CN107271455B - 一种应用低频微波波段测量土壤含水含盐量方法及装置 - Google Patents

一种应用低频微波波段测量土壤含水含盐量方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种应用低频微波波段测量土壤含水含盐量方法及装置，它涉及一种应用低频微波波段10Hz～120MHz频率范围下同时测量盐渍土壤的频率响应介电特性检测系统，它提供了一种结构简单、低成本、具有足够灵敏度，可重复使用的土壤含水含盐量快速检测方法。本检测方法及装置包括：一、微处理器在低频波段10Hz～120MHz频率范围内根据不同的土壤预先设定了一系列的特征频率点；二、通过FFT算法，控制信号发生模块产生一系列不同频率不同数量的正弦电压信号；三、传感器部分在10Hz～120MHz频率范围内测量土壤的介电常数；四、振幅及相位检测模块根据不同的信号等待时间，在不同时间间隔下连续测量振幅及相位偏差值，并存储在FLASH中；五、微处理器通过主成分分析、粒子群拟合分类数据，通过经验公式反演土壤的含水含盐量。

Description

一种应用低频微波波段测量土壤含水含盐量方法及装置
技术领域
本发明涉及一种基于低频微波波段土壤含水含盐量快速检测方法及相关装置，安装在农业物联网中。
背景技术
土壤盐度检测的传统方法基于常规室内化学定量分析方法，检测土样需要作前处理，且需要昂贵的专用仪器，导致费时费工、分析成本高而难以得到及时和普遍的应用。
近年来，基于地物光谱特性的多光谱及高光谱遥感技术获得了迅猛发展，使得实时、快速、精确、大范围监测提供了新的技术手段和方法，从而为基于微波技术进行土壤盐渍化实时监测和快速诊断提供了理论基础。至今，广大学者围绕土壤盐度监测的农学和微波检测机理开展了大量研究，获得了许多可喜的成果，但也面临一些亟待解决的科学问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快捷、具有足够灵敏度、可重复使用、结构简单、成本低廉的土壤含水含盐量检测方式及装置。
土壤含水含盐量检测按以下步骤进行：
一、土样进行风干，过1毫米的筛，去除土壤中动植物残体和微生物体及其分解和合成的物质，烘干或加湿，分多个样本，将传感器完全浸没土样中。
二、微处理器根据土壤种类，选取待测土壤种类，(1.沙土 2.壤土 3.黏土)。本系统在低频波段10Hz～120MHz建立了针对这三种土壤的盐度检测的已预先设定的一系列特征频率点。
三、微处理器通过信号发生模块产生一系列不同频率数量的正弦电压信号，作为传感器的激励信号。
四、传感器部分在10Hz～120MHz频率范围内同时测量电容和电导参数。
五、通过振幅相位检测模块，根据不同的信号等待时间，在不同时间间隔下连续测量并记录振幅和相位的偏差值，并存储在FLASH中。
六、微处理器通过FFT算法，将频率响应特征，即振幅和相位的偏移值，在时域上转移，通过瞬态和稳态时间响应，建立了一个多阶的多项式经验方程式，将土壤介电常数(ε0)和用频率激励测定的振幅和相位的偏差值与土壤含水量(χ)和含盐量(ρ)联系起来。
检测算法描述如下：
针对传感器端，vout作为待测电压，vin是信号发生模块产生的激励电压，建立测量关系，
Figure BSA0000128519300000011
R1、R2、R3、R4表征土壤和电极之间的接触电阻；
Figure BSA0000128519300000013
表征相邻电极之间土壤的阻抗；Zv表示电压测量模块的输入阻抗，XC表示传感器的电容性阻抗。系统的幅频特性和相频特性定义为：
Figure BSA0000128519300000012
Figure BSA0000128519300000021
Figure BSA0000128519300000022
测量的
测量的振幅增益：Gain(dB)＝201g|G(jω)|
测量的相位差：Phase(Degree)＝φ(ω)·(180/π)
基于频率响应的土壤介电系数表征为
Figure BSA0000128519300000023
Figure BSA0000128519300000024
Figure BSA0000128519300000025
通过瞬态和稳态时间响应建立了一个多阶的多项式经验方程式，将土壤介电常数(ε0)和用频率激励测定的振幅和相位的偏差值与土壤含水量(χ)和含盐量(ρ)联系起来。
Figure BSA0000128519300000026
