CN109709113B - 一种土壤水分测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种土壤水分测量装置及方法，该装置包括晶振、功放、发射天线、接收天线、鉴相器、第一峰值检波器、第二峰值检波器、差分放大器和微控制器。晶振与功放的输入端连接，功放的第一输出端分别与第一峰值检波器和鉴相器的输入端连接，功放的第二输出端通过发射天线与接收天线的一端连接，接收天线的另一端分别连接第二峰值检波器和鉴相器的输入端，鉴相器的输出端连接微控制器。本发明基于电磁波信号在待测土壤中传输的延时和衰减，通过测量经过待测土壤前后信号的相位差与幅度差，来确定土壤含水率，提高了土壤含水率的测量精度。解决了传统土壤水分测量方法仅单测电信号的相位或幅度，无法得到土壤复介电常数的精确值的缺陷。

Description

一种土壤水分测量装置及方法

技术领域

本发明实施例涉及土壤含水量测量技术领域，尤其涉及一种土壤水分测量装置及方法。

背景技术

土壤含水率作为土壤中一个重要的指标，它是影响水循环、养分迁移和作物生长的基本要素。

目前，测量土壤含水率主要有烘干法，中子法、频域反射法、时域反射法、电容法、驻波比法、探地雷达、和遥感技术等。其中，烘干法被认为是准确的，是效验其他方法的基准，但缺点也很明显，难以实现自动监测；中子法、频域反射法、电容式和驻波比法均属于小尺度点测量方法，测量范围局限于传感器周围。

探地雷达作为一种中尺度测量方式,运行于地表，能保证原状测定的精度，同时便于移动，作业面积大，但由于设备实现较为复杂，成本也较高，经济性较差，不适应规模化推广；遥感技术由于其技术特点主要用于大范围测量，测算结果精度有待进一步提升。

传统的土壤水份测量技术，比如前述的频域反射法、电容式、驻波比法均是利用测量土壤的介电常数来估算出土壤水份，但测量介电常数往往仅单测电信号的相位或幅度，对于土壤这样的复介电常数来说，不能精确地反映其真实值。

发明内容

针对传统土壤水份测量方法通过测量土壤的介电常数来估算出土壤含水率，难以保证测量精度的缺陷。本发明实施例提供一种土壤水分测量装置。

第一方面，本发明实施例提供一种土壤水分测量装置，包括晶振、功放、发射天线、接收天线、鉴相器、第一峰值检波器、第二峰值检波器、差分放大器和微控制器；

所述晶振与功放的输入端连接，用于提供正弦波信号；所述功放的第一输出端分别与第一峰值检波器和鉴相器的输入端连接，所述功放的第二输出端通过发射天线与接收天线的一端连接，所述发射天线和接收天线分别设置于待测土壤的两端，所述接收天线的另一端分别连接第二峰值检波器和鉴相器的输入端，所述鉴相器的输出端连接微控制器；

所述第一峰值检波器和第二峰值检波器的输出端均连接差分放大器的一端，所述差分放大器的另一端连接微控制器；

所述功放对正弦波信号进行功率放大后产生第一信号，并将第一信号分别发送至第一峰值检波器、鉴相器和发射天线；发射天线发出的第一信号在待测土壤中衰减为第二信号并被接收天线所接收后，接收天线将所述第二信号分别发送至第二峰值检波器和鉴相器；

所述差分放大器接收第一峰值检波器和第二峰值检波器输出的第一信号峰值幅度和第二信号峰值幅度，获取两信号之间的幅度差，并输出至微控制器；所述鉴相器接收第一信号和第二信号，获取两信号之间的相位差，并输出至微控制器；所述微控制器根据幅度差和相位差计算待测土壤的含水率。

其中，所述土壤水分测量装置还包括真值检波器，所述真值检波器的输入端连接鉴相器，真值检波器的输出端与微控制器连接，用于滤除鉴相器输出的交流信号，保留直流信号，并将所述直流信号发送至微控制器。

