CN103048364A - 一种基于rc网络频率特性的土壤含水量测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于RC网络频率特性的土壤含水量测量装置和方法，该装置包括电极、RC网络、高频信号源、幅相检测模块和数据处理装置。该方法是：将电极接入RC网络中，高频信号注入RC网络输入端，进行初始建模，检测电极未插入土壤时以及插入若干个标准含水量的土壤样本时RC网络的幅频特性电压和相频特性电压，进而得到测量前后输出的幅频电压变化量、相频电压变化量，建立幅频电压变化量、相频电压变化量与土壤含水量关系的回归方程；然后实际测量时，根据待测土壤中的测量值和上述回归方程，即得到土壤含水量。本发明同时利用土壤含水量对RC网络的相频特性和幅频特性的变异信息，增加了土壤含水量信息感知来源，提高了土壤含水量检测的准确度。

Description

一种基于RC网络频率特性的土壤含水量测量装置和方法

技术领域

本发明涉及农业信息检测技术研究领域，特别涉及一种基于RC网络频率特性的土壤含水量测量装置和方法。

背景技术

土壤含水量是影响农作物生长的重要因素之一。土壤含水量的监测是实施节水灌溉的基础环节。通过实时测量土壤水分可以及时地了解土壤墒情，对作物需水规律的研究也具有重要的现实意义。

目前，土壤水分的测定方法有烘干法、射线法、介电特性法、核磁共振法、分离示踪剂法和遥感法等。其中，介电特性法是利用土壤中所含水分与土壤的介电特性关系间接地测量土壤含水量，能实现土壤水分的快速无损测量。介电特性法又可分为基于电阻原理、基于电容原理、基于时域反射原理、基于频率反射原理和基于驻波原理的测量方法。但每种实现方法有其优势与不足。综合考虑技术难度、成本、精度和实时性等因素，当前土壤含水量测量方法中，以基于电容原理的介电方法较为普遍，并在此方法的基础上研制了许多土壤含水量传感器。

现有基于电容原理的介电法土壤含水量传感器常采用鉴相法检测高频信号的延迟时间，进而确定传感器电极之间土壤的电容。换言之，现有方法仅仅利用了电路的相频特性感知土壤含水量，而忽视了电路的幅频特性的作用。因此，现有基于电容原理的介电法土壤含水量传感器在检测方法上存在一定的缺陷。

发明内容

本发明的一个目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于RC网络频率特性的土壤含水量测量装置，该装置包括RC网络电路和幅相检测模块，能够同时测量RC网络的幅频特性电压和相频特性电压用于含水量的计算，提高了土壤含水量检测的准确度。

本发明的另一个目的在于提供一种基于上述装置的RC网络频率特性的土壤含水量测量方法，该方法是同时利用了土壤含水量对RC网络的相频特性的变异信息和幅频特性的变异信息，增加了土壤含水量信息感知来源，进一步提高了土壤含水量检测的准确度。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种基于RC网络频率特性的土壤含水量测量装置，包括电极、RC网络、高频信号源、幅相检测模块和数据处理装置，其中用于检测土壤含水量的电极作为电容器接入RC网络，高频信号源将高频信号发送到RC网络和幅相检测模块，幅相检测模块与RC网络相连，用于根据高频信号和RC网络的输出值测量得到RC网络的幅频特性电压和相频特性电压，幅相检测模块与数据处理装置相连，用于上传测到的幅频特性电压和相频特性电压；数据处理装置根据测量前后幅频特性电压变化量、相频特性电压变化量与土壤含水量关系得到含水量。幅相检测模块同时检测RC网络的相频特性信息和幅频特性信息，提高了土壤含水量检测的准确度。

