CN109444227A - 具有电导率补偿特性的低频电容土壤水分检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有电导率补偿特性的低频电容土壤水分检测方法，传感探头采用印制电路板工艺的平面四电极结构，构成电容/电导率复用感应极板，并由多个相同复用感应极板按一定间隔排列构成剖面式传感探头。单片机分时控制交流恒流源和直流恒流源给复用感应极板供电。直流恒流源给复用检测电极充放电时，通过AD采集电路检测复用检测电极电压值，得到电容值与水含量的对应关系；交流恒流源给激励电极供电时，通过AD采集电路检测复用检测电极电压值，得到被测土壤电容值所对应的电导率；通过电导率的差值与水分的差值的比例关系，确定电导率影响的水分校准值；最后利用电导率影响的水分校准值对实际测量的水分值进行修正。

Description

具有电导率补偿特性的低频电容土壤水分检测方法

技术领域

本发明属于土壤水分自动检测领域，具体是一种具有电导率补偿特性的低频电容土壤水分检测方法。

背景技术

土壤水分含量是一项重要的土壤物理参数，它会影响土壤中营养物质和微生物活动的溶解和转移过程，是决定土壤肥力的重要因素之一，因此及时准确掌握土壤水分的变化规律，对现代精准农业生产的理论研究及应用都具有重要意义。

介电法是目前广泛使用的土壤水含量测量方法，主要原理是土壤中水含量的不同表现出介电常数的差异，通过对介电常数的测量能够间接反映出土壤水分的变化情况。但是，现有的介电法大多使用高频信号源，测试结果相对精确，但设备的制作成本较高且无法满足大范围布设的要求；若采用低频信号源，则土壤中的盐分是不可避免的影响因素，所以要提高工作在低频段的土壤水分传感器的精度，必须首先明确被测土壤中的电容和电导率的相互关系。

河南农业大学(CN 101520426 B)报道了一种基于矢量合成的土壤水分和电导率的测量方法及其装置。其通过矢量合成的方法得到电容分量和电导分量，从而得到土壤模型的水分含量和电导率，该报道认为土壤水分只与电容有关，而电导率仅是反应土壤肥力的参数。但是，土壤作为一种多孔介质，一般认为所测电容值反映出的相对介电常数ε在复数域内可表示为：ε＝ε′-ε″·j，其中ε′为介电常数的实部，主要受水分因素的影响；ε″为介电常数的虚部，主要受土壤中盐分因素的影响，尤其在低频检测环境中更不能忽略电导率对介电法检测土壤水分结果的影响。

发明内容

本发明目的是提供一种新颖的具有电导率补偿特性的低频电容土壤水分检测方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种具有电导率补偿特性的低频电容土壤水分检测方法，包括如下步骤：

(1)、建立检测系统

插入土壤内的传感探头采用平面四电极结构，构成电容/电导率复用感应极板，其中中间两个电极为复用检测电极，外部两个电极为激励电极；一个复用检测电极和一个激励电极接地，另一个激励电极连接交流恒流源，另一个复用检测电极并接真有效值转换电路、直流恒流源及电压放大器正输入端，交流恒流源连接双极性正弦信号源，真有效值转换电路和电压放大器输出端连接AD采集电路；

(2)、建立电容值与水含量关系式、电导率与电容值关系式

单片机分时控制交流恒流源和直流恒流源给电容/电导率复用感应极板供电；

在一个实验周期内，直流恒流源给复用感应极板充放电时，经过电压放大器由AD采集电路进行电压采集，由得到电容值，通过标准称重法得到土壤水含量，建立电容值与水含量的关系θ＝φ(c)；在进行的两次实验周期内，分别获得两个关系式θ₁＝φ₁(c)，θ₂＝φ₂(c)；

在一个实验周期内，交流恒流源给复用感应极板供电时，通过真有效值检测电路转换为直流电压再由AD采集电路进行电压采集，得到电导率EC，建立电导率与电容值的关系EC＝η(c)；在进行的两次实验周期内，分别获得两个关系式EC₁＝η₁(c)，EC₂＝η₂(c)；

(3)、实际测量过程中，在相同电容情况下电导率的差值与水分的差值存在比例关系，从而获得实际测量时电导率影响的水分校准值其中，EC₀为实际检测时的电导率，c₀为实际检测时的电容值；

