CN105866177A

CN105866177A - 一种基于时域传输的土壤水分测量的土壤探针

Info

Publication number: CN105866177A
Application number: CN201610191498.3A
Authority: CN
Inventors: 石庆兰; 高万林; 董乔雪; 冯磊; 陈飞; 陈一飞; 徐云; 杨卫中; 孙明; 杨丽丽
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2016-03-30
Filing date: 2016-03-30
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2036-03-30
Also published as: CN105866177B

Abstract

本发明涉及一种基于时域传输的土壤水分测量的土壤探针，其包括探针感知板、水分感知传输线以及外壳；探针感知板前端设置有前通孔，探针感知板为3层PCB板，水分感知传输线中部穿过所述前通孔，水分感知传输线焊接在所述探针感知板的上下表面的信号线上，形成信号传输通道；外壳由硬质金属制成，外壳包裹住探针感知板的前、左和右三个侧边，探针感知板的上表面和下表面露出用来感知水分信息；金属壳体与探针感知板的地线相连接。本发明结构简单，能够即插即用，插入土壤后，探针感知板和水分感知传输线充分与土壤接触，能够灵敏地感知水分信息。金属外壳与感知板的地线相连既保证了探针的坚固，又除去了对高频信号的干扰，提高了传感器的可靠性。

Description

一种基于时域传输的土壤水分测量的土壤探针

技术领域

本发明涉及土壤水分测量技术，尤其涉及一种基于时域传输的土壤水分测量的土壤探针。

背景技术

在目前国内外土壤水分测量主流技术是：时域反射法(Time Domain Reflectrometry，简称TDR)法、驻波率(Standing Wave Ratio，简称SWR)法、频域分解法(Frequency Domain Decomposition,FD)及时域传输(Time Domain Transmissometry，简称TDT)法。基于TDR原理的土壤水分传感器是目前土壤水分测量方法中普遍接受且应用最广的仪器测量方法。测量精度高，响应速度快，测量范围宽，一般不需要标定，操作简便，野外和室内都可使用，TDR最大的缺点是电路复杂、成本高，由于缺乏高精度、快速、集成度高的芯片,因此在硬件电路的实现上存在较大地困难。2009年中国农业大学的王一鸣指导王克栋采用了一种替代的方法(暂且称为P-TDR)：用单频的正弦波替代脉冲方波，用“比较正弦波的相位差来精准地计算高频信号的传输时间差”的方法替代“比较方波的上升沿来计算时间差”，成功地研发了国产的TDR土壤水分测量仪，其精度达到了国际先进水平。频域分解法FD方法的测量结果受土质的影响比较大，成本也远比驻波比法高，而测量精度又不及TDR。驻波率SWR法:优点是测量精度较高，响应速度快，对电磁干扰不敏感，成本低，可即时插入使用也可长期埋入固定监测使用。缺点是精度尚不及TDR，且受土壤类型影响较大,对不同土壤进行标定,测量值不稳定。

时域传输(Time Domain Transmissometry，简称TDT)法，其工作原理与TDR相比虽然都是通过测量电磁波在土壤介质中传播的时间差测量土壤介电常数，但原理上却有很大不同。其一高频电磁波不同，TDR选用的是高频脉冲，信号源中含有极丰富的谐波，各谐波在传输过程中幅度和相位都会发生不同程度的变化而导致波形畸变，通过比较反射回来的信号上升沿畸变来确定土壤含水量信息。而TDT信号源却是单一频率的正弦波，反射信号主要是相位发生变化，因此可以通过分析其相位信息既可以确定土壤含水量信息。其二不同的是TDR探头末端是开路的，信号因末端阻抗不匹配发生反射，而TDT的探头是封闭的回路，信号不反射，由于从理论上消除了探针末端阻抗不匹配而引起的信号多次反射、入射波与反射波互相干扰、信号衰耗等诸多影响测量精度、稳定度的因素，因此在对土壤水分信息微小变化的检测与提取具有高精度、高可靠性、高灵敏度以及高稳定性。TDT的优点是时间测量电路相对简单，设备成本低，测量精度和技术性能与TDR相当。缺点是探头无法做成末端开路的针式结构，因此在使用时必须埋入土壤中测量，只能做固定监测使用，而且埋入时对土壤扰动较大，破坏原状土壤的结构。但其仍有很高的应用和研究价值。

