CN103439276B - 一种土壤水分含量的测量方法及传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤水分含量的测量方法及传感器，该传感器包括探头、测量电路和处理器；土壤水分含量的测量方法包括以下步骤：a、向土壤样品发射连续变频信号，并采集反射信号；b、以所述反射信号为输入，以土壤样品的水分含量为输出建立模型；c、向待测土壤发射连续变频信号，并采集反射信号；d、根据步骤c的反射信号，利用所述模型计算待测土壤的水分含量；所述变频信号频率变化范围为0～200MHz，以5～25Hz的增幅连续变化；本发明方法提高了土壤水分含量测量的精确性和灵敏性；本发明传感器具有成本低、测量精度高等优点。

Description

一种土壤水分含量的测量方法及传感器

技术领域

本发明涉及农田信息采集领域，尤其涉及一种土壤水分含量的测量方法及传感器。

背景技术

土壤水分是保证农作物生长的命脉，土壤中所发生的一系列反应以及能量与物质交换均与水分息息相关，它直接关系着作物产量与品质，尤其是在精细农业生产中，由于土壤结构及土壤水分的空间变异性造成了同一块土壤中的不同位置含水量不同，精准灌溉要求长期监测和及时获取田间的土壤水分空间分布信息，这就需要在田间安装土壤水分快速测试装置。

目前，成熟的土壤水分含量的检测方法有烘干法、中子仪法、γ射线法、TDR（时域反射法）、FDR（频域反射法）等，但它们都存在着各自的不足：

烘干法简单直观，但是测量不具备连续性，并且采样会干扰田间土壤水分的连续性，在田间会留下取样孔，会切断作物的某些根并影响土壤水分运动；

中子仪法可以在原地的不同深度上周期性的反复测定而不破坏土壤，但是仪器的垂直分辨率较差，表层测量困难，且辐射危害健康；

γ射线与中子仪法具有许多相同的优点，且比中子仪的垂直分辨率高，但是γ射线也危害人体健康；

目前，基于介电法测量原理的TDR法和FDR法准确性高、性能稳定良好，但TDR法最大的缺点是电路复杂，导致设备昂贵；FDR法校准比TDR法更省电、电缆长度限制少，可连续原位测定及无辐射等优点，在水分测定方面表现出更独特的优势，但由于发射频率固定（一般为100MHz），导致测量精度相对低，受盐分影响大，成本较高。

公告号为“CN201464410U”的实用新型专利公开了一种高频电容式土壤湿度传感器，包括电源模块、高频电路、放大电路、整形分频电路和处理器；高频电路、放大电路、整形分频电路以及处理器依次串联；高频电路包括电容探头。

公开号为“CN101419182A”的发明专利申请公开了一种土壤水分测量传感器及其测量方法，土壤水分传感器通过所述高频信号源发出高频信号，由检波电路将介电常数的变化转换为直流电压输出，根据输出的直流电压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。

上述专利技术涉及的土壤水分传感器采用了固定发射或振荡频率，测得的土壤水分含率值仍存在较大误差。

发明内容

本发明提供了一种土壤水分含量的测量方法，解决了现有技术中土壤水分含量测量误差大、成本高、操作复杂的问题。

一种土壤水分含量的测量方法，包括以下步骤：

a、向土壤样品发射连续变频信号，并采集反射信号；

b、以所述反射信号为输入，以土壤样品的水分含量为输出建立模型；

c、向待测土壤发射连续变频信号，并采集反射信号；

d、根据步骤c的反射信号，利用所述模型计算待测土壤的水分含量；

所述变频信号频率变化范围为10～200MHz，以5～25Hz的增幅连续变化；

所述步骤a中，所述变频信号为变频电磁波强度信号，所述反射信号为电磁波强度反射信号。向土壤样品发射变频信号后，在土壤中传播的电磁波会被土壤水分明显吸收，反射的电磁波强度反射信号与土壤水分含量密切相关。

所述步骤b中，采用烘干法获取土壤样品的水分含量。

变频信号的频率增幅对于模型的计算时间和土壤水分含量预测的准确性有重要影响，所述变频信号的频率增幅优选为10Hz，在此频率增幅下得出的模型，可确保在较短的时间内预测出更为精确的土壤水分含量值。

模型是土壤水分含量测量的关键，模型的优劣关系到土壤水分含量预测的准确与否，在变频信号的频率增幅为10Hz的条件下，通过模型算法优选，同时利用大量土壤样品对模型进行校正，得出预测土壤水分含量的模型如下：

$S=100\·\frac{{\mathrm{\ρ}}_{100M}-{\mathrm{\ρ}}_s}{{\mathrm{\ρ}}_{100M}}\·\frac{{\mathrm{\ρ}}_s}{{\mathrm{\ρ}}_4}{\∫}_{10}^{200}{\mathrm{\ρ}}_i\·{\mathrm{d\ρ}}_i$