其中，所述发射天线为定向天线，所述接收天线为全向天线。

其中，所述微控制器为C8051F040单片机。

第二方面，本发明实施例提供一种土壤水分测量装置方法，包括：

差分放大器采集第一信号的峰值幅度和第二信号的峰值幅度，获取两信号之间的幅度差，并输出至微控制器；其中，所述第二信号是第一信号在待测土壤中衰减后产生的；

鉴相器采集所述第一信号和第二信号，获取两信号之间的相位差，并输出至微控制器；

微控制器根据幅度差和相位差计算出土壤介电常数的实和虚数部分，再根据Topp公式计算待测土壤的含水率。

本发明实施例提供的土壤水分测量装置及方法，由发射天线发出的第一信号在待测土壤中衰减为第二信号并被接收天线所接收，差分放大器采集第一信号的峰值幅度和第二信号的峰值幅度，获取两信号之间的幅度差，并输出至微控制器，鉴相器采集所第一信号和第二信号，获取两信号之间的相位差，并输出至微控制器，微控制器根据幅度差和相位差计算待测土壤的含水率。本发明实施例提供的土壤水分测量方法，基于电磁波信号在待测土壤中传输的延时和衰减，通过测量经过待测土壤前后信号的相位差与幅度差，由此可计算出土壤介电常数的实和虚数部分，再根据Topp公式计算土壤含水率，克服了传统土壤水分测量方法仅用幅度或相位表征的局限性，提高了测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例提供的土壤水分测量装置流程示意图；

图2为根据本发明实施例提供的土壤水分测量装置的使用情境示意图；

图3为根据本发明实施例提供的晶振和功放的电路图；

图4为根据本发明实施例提供的由鉴相器和真值检波器组成的电路图；

图5为根据本发明实施例提供的土壤水分测量方法流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

需要说明的是，在本发明实施例的描述中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“上”、“下”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。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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

由于传统的土壤水份测量技术，大多利用测量土壤的介电常数来估算出土壤水份，然而传统的土壤水份测量技术，测量介电常数往往仅单测电信号的相位或幅度，无法得到土壤复介电常数的精确值，使得土壤含水率的测量精度较低。

因此，本发明实施例提供了一种土壤水分测量装置及方法，由发射天线发出的第一信号在待测土壤中衰减为第二信号并被接收天线所接收，差分放大器采集第一信号的峰值幅度和第二信号的峰值幅度，获取两信号之间的幅度差，并输出至微控制器，鉴相器采集所第一信号和第二信号，获取两信号之间的相位差，并输出至微控制器，微控制器根据幅度差和相位差计算待测土壤的含水率。本发明实施例提供的土壤水分测量方法，基于电磁波信号在待测土壤中传输的延时和衰减，通过测量经过待测土壤前后信号的相位差与幅度差，来确定土壤含水率，提高了土壤含水率的测量精度。解决了传统土壤水分测量方法仅单测电信号的相位或幅度，无法得到土壤复介电常数的精确值，使得土壤含水率的测量精度较低的技术问题。

图1为根据本发明实施例提供的土壤水分测量装置的结构示意图；如图1所示，该装置包括晶振、功放、发射天线、接收天线、鉴相器、第一峰值检波器、第二峰值检波器、差分放大器和微控制器；

所述晶振与功放的输入端连接，用于提供正弦波信号；所述功放的第一输出端分别与第一峰值检波器和鉴相器的输入端连接，所述功放的第二输出端通过发射天线与接收天线的一端连接，所述发射天线和接收天线分别设置于待测土壤的两端，所述接收天线的另一端分别连接第二峰值检波器和鉴相器的输入端，所述鉴相器的输出端连接微控制器；

所述第一峰值检波器和第二峰值检波器的输出端均连接差分放大器的一端，所述差分放大器的另一端连接微控制器；

所述功放对正弦波信号进行功率放大后产生第一信号，并将第一信号分别发送至第一峰值检波器、鉴相器和发射天线；发射天线发出的第一信号在待测土壤中衰减为第二信号并被接收天线所接收后，接收天线将所述第二信号分别发送至第二峰值检波器和鉴相器；

所述差分放大器接收第一峰值检波器和第二峰值检波器输出的第一信号峰值幅度和第二信号峰值幅度，获取两信号之间的幅度差，并输出至微控制器；所述鉴相器接收第一信号和第二信号，获取两信号之间的相位差，并输出至微控制器；所述微控制器根据幅度差和相位差计算待测土壤的含水率。

具体地，参照图1，晶振与功放的输入端连接，提供稳定的正弦波信号，功放的第一输出端分别与第一峰值检波器和鉴相器的输入端连接，功放的第二输出端通过发射天线与接收天线的一端连接，功放对正弦波信号进行功率放大后产生第一信号，并将第一信号分别发送至第一峰值检波器、鉴相器和发射天线。

图2为根据本发明实施例提供的土壤水分测量装置的使用情境示意图，参照图1和图2，发射天线和接收天线分别设置于待测土壤的两端，待测土壤两端的距离为d，接收天线分别连接第二峰值检波器和鉴相器的输入端，鉴相器的输出端连接微控制器。发射天线发出的第一信号在待测土壤中衰减为第二信号并被接收天线所接收后，接收天线将所述第二信号分别发送至第二峰值检波器和鉴相器。