优选的，所述RC网络为一阶无源RC网络电路，包括一个电容和一个电阻，电容和电极并联，二者并联后与电阻串联，电阻与电容相连的一端为RC网络的输出端，电阻另一端为RC网络的输入端。这种结构具有实现简单的优点。RC电路网络的形式可以有其它多种，但一阶无源RC低通网络由一个电阻R和一个电容C构成，是最简单的一种形式，同时也最方便测量其频率特性。另外，一阶无源RC低通网络可以最大程度避免进行回归建模时得到过分非线性化的回归模型，有利于提高传感器的测量准确性。

优选的，所述装置还包括显示器，显示器与数据处理装置相连，用于显示土壤含水量预测结果。以便更好地进行人机交互。

一种基于上述装置的基于RC网络频率特性的土壤含水量测量方法，用于检测土壤含水量的电极作为电容器接入RC网络中，高频信号注入RC网络输入端，首先进行初始建模，检测电极未插入土壤样本时RC网络的幅频特性电压和相频特性电压，检测电极插入若干个标准含水量的土壤样本时分别得到的RC网络的幅频特性电压和相频特性电压，得到测量前后输出的幅频电压变化量、相频电压变化量，建立幅频电压变化量、相频电压变化量与土壤含水量关系的回归方程；然后实际测量时，根据电极未插入和插入待测土壤中时幅频电压变化量和相频电压变化量，根据上述回归方程，即得到土壤含水量。

具体包括以下步骤：

（1）初始建模，具体包括以下步骤：

（1-1）设RC网络为一阶无源RC网络电路，包括一个电容和一个电阻，电容和电极并联，二者并联后与电阻串联，设电极电容为C_x，RC网络固定电容为C₀，电阻为R，RC网络电路总电容为C=C_x+C₀，电阻R上与电容C₀相连的一端称为RC网络的输出端，将电阻R的另一端称为RC网络的输入端；

（1-2）特定频率的高频信号从RC网络的输入端注入，为RC网络和幅相检测模块提供激励信号源；

（1-3）测量空载，即电极未插入土壤中时RC网络的幅频特性电压V_M和相频特性电压V_P；

（1-4）给定标准含水量的土壤样本，分别测量带载，即电极分别插入土壤样本中时RC网络的幅频特性电压V′_M和相频特性电压V′_P；

（1-5）每个土壤样本均分别得到RC网络幅频特性电压的变化量ΔV_M=V′_M-V_M和相频特性电压的变化量ΔV_p=V′_p-V_p，进而建立幅频电压变化量ΔV_M、相频电压变化量ΔV_p与土壤含水量W关系的回归方程；

（2）实际测量：

（2-1）测量电极未插入土壤中时RC网络的幅频特性电压V_M，R和相频特性电压V_P,R；

（2-2）测量电极插入待测土壤中时RC网络的幅频特性电压V′_M，R和相频特性电压V'_P，R；

（2-3）得到RC网络幅频特性电压的变化量ΔV_M,R=V′_M,R-V_M,R和相频特性电压的变化量ΔV_P,R=V′_P,R-V_P，R，根据步骤（1-5）中幅频电压变化量、相频电压变化量与土壤含水量关系的回归方程，得到此待测土壤对应的土壤含水量。

优选的，所述步骤（1-5）建立幅频电压变化量ΔV_M、相频电压变化量ΔV_p与土壤含水量W关系的回归方程，公式为：

$W_j=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\·{\left({\mathrm{\ΔV}}_{M,j}\right)}^i+b_i\·{\left({\mathrm{\ΔV}}_{P,j}\right)}^i;$

其中，j表示第j个土壤样本；N为模型阶数，根据曲线拟合的程度决定，不大于4；a_i表示土壤含水量对RC网络幅频特性电压变化量ΔV_M的回归系数，b_i表示土壤含水量对RC网络相频特性电压变化量ΔV_P的回归系数。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明不仅利用了土壤含水量对RC网络相频特性的变异信息，而且利用了土壤含水量对RC网络的幅频特性的变异信息，增加了土壤含水量信息感知来源，进一步提高了土壤含水量检测的准确度。