土壤探针是用来感知并采集土壤水分信息的。从前面对土壤传感器的综述可以知道TDT时域传感器具有TDR的优点：测量精度高，响应速度快，测量范围宽，一般不需要标定，操作简便等。但由于土壤探针须在测量前埋入土壤，不能满足即插即用的需要而严重制约了TDT传感器的广泛应用。如图1和2所示，2011年中国农业大学冯磊在其博士论文中设计了2款TDT土壤探针。U形结构的探针，缺点是由于结构的限制无法直接插入土壤中，只能埋入土壤中做固定监测用，并且在埋入时会破坏原状土的结构。为了解决U形探头不能直接插入土壤测量的问题，如图3所示，冯磊又设计了1款螺旋状缠绕式TDT探针，将平行的双导线成螺旋状缠绕在绝缘的圆棒上，该探针的优点是，探头成单根棒状，可以直接插入土壤中测量，且导线长度较长，因此时间测量的相对误差小。这种探头的缺点是，由于导体缠绕在绝缘材料上，因此导线周围的介质不仅是土壤，还有绝缘材料的影响，因此传输时间不仅和土壤的介电常数有关，由传输时间计算出的介电常数是土壤与绝缘材料复合的介电常数，要得到土壤的介电常数必须通过标定才能得到。并且由于导线距离较长，因此信号损耗较大，对测量也是不利的因素。

北京林业大学赵燕东等人于2015年9月关于“基于相位检测的高盐碱与高有机土壤水分传感器研究”,以及2014年5月北京林业大学王海兰关于“基于TDT原理的灌木水分传感器探头设计与实验”分别采用了上述冯磊博士的两种传感器。2014年由中国农业大学石庆兰等人申请了“一种采用测时长技术测量土壤水含量的方法”的发明专利，申请号为CN201410241004.9，及“一种基于测时长法的土壤水分测试仪”的实用新型专利，申请号为CN201420288686.4，这两个专利采用的是双V型探针。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是现有技术中TDT时域传感器不能即插即用的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于时域传输的土壤水分测量的土壤探针，其包括探针感知板、水分感知传输线以及外壳；探针感知板前端设置有前通孔，探针感知板为多层PCB板，水分感知传输线中部穿过所述前通孔，水分感知传输线上下两侧部分分别铺设在所述探针感知板的上、下外侧面上，形成信号传输通道；所述外壳由硬质金属制成，外壳包裹住探针感知板的前、左和右三个侧边，探针感知板的上表面和下表面露出用来感知水分信息；金属壳体与探针感知板的地线相连接。

进一步，所述探针感知板包括中间屏蔽层，所述中间屏蔽层在PCB板平面范围内全部敷铜，中间屏蔽层与PCB板的地线连接。中间屏蔽层为多层PCB板的一个或若干个中间设置的金属层。

进一步，靠近所述探针感知板的边缘处设置有导通孔，导通孔内设置有金属化层，所述PCB板的中间屏蔽层通过导通孔的金属化层与PCB板边缘的地线连接。

进一步，所述多层PCB板的上下外侧面上设置信号线，所述水分感知传输线为铜线，所述铜线通过焊接方式固定在所述信号线上。

进一步，所述前通孔为镀通孔，镀通孔内侧设置金属镀层，所述金属镀层将所述探针感知板的上、下外侧面上的两根所述信号线连接，金属镀层不与PCB板的中间屏蔽层连接。

进一步，所述地线沿探针感知板的前、左和右侧边沿设置，所述金属壳体直接与所述地线接触。

进一步，所述壳体内侧设置有凹槽，所述探针感知板可插拔地嵌装在所述凹槽内；所述外壳由不锈钢制成。

进一步，所述探针感知板为尖刀型，探针感知板前端设置有90度角，所述外壳前端设置有与90度角对应的尖角部。

进一步，所述探针感知板长为100-150mm，宽为15-24mm，厚度为2-4mm。

进一步，所述多层PCB板的层数至少为3层。

进一步，所述铜线直径为1-1.5mm。

本发明的土壤探针精度试验

高频电磁波在土壤探针的时间差：ε是相对介电常数，在空气中是1，在水中是80。L是探针长度120cm。当探针放在水里传输时间会因为介电常数变大而延长。

实验过程中，将探针插入满刻度500ml的烧杯里并且固定不动，逐渐往烧杯加水，第一次50ml，以后每次增加10ml,由于土壤探针在水里的长度逐渐增加，高频信号传输时间也逐渐增加，即高频信号的相位差逐渐变大，每次加水10ml，测量电路AD623第6管脚输出电压如表1。