在首次实验周期内得到的θ₁＝φ₁(c)和EC₁＝η₁(c)关系式作为基准关系θ_r、EC_r；

基准值φ₁(c₀)与校准值θ_e之和即为实际检测时的水分标准测量值θ₀，

本发明采用原理，如图1所示，单片机分时控制交流恒流源和直流恒流源给复用感应极板供电。直流恒流源给复用检测电极充放电时，通过AD转换电路检测复用检测电极电压值，得到电容值与水含量的对应关系；交流恒流源给激励电极供电，通过AD转换电路检测复用检测电极电压值，得到被测土壤电容值所对应的电导率；通过电导率的差值与水分的差值的比例关系，确定电导率影响的水分校准值；最后利用电导率影响的水分校准值对实际测量的水分值进行修正。

电容值与水含量的对应关系θ＝φ(c)为测量的土样整个风干周期(即一个实验周期为土样由湿润状态至完全风干)内电容值与通过标准称重法测得水含量的对应关系；EC＝η(c)为土样电容所对应的电导率测量值。在电容值相同的情况下，得到电导率影响的水分校正值电导率影响的水分校正值θ_e对实测电容值C所对应的水分值进行修正，得到修正的水分测量值

由多个相同电容/电导率复用感应极板按一定间隔排列构成剖面式传感探头，可以实现对不同深度的土壤水分检测。电容/电导率复用感应极板采用电路板印制工艺，采用了平面极板结构，将四个电极印制在了同一极板，通过分时复用的方法实现对电容和电导率的检测。直流恒流源给复用检测电极充电电流I可调(0～63μA)、充电时间T可调(0.5～32μs)、充电频率可调(0～2MHz)。交流恒流源给激励电极供电电流I可调(0～15mA)、供电频率可调(0～5MHz)。

本发明所述的具有电导率补偿特性的低频电容土壤水分检测方法可以很好的解决仪器成本和测量精度的矛盾问题，在精准农业的土壤水分多点检测领域中具有广泛的应用前景。

附图说明

图1表示本发明的框图。

图2表示本发明中电容/电导率复用感应极板结构示意图。

图3表示本发明中电容和电导率检测系统原理图。

图4表示实施例(第一次土壤吸水风干实验)中测量值与实际值(标准称重法)对比图。

图5表示实施例(第二次土壤吸水风干实验)中测量值与实际值(标准称重法)对比图。

图6表示实施例(第三次土壤吸水风干实验)中测量值与实际值(标准称重法)对比图。

图中：1-接线端子，2-复用检测电极，3-激励电极。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

如图1所示，一种具有电导率补偿特性的低频电容土壤水分检测方法，单片机分时控制交流恒流源和直流恒流源给电容/电导率复用感应极板供电。直流恒流源给复用感应极板充放电时，通过AD采集电路检测复用感应极板电压值，得到电容值与水含量的对应关系；交流恒流源给复用感应极板供电时，通过AD采集电路检测复用感应极板电压值，得到被测土壤电容值所对应的电导率；通过电导率的差值与水分的差值的比例关系，确定电导率影响的水分校准值；最后利用电导率影响的水分校准值对实际测量的水分值进行修正。

如图2所示电容/电导率复用感应极板结构示意图，感应极板采用电路板印制工艺，采用了平面极板结构，将四个电极印制在了同一极板，通过分时复用的方法实现对电容和电导率的检测。其中中间两个电极为复用检测电极2；外部两个电极为激励电极3。

如图3所示电容和电导率检测原理图，插入土壤内的传感探头采用平面四电极结构，构成电容/电导率复用感应极板，其中中间两个电极为复用检测电极，外部两个电极为激励电极；一个复用检测电极和一个激励电极接地，另一个激励电极连接交流恒流源，另一个复用检测电极并接真有效值转换电路、直流恒流源及电压放大器正输入端，交流恒流源连接双极性正弦信号源，真有效值转换电路和电压放大器输出端连接AD采集电路；具体实施时可以由三个相同电容/电导率复用感应极板按一定间隔排列构成剖面式传感探头，可以实现对三个不同深度的土壤水分检测。

在一个土样整个风干周期内，直流恒流源给复用检测电极充电电流I＝63μA、充电时间T＝4μs、充电频率为125kHz，经过电压放大器由AD采集电路进行电压采集，由得到电容值，通过标准称重法得到土壤水含量，建立电容值与水含量的关系θ＝φ(c)；在进行的两次实验周期内，分别获得两个关系式θ₁＝φ₁(c)，θ₂＝φ₂(c)。

在一个土样整个风干周期内，交流恒流源给激励电极供电电流I＝300μA、供电频率为1kHz，通过真有效值检测电路转换为直流电压再由AD转换电路进行电压采集，得到电导率，建立电导率与电容值的关系EC＝η(c)；在进行的两次实验周期内，分别获得两个关系式EC₁＝η₁(c)，EC₂＝η₂(c)。