Figure BSA0000128519300000027
沙土含水量的频率响应经验公式：
χ＝0.718χ10Hz+0.311χ50Hz+0.3χ100Hz+0.51χ200Hz+0.767χ500Hz+0.877χ1MHz
+0.96χ2MHz+0.432χ5MHz+0.178χ10MHz+0.91χ50MHz+0.512χ75MHz+0.311χ100MHz
沙土含盐量的频率响应经验公式：
ρ＝0.211ρ10Hz+0.412ρ50Hz+0.514ρ100Hz+0.761ρ200Hz+0.523ρ500Hz+0.632ρ1MHz
+0.12ρ2MHz+0.238ρ5MHz+0.933ρ10MHz+0.62ρ50MHz+0.539ρ75MHz+0.937ρ100MHz
壤土含水量的频率响应经验公式：
χ＝0.637χ50Hz+0.485χ100Hz+0.12χ200Hz+0.633χ500Hz+0.348χ1MHz+0.48χ5MHz
+0.527χ10MHz+0.349χ35MHz+0.82χ50MHz+0.242χ75MHz+0.824χ100MHz+0.932χ120MHz
壤土含盐量的频率响应经验公式：
ρ＝0.139ρ50Hz+0.872ρ100Hz+0.32ρ200Hz+0.94ρ500Hz+0.638ρ1MHz+0.328ρ5MHz
+0.832ρ10MHz+0.493ρ35MHz+0.843ρ50MHz+0.439ρ75MHz+0.683ρ100MHz+0.923ρ120MHz
黏土含水量的频率响应经验公式：
χ＝0.823χ100Hz+0.283χ500Hz+0.433χ1MHz+0.383χ2MHz+0.283χ5MHz+0.633χ10MHz
+0.843χ30MHz+0.743χ50MHz+0.672χ70MHz+0.947χ90MHz+0.943χ100MHz+0.128χ120MHz
黏土含盐量的频率响应经验公式：
ρ＝0.428ρ100Hz+0.527ρ500Hz+0.281ρ1MHz+0.393ρ2MHz+0.294ρ5MHz+0.583ρ10MHz
+0.483ρ30MHz+0.743ρ50MHz+0.538ρ70MHz+0.732ρ90MHz+0.538ρ100MHz+0.633ρ120MHz
检测装置包括微处理模块、信号产生模块、检波模块和检测算法。微处理器采用STM32 芯片，用于控制模块进行接受指令、解读指令、发送指令和监管、协调的作用，以及接受数据、处理数据的作用。信号产生模块由集成的DDS芯片及其外部驱动电路组成，其合成信号的参数由外部参考时钟、频率控制字K、自身属性共同决定。信号处理模块起到信号去噪的功能，采用滤波方式执行。检波模块由集成的检波芯片及其外部驱动电路组成，起到检测 AD9854模块产生的模拟信号并将信号储存到STM32模块中。
附图说明
图1表示基于频率响应的土壤含水含盐量的数据反演模型。
图2表示一种基于频率响应的土壤含水含盐量装置模块组成。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方案任意结合。
具体实施方式一：本实施方式土壤含水含盐量检测按以下步骤进行：
一、土样进行风干，过1毫米的筛，去除土壤中动植物残体和微生物体及其分解和合成的物质，烘干，分多个样本，将传感器完全浸没土样中。
二、微处理器根据土壤种类，选取待测土壤种类，(1.沙土 2.壤土 3.黏土)。本系统在低频波段10Hz～120MHz建立了针对这三种土壤的盐度检测的已预先设定的一系列特征频率点。
三、微处理器通过信号发生模块产生一系列不同频率数量的正弦电压信号，作为传感器的激励信号。
四、传感器部分在10Hz～120MHz频率范围内同时测量电容和电导参数。
五、通过振幅相位检测模块，根据不同的信号等待时间，在不同时间间隔下连续测量并记录振幅和相位的偏差值，并存储在FLASH中。
六、微处理器通过FFT算法，将频率响应特征，即振幅和相位的偏移值，在时域上转移，通过瞬态和稳态时间响应，建立了一个多阶的多项式经验方程式，将土壤介电常数(ε0)和用频率激励测定的振幅和相位的偏差值与土壤含水量(χ)和含盐量(ρ)联系起来。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中的烘干过筛处理后的土壤样本，放入水深3厘米的量杯吸水6小时，其他步骤及参数与实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：步骤一土壤的风干样品过筛后，加入蒸馏水搅拌均匀，蒸馏水与土壤样品的质量比为1∶1，其他步骤及参数与实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一或二或三的不同点是：步骤一土壤的风干样品过筛后，加入蒸馏水搅拌均匀，蒸馏水与土壤样品的质量比为5∶1，其他步骤及参数与实施方式一相同。