表1

●数据处理：

上支路输出由于这个电压值包含幅度衰减，所以计算其相位值需要首先归一化处理，即电压值除于最大值1054，使电压值在-1-1之间。然后对归一化进行反余弦运算，在计算相位值时要注意其相位连续性，因此在π之后的相位计算式应该是上支路电压与水含量关系曲线如图8所示，上支路相位差与水含量关系曲线如图9所示。

●测量结果分析

将上面数据处理相位与水含量关系曲线进行拟合，得到拟合函数：

y＝3E-08x⁶-4E-06x⁵+0.0001x⁴-0.0023x³+0.0165x²-0.0455x+1.8981

其中，y是相位差，x是水含量。该拟合曲线将作为今后相位差与水含量的关系曲线，测量时根据测量电压来反演水含量值。

将测量值与拟合曲线计算相关系数R

R = \frac{Σ_{i = 1}^{n} (x_{i} - \overset{&OverBar;}{x}) (y_{i} - \overset{&OverBar;}{y})}{\sqrt{Σ_{i = 1}^{n} {(x_{i} - \overset{&OverBar;}{x})}^{2}} \times \sqrt{Σ_{i = 1}^{n} {(y_{i} - \overset{&OverBar;}{y})}^{2}}}

其中，n是用于回归分析的测量样点数；x_i是在第i个样点测得的土含水量；是所有样点测量值的平均；y_i是根据回归方程由在第i个样点测得的信号相位差计算得到的水含量预测值；是所有样点预测值的平均。

\overset{&OverBar;}{x} = Σ_{i = 1}^{n} x_{i}, \overset{&OverBar;}{y} = Σ_{i = 1}^{n} y_{i}

相关系数R(有时也用R²代替)反映了回归方程与测量数据之间的相关性，R²的值越接近1，说明回归方程与测量数据之间的相关性越好。R²无量纲，其取值范围在0～1之间。

均方根误差RMSE计算公式如下：

R M S E = \sqrt{\frac{1}{n} Σ_{i = 1}^{n} {(x_{i} - y_{i})}^{2}}

通过将测得的试验数据带入上述公式中，计算得到R＝0.9948，RMSE＝0.011,说明测量精度达到了期望值。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明结构简单，能够即插即用，克服了传统的U型传输线不能即插的缺点。而且插入土壤后，探针感知板和水分感知传输线充分与土壤接触，能够灵敏地感知水分信息。金属外壳与感知板的地线相连既保证了探针的坚固，又除去了对高频信号的干扰，提高了传感器的可靠性。

附图说明

图1为现有技术中一种U型TDT土壤探针结构示意图；

图2为现有技术中另一种U型TDT土壤探针结构示意图；

图3为现有技术中螺旋状缠绕式TDT探针结构示意图；

图4为本发明实施例的探针感知板的结构示意图；

图5为本发明实施例的外壳剖视图；

图6为本发明实施例的探针感知板的剖视图；

图7为本发明实施例的探针感知板与土壤水分测量传感器连接关系示意图；

图8为本发明实施例中检测试验中上支路电压与水含量关系曲线；

图9为本发明实施例中检测试验中上支路相位差与水含量关系曲线；

其中，10：探针感知板；11：前通孔；12：地线；11a：金属镀层；13：导通孔；13a：金属化层；14：安装孔；15：中间屏蔽层；16：信号线；20：水分感知传输线；30：外壳；31：U型凹槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图4-7所示，本实施例提供的一种基于时域传输的土壤水分测量的土壤探针，其包括探针感知板10、水分感知传输线20以及外壳30；探针感知板10前端设置有前通孔11，探针感知板10为3层PCB板，水分感知传输线20中部穿过前通孔11，水分感知传输线20上下两侧部分分别铺设在探针感知板10的上下表面上，形成信号传输通道；外壳30由硬质金属制成，外壳30包裹住探针感知板10的前、左和右三个侧边，探针感知板10的上表面和下表面露出用来感知水分信息；金属壳体30与探针感知板10的地线12相连接。金属壳体30在电气性能上的功能与信号线20共同构成信号传输通道。其中，14为安装孔。

PCB板的地线12与土壤水分测量传感器的地线连接；而水分感知传输线20的两端分别与土壤水分测量传感器的高频振荡信号的输出端和输入端连接。

探针感知板10包括中间屏蔽层15，中间屏蔽层15在PCB板平面范围内全部覆盖多层PCB板，中间屏蔽层15与PCB板的地线12连接。

探针感知板10的上下外侧面上设置信号线16，信号线16由多层PCB板上层和下层的覆铜腐蚀而成，水分感知传输线20为φ1.5mm铜线，铜线通过焊接方式固定在信号线16上。