进一步地，差分放大器接收第一峰值检波器和第二峰值检波器输出的第一信号峰值幅度和第二信号峰值幅度，获取两信号之间的幅度差，并输出至微控制器。其中，差分放大器是一种将两个输入端电压的差以一固定增益放大的电子放大器。本实施例中，由于接收天线的信号幅度较小，因此差分放大器在获取第一信号和第二信号之间的幅度差的同时，对幅度差信号进行放大，并将放大后的幅度差信号发送至微控制器。

鉴相器接收第一信号和第二信号，获取两信号之间的相位差，并输出至微控制器。微控制器根据幅度差和相位差计算待测土壤的含水率。

本发明实施例提供的土壤水分测量装置，由发射天线发出的第一信号在待测土壤中衰减为第二信号并被接收天线所接收，差分放大器采集第一信号的峰值幅度和第二信号的峰值幅度，获取两信号之间的幅度差，并输出至微控制器，鉴相器采集所第一信号和第二信号，获取两信号之间的相位差，并输出至微控制器，微控制器根据幅度差和相位差计算待测土壤的含水率。本发明实施例提供的土壤水分测量方法，基于电磁波信号在待测土壤中传输的延时和衰减，通过测量经过待测土壤前后信号的相位差与幅度差，来确定土壤含水率，提高了土壤含水率的测量精度。解决了传统土壤水分测量方法仅单测电信号的相位或幅度，无法得到土壤复介电常数的精确值，使得土壤含水率的测量精度较低的技术问题。

在上述各实施例的基础上，所述土壤水分测量装置还包括真值检波器，所述真值检波器的输入端连接鉴相器，真值检波器的输出端与微控制器连接，用于滤除鉴相器输出的交流信号，保留直流信号，并将直流信号发送至微控制器。鉴相器的输出端经真值检波器连接微控制器。

在上述实施例的基础上，所述发射天线为定向天线，所述接收天线为全向天线。发射天线选用定向天线，本实施例中，优选的，该定向天线的半功率波瓣宽度为72.5°，增益比为6dbi的，中心频率为100MHZ。接收天线选用全向天线，优选的，全向天线的增益比为6dbi的，中心频率为100MHZ。

在上述各实施例的基础上，所述微控制器为C8051F040单片机。C8051F040单片机是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机，在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制的智能节点所需要的几乎所有模拟和数字外设以及其他功能部件。本实施例中，C8051F040单片机具备高精度模数转换能力，并能够根据幅度差和相位差计算待测土壤的含水率。

图3为根据本发明实施例提供的由晶振和功放组成的电路图，如图3所示，该电路由电感L1、电容C5、电容C6、电容C7、电阻R4、电阻R6、电阻R8、晶振SiT8008、三极管BC847CW以及射频接口MM9329-2700组成,图3中标注有各个组成元器件的参数值，图3中，RF-OUT是指射频输出，晶振SiT8008周围的数字表示晶振的第1、2、3、4端。其中晶振SiT8008产生幅度为数百mV，频率为100MHZ的正弦波信号，电容C5、C6、C7和电感L1用于稳压同时防止晶振干扰到电路其他部分；功放电路用于增加晶振输出信号的幅度，选用三极管BC847CW，将信号幅度由mV级别放大到V级别。

图4为根据本发明实施例提供的由鉴相器和真值检波器组成的电路图，图4中标注有各个组成元器件的参数值，图4中，RF-OUT是指射频输出，。如图4所示，鉴相器电路选用SN74AHC1G86异或门，用于比较功放输出的原始信号与经被测土壤后信号之间的相位差异，R1作为负载电阻，用于调整差分电压；真值检波器由R2和C3组成的RC阻容滤波器构成，用于滤除鉴相器输出的交流信号，保留直流信号，并将直流信号发送至微控制器。真值检波器的输出端连接微控制器。

图5为根据本发明实施例提供的土壤水分测量方法流程示意图，参照图5，本发明实施例提供一种土壤水分测量装置方法，包括：

步骤501，差分放大器采集第一信号的峰值幅度和第二信号的峰值幅度，获取两信号之间的幅度差，并输出至微控制器；其中，所述第二信号是第一信号在待测土壤中衰减后产生的。

具体地，本发明实施例提供的土壤水分测量方法是基于上述实施例提供的土壤水分测量装置提供的，参照图1和图5，发射天线发出的第一信号在待测土壤中衰减为第二信号并被接收天线所接收后，接收天线将所述第二信号分别发送至第二峰值检波器和鉴相器。差分放大器接收第一峰值检波器和第二峰值检波器输出的第一信号峰值幅度和第二信号峰值幅度，获取两信号之间的幅度差，并输出至微控制器。其中，差分放大器是一种将两个输入端电压的差以一固定增益放大的电子放大器。本实施例中，由于接收天线的信号幅度较小，因此差分放大器在获取第一信号和第二信号之间的幅度差的同时，对幅度差信号进行放大，并将放大后的幅度差信号发送至微控制器。