实际测量过程中，在相同电容情况下电导率的差值与水分的差值存在比例关系，从而获得实际测量时电导率影响的水分校准值其中，EC₀为实际检测时的电导率，c₀为实际检测时的电容值。

在首次实验周期内得到的θ₁＝φ₁(c)和EC₁＝η₁(c)关系式作为基准关系θ_r、EC_r；即将实际检测时的电容值c₀分别带入θ₁＝φ₁(c)和EC₁＝η₁(c)所得的测量值分别作为实际测量基准值。

基准值φ₁(c₀)与校准值θ_e之和即为实际检测时的水分标准测量值θ₀，即通过电导率影响的水分校正值θ_e对实测电容值c₀所对应的水分值进行修正，得到修正的水分值θ₀。

具体实施时，采用Logistic模型对两次测量数据进行拟合以获得如下经验公式：

以下为三个具体实施例，从山西太原某一地点(37°45'11“N，112°43'34”E)采集黄土样本，制作了3罐密度为1.45g/cm³的标准测试样品，进行了三次土壤吸水风干实验，并分别对土壤水分含量情况进行抽样检测。将三次实验周期内不同时段获得的测量值分别带入自行已推导出的水分校正模型，并将计算得到的水分预测值与使用标准称重法得到的准确水分值进行对比，具体数据如下表1、表2及表3，结果如图4、5、6所示。

表1第一次土壤吸水风干实验

表2第二次土壤吸水风干实验

表3第三次土壤吸水风干实验

从图中可以看出，三次实验周期内测量的最大绝对误差分别为3.140％，2.549％，3.282％，可以满足现场实际应用的需求。

本发明方法具有以下优点：利用电导率特性对低频电容土壤水分传感器测量结果进行补偿，解决了低频情况下利用介电法检测土壤水分不精确的问题，同时由于低频电路成本低，使得本发明可以满足在精准农业生产中对土壤水分传感器大范围、多节点的布设需求。

以上是对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种具有电导率补偿特性的低频电容土壤水分检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)、建立检测系统

插入土壤内的传感探头采用平面四电极结构，构成电容/电导率复用感应极板，其中中间两个电极为复用检测电极，外部两个电极为激励电极；一个复用检测电极和一个激励电极接地，另一个激励电极连接交流恒流源，另一个复用检测电极并接真有效值转换电路、直流恒流源及电压放大器正输入端，交流恒流源连接双极性正弦信号源，真有效值转换电路和电压放大器输出端连接AD采集电路；

(2)、建立电容值与水含量关系式、电导率与电容值关系式

单片机分时控制交流恒流源和直流恒流源给电容/电导率复用感应极板供电；

在一个实验周期内，直流恒流源给复用感应极板充放电时，经过电压放大器由AD采集电路进行电压采集，由得到电容值，通过标准称重法得到土壤水含量，建立电容值与水含量的关系θ＝φ(c)；在进行的两次实验周期内，分别获得两个关系式θ₁＝φ₁(c)，θ₂＝φ₂(c)；

在一个实验周期内，交流恒流源给复用感应极板供电时，通过真有效值检测电路转换为直流电压再由AD采集电路进行电压采集，得到电导率EC，建立电导率与电容值的关系EC＝η(c)；在进行的两次实验周期内，分别获得两个关系式EC₁＝η₁(c)，EC₂＝η₂(c)；

(3)、实际测量过程中，在相同电容情况下电导率的差值与水分的差值存在比例关系，从而获得实际测量时电导率影响的水分校准值其中，EC₀为实际检测时的电导率，c₀为实际检测时的电容值；

在首次实验周期内得到的θ₁＝φ₁(c)和EC₁＝η₁(c)关系式作为基准关系θ_r、EC_r；

基准值φ₁(c₀)与校正值θ_e之和即为实际检测时的水分标准测量值θ₀，

2.根据权利要求1所述的具有电导率补偿特性的低频电容土壤水分检测方法，其特征在于：直流恒流源给复用检测电极充电电流I可调0～63μA、充电时间T可调0.5～32μs、充电频率可调0～2MHz。

3.根据权利要求1所述的具有电导率补偿特性的低频电容土壤水分检测方法，其特征在于：交流恒流源给激励电极供电电流I可调0～15mA、供电频率可调0～5MHz。

4.根据权利要求1所述的具有电导率补偿特性的低频电容土壤水分检测方法，其特征在于：多个相同电容/电导率复用感应极板按一定间隔排列构成剖面式传感探头。