前通孔11为镀通孔，镀通孔内侧设置金属镀层11a，金属镀层11a将探针感知板的上、下外侧面上的两根信号线16连接，金属镀层11a不与PCB板的中间屏蔽层15连接。信号线16与水分感知传输线20一起形成信号传输线路。

探针感知板的地线12由多层PCB板上层和/或下层的覆铜腐蚀而成，地线12沿探针感知板的前、左和右侧边沿设置，金属壳体30直接与地线12接触连接。靠近探针感知板10的边缘处设置有导通孔13，导通孔13内设置有金属化层13a，PCB板的中间屏蔽层15通过导通孔的金属化层13a与PCB板边缘的地线12连接。中间屏蔽层15用于完全屏蔽PCB板上下两层信号之间的互相干扰。

而外壳30由不锈钢制成。壳体30内侧设置有凹槽31，探针感知板10可插拔地嵌装在凹槽31内。探针感知板10为尖刀型，探针感知板10前端设置有90度角，外壳30前端设置有与90度角对应的尖角部。探针感知板10长为150mm，宽为24mm，厚度为3mm。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

①探针末端闭环，消除了探针末端开路阻抗不匹配而引起的信号多次反射、入射波与反射波互相干扰、信号衰耗等诸多影响测量精度、稳定度的因素，因此感知水分信息更灵敏准确。

②克服了普通时域传输TDT土壤探针由于双向传输的高频信号在不采取屏蔽的情况下互相干扰会使高频信号波形畸变、幅度衰减并影响测量精度的缺点。

③普通时域传输TDT土壤探针测量时须借助其它工具把土壤挖开将传感器探针埋入土壤里再进行测量，本发明采用尖刀型可插入式特殊结构可以即插即用、方便快捷。

④成本低、可实现。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims

1.一种基于时域传输的土壤水分测量的土壤探针，其特征在于，其包括探针感知板、水分感知传输线以及外壳；探针感知板前端设置有前通孔，探针感知板为多层PCB板，水分感知传输线中部穿过所述前通孔，水分感知传输线上下两侧部分分别铺设在所述探针感知板的上、下外侧面上，形成信号传输通道；所述外壳由硬质金属制成，外壳包裹住探针感知板的前、左和右三个侧边，探针感知板的上表面和下表面露出用来感知水分信息；金属壳体与探针感知板的地线相连接。

2.根据权利要求1所述的基于时域传输的土壤水分测量的土壤探针，其特征在于，所述探针感知板包括中间屏蔽层，所述中间屏蔽层在PCB板平面范围内全部敷铜，用以隔离上下层之间高频信号的相互干扰，中间屏蔽层与PCB板的地线连接。

3.根据权利要求2所述的基于时域传输的土壤水分测量的土壤探针，其特征在于，靠近所述探针感知板的边缘处设置有导通孔，导通孔内设置有金属化层，所述PCB板的中间屏蔽层通过导通孔的金属化层与PCB板边缘的地线连接。

4.根据权利要求2所述的基于时域传输的土壤水分测量的土壤探针，其特征在于，所述多层PCB板的上下外侧面上设置信号线，所述水分感知传输线为铜线，所述铜线通过焊接方式固定在所述信号线上。

5.根据权利要求4所述的基于时域传输的土壤水分测量的土壤探针，其特征在于，所述前通孔为镀通孔，镀通孔内侧设置金属镀层，所述金属镀层将所述探针感知板的上、下外侧面上的两根所述信号线连接，金属镀层不与PCB板的中间屏蔽层连接。

6.根据权利要求1所述的基于时域传输的土壤水分测量的土壤探针，其特征在于，所述地线沿探针感知板的前、左和右侧边沿设置，所述金属壳体直接与所述地线接触。

7.根据权利要求1所述的基于时域传输的土壤水分测量的土壤探针，其特征在于，所述壳体内侧设置有凹槽，所述探针感知板可插拔地嵌装在所述凹槽内；所述外壳由不锈钢制成。

8.根据权利要求1所述的基于时域传输的土壤水分测量的土壤探针，其特征在于，所述探针感知板为尖刀型，探针感知板前端设置有90度角，所述外壳前端设置有与90度角对应的尖角部。

9.根据权利要求1所述的基于时域传输的土壤水分测量的土壤探针，其特征在于，所述探针感知板长为100-150mm，宽为15-24mm，厚度为2-4mm。

10.根据权利要求1所述的基于时域传输的土壤水分测量的土壤探针，其特征在于，所述多层PCB板的层数至少为3层。