步骤502，鉴相器采集所述第一信号和第二信号，获取两信号之间的相位差，并输出至微控制器。

其中，鉴相器(phasedetector)指的是能够鉴别出输入信号的相差的器件，是使输出电压与两个输入信号之间的相位差有确定关系的电路。本实施例中，鉴相器电路选用SN74AHC1G86异或门，参照图1和图5，鉴相器采集功放传输的第一信号以及接收天线传输的第二信号，获取两信号之间的相位差，并输出至微控制器。

步骤503，微控制器根据幅度差和相位差计算待测土壤的含水率。

具体地，微控制器采用C8051F040单片机。C8051F040单片机是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机，在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制的智能节点所需要的几乎所有模拟和数字外设以及其他功能部件。本实施例中，C8051F040单片机具备高精度模数转换能力，并能够根据幅度差和相位差计算待测土壤的含水率。

本发明实施例提供的土壤水分测量方法，由发射天线发出的第一信号在待测土壤中衰减为第二信号并被接收天线所接收，差分放大器采集第一信号的峰值幅度和第二信号的峰值幅度，获取两信号之间的幅度差，并输出至微控制器，鉴相器采集所第一信号和第二信号，获取两信号之间的相位差，并输出至微控制器，微控制器根据幅度差和相位差计算待测土壤的含水率。

本发明实施例提供的土壤水分测量方法，基于电磁波信号在待测土壤中传输的延时和衰减，通过测量经过待测土壤前后信号的相位差与幅度差计算出土壤介电常数的实和虚数部分，再根据Topp公式来确定土壤含水率，克服了传统土壤水分测量方法仅用幅度或相位表征的局限性，提高了测量精度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种土壤水分测量装置，其特征在于，包括晶振、功放、发射天线、接收天线、鉴相器、第一峰值检波器、第二峰值检波器、差分放大器和微控制器；

所述晶振与功放的输入端连接，用于提供正弦波信号；所述功放的第一输出端分别与第一峰值检波器和鉴相器的输入端连接，所述功放的第二输出端通过发射天线与接收天线的一端连接，所述发射天线和接收天线分别设置于待测土壤的两端，所述接收天线的另一端分别连接第二峰值检波器和鉴相器的输入端，所述鉴相器的输出端连接微控制器；

所述第一峰值检波器和第二峰值检波器的输出端均连接差分放大器的一端，所述差分放大器的另一端连接微控制器；

所述功放对正弦波信号进行功率放大后产生第一信号，并将第一信号分别发送至第一峰值检波器、鉴相器和发射天线；发射天线发出的第一信号在待测土壤中衰减为第二信号并被接收天线所接收后，接收天线将所述第二信号分别发送至第二峰值检波器和鉴相器；

所述差分放大器接收第一峰值检波器和第二峰值检波器输出的第一信号峰值幅度和第二信号峰值幅度，获取两信号之间的幅度差，并输出至微控制器；所述鉴相器接收第一信号和第二信号，获取两信号之间的相位差，并输出至微控制器；所述微控制器根据幅度差和相位差计算待测土壤的土壤介电常数的实和虚数部分，再根据Topp公式计算待测土壤的含水率；

所述土壤水分测量装置还包括真值检波器，所述真值检波器的输入端连接鉴相器，真值检波器的输出端与微控制器连接，用于滤除鉴相器输出的交流信号，保留直流信号，并将所述直流信号发送至微控制器。

2.根据权利要求1所述的土壤水分测量装置，其特征在于，所述发射天线为定向天线，所述接收天线为全向天线。

3.根据权利要求1所述的土壤水分测量装置，其特征在于，所述微控制器为C8051F040单片机。

4.一种土壤水分测量方法，基于权利要求1-3任一项所述的土壤水分测量装置，其特征在于，包括：

差分放大器采集第一信号的峰值幅度和第二信号的峰值幅度，获取两信号之间的幅度差，并输出至微控制器；其中，所述第二信号是第一信号在待测土壤中衰减后产生的；

鉴相器采集所述第一信号和第二信号，获取两信号之间的相位差，并输出至微控制器；

微控制器根据幅度差和相位差计算待测土壤的土壤介电常数的实和虚数部分，再根据Topp公式计算待测土壤的含水率。

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