况下，可进行变更、改进。

Claims (5)

1.通过检测最小驻波测土壤含水量的仪器，其特征在于，包括：
扫频信号源，用来产生20-200MHz连续频率正弦高频信号；
高频放大电路，用来放大扫频信号源输出的高频信号；
阻抗匹配电路，实现与探针的阻抗匹配；
峰值检测电路，连接阻抗匹配电路和探针，用来检测入射波与探针反射波干涉合成驻波信号的大小；
微控制器，接收峰值检测电路的检测信号，产生控制信号作用于扫频信号源，使扫频信号源产生不同频率的高频信号输出；
探针，与阻抗匹配电路连接，插入土壤，提供信号传播路径；
所述的仪器测土壤含水量的方法包括以下步骤：
1）扫频信号源产生从20-200MHz频率连续变化的正弦波信号，输送至高频放大电路；
2）高频放大电路将信号放大并将信号输送至阻抗匹配电路，阻抗匹配电路连接探针实现阻抗匹配与信号输出，且连接峰值检测电路；
3）峰值检测电路检测入射波与探针反射波干涉合成驻波信号的大小，并记下该信号为最小时扫频信号源的频率；
4）根据电磁波传输线理论，此时信号的波长                                                
Figure 961992DEST_PATH_IMAGE001
为探针长度
Figure 974554DEST_PATH_IMAGE002
的4倍，再根据步骤3）测出的信号频率
Figure 258905DEST_PATH_IMAGE003
，可得信号在探针上传播的时间
Figure 671432DEST_PATH_IMAGE004
，由信号在介电常数为
Figure 371535DEST_PATH_IMAGE005
的介质中传播速度
Figure 553117DEST_PATH_IMAGE006
得出介电常数
Figure 929741DEST_PATH_IMAGE007
，其中
Figure 829564DEST_PATH_IMAGE005
为土壤的介电常数，c为光速，
Figure 395674DEST_PATH_IMAGE004
为信号在探针上传播的时间，
Figure 900605DEST_PATH_IMAGE002
为探针长度，计算出土壤的介电常数，由于单位体积土壤的含水量与介电常数
Figure 71134DEST_PATH_IMAGE008
正相关，通过定标，即可测出单位体积土壤的含水量。
2.根据权利要求1所述的通过检测最小驻波测土壤含水量的仪器，其特征在于所述的扫频信号源采用直接数字合成频率技术DDS来实现。
3.根据权利要求1所述的通过检测最小驻波测土壤含水量的仪器，其特征在于所述的探针采用长度为20-40厘米，间距1-5厘米的多针平行结构。
4.根据权利要求3所述的通过检测最小驻波测土壤含水量的仪器，其特征在于所述的探针采用3针平行结构，探针间距20mm，直径5mm，长度300mm，材料为304不锈钢，其直接焊接在PCB板上。
5.根据权利要求1所述的通过检测最小驻波测土壤含水量的仪器，其特征在于步骤4）中所述信号在探针上传播时间
Figure 440936DEST_PATH_IMAGE004
的计算方法如下：
设探针长为
Figure 331531DEST_PATH_IMAGE002
，探针两端点为A、B，两探针末端之间阻抗为Z，同一探针两端之间的阻抗为Z0；
把A点当做信号入射点，B点为信号末端反射点，信号相位为0，且A点入射信号大小为：
Figure 331849DEST_PATH_IMAGE009
             式1
则信号传播到B点的大小为： 
Figure 940684DEST_PATH_IMAGE010
 式2
A为信号振幅，
Figure 301127DEST_PATH_IMAGE011
为信号波长，L为探针长度；
信号传播到B点发生反射，反射率为：
Figure 311809DEST_PATH_IMAGE012
       式3
因末端开路，阻抗
Figure 279765DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 48001DEST_PATH_IMAGE014
近似为1，则B点反射信号大小为：
Figure 759605DEST_PATH_IMAGE015
    式4
且向A点传播，入射波与反射波发生叠加，A点叠加信号为：               
Figure 569998DEST_PATH_IMAGE016
      式5
由式5可知，A点叠加信号受探针长度与信号波长影响，当
Figure 708856DEST_PATH_IMAGE017
   时，
Figure 214103DEST_PATH_IMAGE019
，即
Figure 199377DEST_PATH_IMAGE020
；
Figure 696086DEST_PATH_IMAGE021
一定，通过改变信号波长即频率
Figure 766810DEST_PATH_IMAGE022
，则频率从低向高改变时，A点出现最小信号时有
Figure 820217DEST_PATH_IMAGE023
，即，则信号从探针A传播到B时间为
Figure 343919DEST_PATH_IMAGE025
。
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