2、本发明将含水量变化导致的土壤介电常数的变化转变为RC网络频率特性的变化，通过RC网络的幅频特性和相频特性的检测和处理获得土壤含水量信息，相对于现有仅利用相频特性的方法，可大大提高传感器测量的可靠性。

3、经优化设置的RC网络元件参数，可以使本发明对土壤含水量变化的感知相对于现有方法具有更高灵敏度。

附图说明

图1是本发明的电路图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本发明所述的基于RC网络频率特性的土壤含水量测量装置可以采用多种RC网络，但是一阶无源RC低通网络仅由一个电阻R和一个电容C构成，是最简单的一种形式，同时也最方便测量其频率特性。因此本实施例RC网络选择一阶无源RC网络电路，如图1所示，此电路包括一个电容C12和一个电阻R4，电容C12和电极U2并联，二者并联后与电阻R4串联，电阻R4与电容C12相连的一端（图1中的b点）为RC网络的输出端，电阻R4另一端（图1中的a点）为RC网络的输入端。

本实施例所述基于RC网络频率特性的土壤含水量测量装置的电路如图1所示，包括电极U2、RC网络、高频信号源、幅相检测模块U1和数据处理装置，其中用于检测土壤含水量的电极作为电容器接入RC网络，高频信号源通过输入端RF_INPUT将高频信号发送到RC网络和幅相检测模块，幅相检测模块与RC网络相连，用于根据高频信号和RC网络的输出值测量得到RC网络的幅频特性电压和相频特性电压，幅相检测模块与数据处理装置相连，用于上传测到的幅频特性电压和相频特性电压；数据处理装置根据测量前后幅频特性电压变化量、相频特性电压变化量与土壤含水量关系得到含水量。如图1所示，U1的第2引脚为幅相检测电路AD8302的输入端A，该引脚通过耦合电容C1与节点a相连。高频振荡信号同时输入RC网络和幅相检测电路的A输入端。U2的第6引脚为AD8302的输入端B。该引脚通过耦合电容C13与RC网络的输出端b节点相连。幅相检测模块的输出端VMEG输出RC网络的幅频响应电压，输出端VPHS输出RC网络的相频响应电压，输出端VREF为输出参考电压，固定为1.8V。

本实施例基于以下的原理：设电极电容为C_x，RC网络的电阻和电容分别为R和C₀。其中，电极电容C_x与RC网络固定电容C₀并联。那么，RC网络电路总电容应为C=C_x+C₀。RC网络的幅频特性电压V_M和相频特性电压V_P。由于在不同土壤含水量情况下，土壤的介电常数是不同的，这导致电极电容C_x也是不同的。因此，从理论上来讲，RC网络幅频特性电压V_M和相频特性电压V_P都是C_x的函数，具体是：

$V_M=V_{\mathrm{SLP}}\·\log \left(\frac{\left|V_{\mathrm{OUT}}\right|}{\left|V_{\mathrm{IN}}\right|}\right)=-\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{SLP}}\·\log [1+{\mathrm{\ω}}^2{R}^2{(C_x+C_0)}^2];$

$V_P=V_{\mathrm{\Φ}}[\mathrm{\Φ}\left(V_{\mathrm{OUT}}\right)-\mathrm{\Φ}\left(V_{\mathrm{IN}}\right)]=-V_{\mathrm{\Φ}}\·\arctan \frac{\mathrm{\ωR}(C_x+C_0)}{\sqrt{1+{\mathrm{\ω}}^2{R}^2{(C_x+C_0)}^2}};$

其中，V_SLP和V_Ф分别表示幅频响应和相频响应的斜率；|V_OUT|和|V_IN|分别表示RC网络输出端和输入端的高频电压幅度；Φ(V_OUT)和Φ(V_IN)分别表示输出端和输入端高频电压的相位，ω为注入RC网络的高频信号的角频率。