其中，S为土壤水分含量值；

ρ_100M为100MHz频率下的电磁波强度反射信息值；

ρ_s为初始设定频率下测得的电磁波强度反射信息值；

ρ₄为传感器标准校验值；

ρ_i为每隔10HZ频率所产生幅值反射变化值；

所述初始设定频率是指10MH。

所述传感器标准校验值是指传感器初校正时，已通过比重法测量出标准样品水分含量值的电磁波强度反射信息值。

试验表明，此模型预测土壤水分含量的准确率高达98%。

本发明还提供了一种土壤水分含量的测量传感器，该传感器具有测量精度高、成本低的优点。

一种实施所述土壤水分含量测量方法的传感器，包括：

用于向土壤样品发射变频信号，并采集反射信号的探头；

用于向所述探头发射工作信号以及接收所述探头采集信号的测量电路；

用于控制测量电路以及通过所述模型计算土壤水分含量的的处理器。

为了便于数据的处理和传输，所述处理器优选为单片机，单片机具有工作可靠、体积小、功耗低、成本低的优点，符合本发明要求。

所述测量电路包括发射电路和接收电路，其中所述发射电路包括连接在所述探头和处理器之间的变频信号发生器。

处理器为单片机时，所述变频信号发生器优选为分频电路，分频电路设计简单、成本低、功能可靠，所述变频信号是通过单片机产生PMW波的信号来调节分频器分频倍数实现的。

所述接收电路包括连接在所述探头和处理器之间的差分计算器、信号调整器和A/D转换器。

探头结构对于土壤水分含量测量结果有重要的影响，为了使得电磁波反射信号更为精确，所述探头由三根探针组成，中间一根为探头信号发射端，其余两根为探头信号接收端。

为了实现土壤的快速、准确定位，以便于快速采集、分析目标土壤的水分含量状况，所述单片机连接GPS模块。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

（1）本发明中土壤水分含量测量方法，引入了变频信号来测定土壤水分含量，使得测得的水分含量值受土质的影响较小，而且可以测定被土壤细粒束缚的水，提高了土壤水分含量测量的精确性和灵敏性。

（2）本发明中用于土壤水分含量测量的传感器成本低，携带、操作方便，测量快速、准确，能够满足实时测量的要求。

附图说明

图1为实施例2中土壤水分含量测量传感器的结构示意图；

图2为实施例2中探头结构示意图。

具体实施方式

实施例1

现将土壤水分含量的测量方法详细阐述如下：

（1）于田间获取100份含水量不同的土壤样品，向土壤样品发射连续变频电磁波强度信号，变频电磁波强度信号的频率变化范围为10～200MHz，以10Hz的增幅连续变化，然后，采集被土壤反射回来的电磁波强度反射信号；

（2）利用烘干法获取100份土壤样品的实测水分含量值，获取每份土壤样品实测水分含量的具体操作步骤如下：

A、取有盖的铝盒（或称样皿），洗净，放入干燥器中冷却至室温，然后在分析天平上称重（W₁），并标注编号；

B、用角匙取过1mm筛孔的风干土壤样品4～5g（精确至0.001g），铺在铝盒中（或称样皿中）进行称重（W₂）；

C、将铝盒盖打开，放入恒温箱中，在105±2℃的温度下烘6h左右；

D、盖上铝盒盖子，将铝盒放入干燥器中20～30min，使其冷却至室温，取出称重；

E、打开铝盒盖子，放入恒温箱中，在105±2℃的温度下再烘2h，冷却，称重至恒重（W₃）。

则土壤样品水分的百分含量（W%）可通过以下计算公式得出：

$W\%=\frac{W_2-W_3}{W_3-W_1}$

（3）以步骤（1）中采集的100份土壤样品的电磁波反射强度信号为输入，以步骤（2）中采用烘干法测得的土壤样品实测水分含量值为输出，建立如下模型：

$S=100\·\frac{{\mathrm{\ρ}}_{100M}-{\mathrm{\ρ}}_s}{{\mathrm{\ρ}}_{100M}}\·\frac{{\mathrm{\ρ}}_s}{{\mathrm{\ρ}}_4}{\∫}_{10}^{200}{\mathrm{\ρ}}_i\·{\mathrm{d\ρ}}_i$

其中，S为土壤水分含量值；

ρ_100M为100MHz频率下的电磁波强度反射信息值；

ρ_s为初始设定频率下测得的电磁波强度反射信息值；

ρ₄为传感器标准校验值；

ρ_i为每隔10HZ频率所产生幅值反射变化值；

（4）于田间获取20份待测土壤，向待测土壤发射变频电磁波强度信号，变频电磁波强度信号的频率变化范围为10～200MHz，以10Hz的增幅连续变化，然后，采集被土壤反射回来的电磁波强度反射信号；