Claims (6)

1.一种基于低频波段土壤含水含盐量检测方法，其特征在于土壤含水含盐量检测按以下步骤：
一、土样进行风干，过1毫米的筛，去除土壤中动植物残体和微生物体及其分解和合成的物质，烘干或加湿，分多个样本，将传感器完全浸没土样中；
二、微处理器根据土壤种类，选取待测土壤种类，土壤种类包括沙土、壤土和黏土，本系统在低频波段10Hz～120MHz建立了针对这三种土壤的盐度检测的已预先设定的一系列特征频率点；
三、微处理器通过信号发生模块产生一系列不同频率数量的正弦电压信号，作为传感器的激励信号；
四、传感器部分在10Hz～120MHz频率范围内同时测量电容和电导参数；
五、通过振幅相位检测模块，根据不同的信号等待时间，在不同时间间隔下连续测量并记录振幅和相位的偏差值，并存储在FLASH中；
六、微处理器通过FFT算法，将频率响应特征，即振幅和相位的偏移值，在时域上转移，通过瞬态和稳态时间响应，建立了一个多阶的多项式经验方程式，将土壤介电常数ε0和用频率激励测定的振幅和相位的偏差值与土壤含水量χ和含盐量ρ联系起来。
2.根据权利要求1所述的土壤含水含盐量检测方法，其特征在于步骤一中待测土壤的风干样品粒径小于1毫米，加湿处理时吸水时间为6小时，样品应完全浸没传感器。
3.根据权利要求1所述的土壤含水含盐量检测方法，其特征在于步骤二中三种土壤种类在低频波段10Hz～120MHz范围内预先设定一系列特征频率点；
沙土的特征频率点设在
10Hz/50Hz/100Hz/200Hz/500Hz/1MHz/2MHz/5MHz/10MHz/50MHz/75MHz/100MHz；
壤土的特征频率点设在
50Hz/100Hz/200Hz/500Hz/1MHz/5MHz/10MHz/35MHz/50MHz/75MHz/100MHz/120MHz；
黏土的特征频率点设在
100Hz/500Hz/1MHz/2MHz/5MHz/10MHz/30MHz/50MHz/70MHz/90MHz/100MHz/120MHz。
4.根据权利要求1所述的土壤含水含盐量检测方法，其特征在于步骤三中根据土壤类型的特征频率点通过信号发生模块产生一系列不同频率数量的正弦电压信号，并作为传感器的激励信号。
5.根据权利要求1所述的土壤含水含盐量检测方法，其特征在于步骤五中FFT算法，将频率响应特征在时域上转换成振幅和相位的偏差值，通过瞬态和稳态时间响应建立了一个多阶的多项式经验方程式，将土壤介电常数ε0和用频率激励测定的振幅和相位的偏差值与土壤含水量χ和含盐量ρ联系起来，具体描述如下：
针对传感器端，vout作为待测电压，vin是信号发生模块产生的激励电压，建立测量关系：
Figure FDA0002324822910000021
R1、R2、R3、R4表征土壤和电极之间的接触电阻；
Figure FDA0002324822910000022
表征相邻电极之间土壤的阻抗；Zv表示电压测量模块的输入阻抗，XC表示传感器的电容性阻抗；
系统的幅频特性G(jw)和相频特性φ(ω)定义为：
Figure FDA0002324822910000023
Figure FDA0002324822910000024
式中，金属极板之间流体材料的阻抗RC可以等效为并联连接的一个电阻R和一个电容C，f为信号频率，ω是角频率；
测量的振幅增益Gain(dB)：
Gain(dB)＝20lg|G(jω)|
测量的相位差Phase(Degree)：
Phase(Degree)＝φ(ω).(180/π)
基于频率响应的土壤介电系数表征为：
Figure FDA0002324822910000031
Figure FDA0002324822910000032
Figure FDA0002324822910000033
Figure FDA0002324822910000034
其中，εω表示不同介质的介电常数，ε'ω表征不同介质的实介电常数，ε"ω表征不同介质的虚介电常数，ZLoad表示负载阻抗，Phase(0)表示标定测量的相位差，
Figure FDA0002324822910000035