RC网络幅频特性电压V_M在测量前后产生的变化量和RC网络相频特性电压V_P在测量前后产生的变化量分别表示为：

${\mathrm{\ΔV}}_M=V_M^{\′}-V_M=\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{SLP}}\·\log \left[\frac{1+{\mathrm{\ω}}^2{R}^2{(C_x+C_0)}^2}{1+{\mathrm{\ω}}^2{R}^2{(C_x^{\′}+C_0)}^2}\right];$

${\mathrm{\ΔV}}_P=V_P^{\′}-V_P=V_{\mathrm{\Φ}}\·[\arctan \frac{\mathrm{\ωR}(C_x+C_0)}{\sqrt{1+{\mathrm{\ω}}^2{R}^2{(C_x+C_0)}^2}}-\arctan \frac{\mathrm{\ωR}(C_x^{\′}+C_0)}{\sqrt{1+{\mathrm{\ω}}^2{R}^2{(C_x+C_0)}^2}}];$

其中，C′_x表示当电极位于土壤中时呈现的电极电容。

基于上述理论基础和装置，本实施例采用一种基于上述装置的基于RC网络频率特性的土壤含水量测量方法，该方法具体包括以下步骤：

（1）初始建模，具体包括以下步骤：

（1-1）给定标准含水量的土壤样本，如0，10%，20%，30%，40%等（模型中W的值）。这样一个序列可以用W_j表示，j表示土壤样本的编号。

（1-2）测量电极未插入土壤样本前幅相检测模块中VMEG、VPHS和VREF输出端的电压值（见图1），计算V_M=V_REF-V_MEG，V_P=V_REF-V_PHS。

（1-3）将电极分别插入不同含水量样本中，测量处于不同含水量土壤样本时VMEG、VPHS和VREF输出端的电压值，计算V′_M,j=V_REF-V′_MEG，j，V′_P,j=V_REF-V′_PHS,j。

（1-4）计算不同含水量土壤样本的幅频电压变化量ΔV_M,j=V_M-V′_M，j、相频电压变化量ΔV_P,j=V_P-V′_P，j。

（1-5）利用ΔV_M,j、ΔV_P,j与W_j的对应关系列方程组，求解

中的a_i和b_i回归系数。模型阶数N则需根据曲线拟合的程度决定，根据经验N的值不应大于4。

（1-6）模型的回归系数和阶数存入单片机存储器中供测量时使用。

说明：在回归建模过程中，ΔV_M,j、ΔV_P,j与W_j都是可测量或者已知的，a_i和b_i回归系数、模型阶数N是未知的，需要根据已知量求未知量。而在测量阶段这个过程是相反的，根据建模获得的模型，及测量获得的幅频电压变化量ΔV_M、相频电压变化量ΔV_P是可测量或者已知的，最后用来预测土壤中的含水量W。

（2）实际测量：

（2-1）测量电极未插入土壤样本前VMEG、VPHS和VREF输出端的电压值（见图1），计算VM=V_REF-V_MEG，VP=V_REF-V_PHS。

（2-2）将电极插入待测土壤样本中，测量处于土壤样本中VMEG、VPHS和VREF输出端的电压值，计算V′_M=V_REF-V′_MEG，V′_P=V_REF-V′_PHS。

（2-3）计算待测土壤样本中传感器的幅频电压变化量ΔV_M=V_M-V′_M、相频电压变化量ΔV_P＝V_P-V′_P。

（2-4）将幅频电压变化量ΔV_M和相频电压变化量ΔV_P分别代入存储在单片机存储器中的土壤含水量预测模型以预测待测土壤样本含水量W，并将结果显示在显示器上。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于RC网络频率特性的土壤含水量测量装置，其特征在于，包括电极、RC网络、高频信号源、幅相检测模块和数据处理装置，其中用于检测土壤含水量的电极作为电容器接入RC网络，高频信号源将高频信号发送到RC网络和幅相检测模块，幅相检测模块与RC网络相连，用于根据高频信号和RC网络的输出值测量得到RC网络的幅频特性电压和相频特性电压，幅相检测模块与数据处理装置相连，用于上传测到的幅频特性电压和相频特性电压；数据处理装置根据测量前后幅频特性电压变化量、相频特性电压变化量与土壤含水量关系得到含水量。