（5）根据步骤（4）中采集的20份待测土壤的电磁波强度反射信号，利用步骤（3）中建立的模型，计算得出对应的待测土壤的模型预测水分含量值。

通过模型预测得到的20份待测土壤的水分含量值如表1所示，为了验证模型的准确性，利用步骤（2）中的烘干法获取20份待测土壤的实测水分含量值，通过对20份待测土壤的模型预测水分含量值与实测水分含量值进行比较分析，表明本方法得出的水分含量值的准确率为98%。

表1模型预测水分含量值及实测水分含量值

NO	模型预测水分含量值（%）	实测水分含量值（%）
			1	68.2	66.8
2	64.3	65.2
			3	58.7	59.4
4	54.2	56.0
			5	53.1	52.4
6	48.7	49.5

7	42.1	41.8
			8	40.2	39.6
9	38.9	37.8
			10	37.2	38.1
11	34.4	33.5
			12	30.6	31.1
13	28.4	27.9
			14	25.2	25.8
15	24.7	25.2
			16	20.6	19.9
17	18.4	18.1
			18	14.8	15.1
19	10.7	11.2
			20	6.8	6.3

其中，模型预测水分含量值和实测水分含量值均为重量含水率。

实施例2

一种土壤水分含量测量的传感器，如图1所示，包括单片机1、分频器2、探头3、差分计算器4、信号调理电路5和A/D转换器6，探头3包括探头信号发射端8和探头信号接收端7（如图2所示），单片机1分别外接分频器2和A/D转换器6，分频器3连接探头信号发射端8，探头信号接收端7连接差分计算器4，差分计算器4连接信号调理电路5，信号调理电路5连接A/D转换器6。

土壤水分含量传感器的工作原理为：单片机1产生PMW波的信号调节分频器2的分频倍数，使得分频器2向土壤发射频率变化范围为0～200MHz，以2KHz的增幅连续变化的变频信号，此信号通过传输线传输至传感器探头信号发射端8，探头信号发射端8向土壤中发射变频电磁波强度信号，被土壤反射回来的电磁波强度信号被探头信号接收端7所接收，并经差分计算器4输出至信号调理电路5，调理电路5将反射信号进行滤波、放大后，经A/D转换器6转换为数字信号，传输至单片机1，单片机1利用土壤水分含量模型对数字信号进行运算处理后，以RS485标准和Modbus协议输出土壤水分含量值。

于田间获取10份待测土壤，利用土壤水分传感器对待测土壤水分含量进行测量，得到的土壤水分含量检测值如表2所示。为了便于比较分析，同时利用烘干法获取待测土壤的实测水分含量值。

表2模型预测水分含量值及实测水分含量值

NO	模型预测水分含量值（%）	实测水分含量值（%）
			1	74.2	73.8
2	68.1	69.4
			3	65.4	65.1
4	59.3	58.7
			5	56.4	57.1
6	53.2	54.1
			7	49.4	48.7
8	42.6	44.1
			9	40.2	39.8
10	37.1	38.0
			11	35.4	36.7
12	34.2	34.9
			13	31.6	30.9
14	27.4	28.1
			15	25.6	26.2
16	21.4	20.8
			17	18.3	17.9
18	10.1	10.6
			19	8.2	7.8
20	5.4	6.0

从表中可以看出，本发明水分传感器对于土壤水分含量的检测精度高。

Claims (5)

1.一种土壤水分含量的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、向土壤样品发射连续变频信号，并采集反射信号；

b、采用烘干法获取土壤样品的水分含量，以所述反射信号为输入，以土壤样品的水分含量为输出建立以下模型：

$S=100\·\frac{{\mathrm{\ρ}}_{100M}-{\mathrm{\ρ}}_s}{{\mathrm{\ρ}}_{100M}}\·\frac{{\mathrm{\ρ}}_s}{{\mathrm{\ρ}}_4}{\∫}_{10}^{200}{\mathrm{\ρ}}_i\·{\mathrm{d\ρ}}_i$

其中，S为土壤水分含量值；ρ_100M为100MHz频率下的电磁波强度反射信息值；ρ_s为初始设定频率下测得的电磁波强度反射信息值；ρ₄为标准校验值；ρ_i为每隔10HZ频率所产生幅值反射变化值；

c、向待测土壤发射连续变频信号，并采集反射信号；

d、根据步骤c的反射信号，利用所述模型计算待测土壤的水分含量；

所述变频信号频率变化范围为10～200MHz，以10Hz的增幅连续变化。

2.一种实施权利要求1所述的测量方法的传感器，包括：

用于向土壤样品发射变频信号，并采集反射信号的探头；

用于向所述探头发射工作信号以及接收所述探头采集信号的测量电路；

用于控制测量电路以及通过所述模型计算土壤水分含量的的处理器；

所述测量电路包括发射电路和接收电路，其中所述发射电路包括连接在所述探头和处理器之间的变频信号发生器；所述接收电路包括连接在所述探头和处理器之间的差分计算器、信号调整器和A/D转换器。

3.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述处理器为单片机。

4.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述变频信号发生器为锁相环控制的倍频、分步控制电路。

5.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述探头由三根探针组成。