表示空气的介电常数测量值，Gain(ω)表示激励频率ω测量的振幅增益，Gain(0)表示空气测量的振幅增益，
Figure FDA0002324822910000036
表示不同激励频率，
Figure FDA0002324822910000037
表示激励频率ω∞的测量值，τω表示时延数据，
Figure FDA0002324822910000038
通过瞬态和稳态时间响应建立了一个多阶的多项式经验方程式，将土壤介电常数ε0和用频率激励测定的振幅和相位的偏差值与土壤含水量χ和含盐量ρ联系起来：
Figure FDA0002324822910000039
Figure FDA00023248229100000310
式中，χω表示在激励频率ω下的土壤含水量估算值，ρω表示在激励频率ω下的含盐量估算值，
Figure FDA0002324822910000041
表示在激励频率ω0下的含盐量估算值，
Figure FDA0002324822910000042
表示在激励频率ω∞下的含盐量估算值；
沙土含水量的频率响应经验公式：
χ＝0.718χ10Hz+0.311χ50Hz+0.3χ100Hz+0.51χ200Hz+0.767χ500Hz+0.877χ1MHz，+0.96χ2MHz+0.432χ5MHz+0.178χ10MHz+0.91χ50MHz+0.512χ75MHz+0.311χ100MHz
式中，χEHz表示在激励频率E Hz下的沙土土壤含水量估算值；
沙土含盐量的频率响应经验公式：
ρ＝0.211ρ10Hz+0.412ρ50Hz+0.514ρ100Hz+0.761ρ200Hz+0.523ρ500Hz+0.632ρ1MHz，+0.12ρ2MHz+0.238ρ5MHz+0.933ρ10MHz+0.62ρ50MHz+0.539ρ75MHz+0.937ρ100MHz
式中，ρEHz表示在激励频率E Hz的沙土土壤含盐量估算值；
壤土含水量的频率响应经验公式：
χ＝0.637χ50Hz+0.485χ100Hz+0.12χ200Hz+0.633χ500Hz+0.348χ1MHz+0.48χ5MHz，+0.527χ10MHz+0.349χ35MHz+0.82χ50MHz+0.242χ75MHz+0.824χ100MHz+0.932χ120MHz
式中，χEHz表示在激励频率E Hz下的壤土土壤含水量估算值；
壤土含盐量的频率响应经验公式：
ρ＝0.139ρ50Hz+0.872ρ100Hz+0.32ρ200Hz+0.94ρ500Hz+0.638ρ1MHz+0.328ρ5MHz，+0.832ρ10MHz+0.493ρ35MHz+0.843ρ50MHz+0.439ρ75MHz+0.683ρ100MHz+0.923ρ120MHz
式中，ρEHz表示在激励频率E Hz的壤土土壤含盐量估算值；
黏土含水量的频率响应经验公式：
χ＝0.823χ100Hz+0.283χ500Hz+0.433χ1MHz+0.383χ2MHz+0.283χ5MHz+0.633χ10MHz，+0.843χ30MHz+0.743χ50MHz+0.672χ70MHz+0.947χ90MHz+0.943χ100MHz+0.128χ120MHz
式中，χEHz表示在激励频率E Hz下的黏土土壤含水量估算值；
黏土含盐量的频率响应经验公式：
ρ＝0.428ρ100Hz+0.527ρ500Hz+0.281ρ1MHz+0.393ρ2MHz+0.294ρ5MHz+0.583ρ10MHz，+0.483ρ30MHz+0.743ρ50MHz+0.538ρ70MHz+0.732ρ90MHz+0.538ρ100MHz+0.633ρ120MHz
式中，ρEHz表示在激励频率E Hz的黏土土壤含盐量估算值。
6.采用如权利要求1～5任一项所述的一种基于低频波段土壤含水含盐量检测方法的应用低频微波测量土壤含水含盐量快速检测装置，其特征在于所述微处理器采用STM32芯片，用于控制模块进行接受指令、解读指令、发送指令和监管、协调的作用，以及接受数据、处理数据的作用，信号产生模块由集成的DDS芯片及其外部驱动电路组成，其合成信号的参数由外部参考时钟、频率控制字K、自身属性共同决定，信号处理模块起到信号去噪的功能，采用滤波方式执行，检波模块由集成的检波芯片及其外部驱动电路组成，起到检测AD9854模块产生的模拟信号并将信号储存到STM32模块中。
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