2.根据权利要求1所述的基于RC网络频率特性的土壤含水量测量装置，其特征在于，所述RC网络为一阶无源RC网络电路，包括一个电容和一个电阻，电容和电极并联，二者并联后与电阻串联，电阻与电容相连的一端为RC网络的输出端，电阻另一端为RC网络的输入端。

3.根据权利要求2所述的基于RC网络频率特性的土壤含水量测量装置，其特征在于，所述装置还包括显示器，显示器与数据处理装置相连。

4.一种基于RC网络频率特性的土壤含水量测量方法，其特征在于，用于检测土壤含水量的电极作为电容器接入RC网络中，高频信号注入RC网络输入端，首先进行初始建模，检测电极未插入土壤样本时RC网络的幅频特性电压和相频特性电压，检测电极插入若干个标准含水量的土壤样本时分别得到的RC网络的幅频特性电压和相频特性电压，得到测量前后输出的幅频电压变化量、相频电压变化量，建立幅频电压变化量、相频电压变化量与土壤含水量关系的回归方程；然后实际测量时，根据电极未插入和插入待测土壤中时幅频电压变化量和相频电压变化量，根据上述回归方程，即得到土壤含水量。

5.根据权利要求4所述的基于RC网络频率特性的土壤含水量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）初始建模：

（1-1）设RC网络为一阶无源RC网络电路，包括一个电容和一个电阻，电容和电极并联，二者并联后与电阻串联，设电极电容为C_x，RC网络固定电容为C₀，电阻为Ｒ，RC网络电路总电容为C＝C_x+C₀，电阻R上与电容C₀相连的一端称为RC网络的输出端，将电阻R的另一端称为RC网络的输入端；

（1-2）特定频率的高频信号从RC网络的输入端注入，为RC网络和幅相检测模块提供激励信号源；

（1-3）测量空载，即电极未插入土壤中时RC网络的幅频特性电压V_M和相频特性电压V_P；

（1-4）给定标准含水量的土壤样本，分别测量带载，即电极分别插入土壤样本中时RC网络的幅频特性电压V′_M和相频特性电压V′_P；

（1-5）每个土壤样本均分别得到RC网络幅频特性电压的变化量ΔV_M=V′_M-V_M和相频特性电压的变化量ΔV_p=V′_p-V_p，进而建立幅频电压变化量ΔV_M、相频电压变化量ΔV_p与土壤含水量W关系的回归方程；

（2）实际测量：

（2-1）测量电极未插入土壤中时RC网络的幅频特性电压V_M，R和相频特性电压V_P,R；

（2-2）测量电极插入待测土壤中时RC网络的幅频特性电压V′_M，R和相频特性电压V'_P，R；

（2-3）得到RC网络幅频特性电压的变化量ΔV_M,R=V′_M,R-V_M,R和相频特性电压的变化量ΔV_P,R=V′_P,R-V_P，R，根据步骤（1-5）中幅频电压变化量、相频电压变化量与土壤含水量关系的回归方程，得到此待测土壤对应的土壤含水量。

6.根据权利要求5所述的基于RC网络频率特性的土壤含水量测量方法，其特征在于，所述步骤（1-5）建立幅频电压变化量ΔV_M、相频电压变化量ΔV_p与土壤含水量W关系的回归方程，公式为：

$W_j=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{\left({\mathrm{\ΔV}}_{M,j}\right)}^i+b_i\·{\left({\mathrm{\ΔV}}_{P,j}\right)}^i;$

其中，j表示第j个土壤样本；N为模型阶数，根据曲线拟合的程度决定，不大于4；a_i表示土壤含水量对RC网络幅频特性电压变化量ΔV_M的回归系数，b_i表示土壤含水量对RC网络相频特性电压变化量ΔV_P的回归系数。

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