CN114609199A - 一种土壤水分含量的测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种土壤水分含量的测量系统及方法，包括信号发生器、校正回路、测量回路、混频器和测量装置，信号发生器的第一信号输出端与第一切换开关的输入端相连接，第一切换开关的第一输出端与校正回路的输入端相连接，第一切换开关的第二输出端与测量回路的的输入端相连接，校正回路的输出端与第二切换开关的第一输入端相连接，测量回路的输出端与第二切换开关的第二输入端相连接，第二切换开关的输出端与混频器的输入端相连接，混频器的输出端与测量装置的输入端相连接。本发明克服了现有技术的不足，结构简单、成本较低、受EC及土壤类型的干扰较小。
Description
技术领域
本发明涉及水分含量的测量技术领域，具体涉及一种土壤水分含量的测量系统及方法。
背景技术
土壤水分不仅影响土壤的物理性质，关系着土壤中养分的溶解、转移和微生物活动，而且它更是植物赖以生存的基本条件。通过对土壤水分进行实时监测，有利于掌握不同作物在同一时期对土壤水分含量的不同要求，从而进行实施精准的灌溉达到既能满足农作物的生理需水要求，又不造成水资源的浪费。
目前市面上比较成熟的土壤含水率监测方法有TDR、FDR；其中TDR测量装置电路复杂成本较高，不利于田间的推广应用。而FDR测量方法一般采用100MHz以内的激励信号进行测量，受土壤类型、土壤电导率、安装方式等其它因素的影响较大。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种土壤水分含量的测量系统，克服了现有技术的不足，设计合理，结构简单、成本较低、受EC及土壤类型的干扰较小。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种土壤水分含量的测量系统，包括信号发生器、校正回路、测量回路、混频器和测量装置，所述信号发生器的第一信号输出端与第一切换开关的输入端相连接，所述第一切换开关的第一输出端与校正回路的输入端相连接，所述第一切换开关的第二输出端与测量回路的的输入端相连接，所述校正回路的输出端与第二切换开关的第一输入端相连接，所述测量回路的输出端与第二切换开关的第二输入端相连接，所述第二切换开关的输出端与混频器的输入端相连接，所述混频器的输出端与测量装置的输入端相连接。
优选地，所述信号发生器的第二信号输出端与混频器的输入端相连接。
优选地，所述测量装置的ADC采样频率设定为信号频率的2倍以上。
优选地，所述测量回路包括若干不锈钢探针，所述不锈钢探针长度为5-15cm。
本发明还公开了一种基于上述测量系统的测量方法，包括以下步骤：
步骤S1：将第一切换开关和第二切换开关的路径切换到校正回路上；
步骤S2：信号发生器生成所需要的测量信号，经过校正回路对信号进行标准处理后，进入混频器和测量装置，并将经过测量后的数据储存在寄存器中用于后续真实测量时的计算；
步骤S3：将测量回路中的不锈钢探针插入到土壤中；
步骤S4：将第一切换开关和第二切换开关的路径切换到测量回路上；
步骤S5：信号发生器生成所需的测量信号并施加到测量回路，然后经过测量探针后进入到混频器和测量装置，由测量装置收集每个频段对应的响应数据；
步骤S6：通过测量装置中的微处理器根据步骤S2所得到的校准数据与响应数据一起计算出对应的当前土壤中的水分含量。
本发明提供了一种土壤水分含量的测量系统及方法。具备以下有益效果：采用了可调信号源对整个频段的响应结果进行扫描，通过整个频段的数据来计算出水分含量，尽可能的减少了其它因素对测量结果的干扰；使用混频器将信号下变频到可以被ADC测量的范围内再进行测量，并通过FFT还原出其幅值及相位等信息，最大程度的提高了信息的利用率；使用了一个镜像的校准回路，通过此校准回路对信号传输路径，信号源的信号进行校准及补偿，降低了对信号源精度的要求，从而在保证精度的基础上降低了传感器的成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1 本发明的结构示意图；
图中标号说明：
1、信号发生器；2、校正回路；3、测量回路；4、混频器；5、测量装置；6、第一切换开关；7、第二切换开关；8、不锈钢探针。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一，如图1所示，一种土壤水分含量的测量系统，包括信号发生器1、校正回路2、测量回路3、混频器4和测量装置5，所述信号发生器1的第一信号输出端与第一切换开关6的输入端相连接，所述第一切换开关6的第一输出端与校正回路2的输入端相连接，所述第一切换开关6的第二输出端与测量回路3的的输入端相连接，所述校正回路2的输出端与第二切换开关7的第一输入端相连接，所述测量回路3的输出端与第二切换开关7的第二输入端相连接，所述第二切换开关7的输出端与混频器4的输入端相连接，所述混频器4的输出端与测量装置5的输入端相连接。所述信号发生器1的第二信号输出端与混频器4的输入端相连接。
在本实施例中，信号发生器1生成50K-150MHz的方波信号，这些信号可以在第一切换开关6和第二切换开关7的控制下进入校正回路2或测量回路3，另外信号源还会产生一路参考信号直接进入混频器4用于信号的下变频；
校正回路2采用精密电阻电容元器件组成，信号发生器1所产生的方波信号经过校正回路2衰减后进入混频器4，通过对校正回路2的测量，可以自动计算分析出信号源以及共有传输路径（如路径选择开关，传输电缆等）的一些特征，这些特征将被用于最终实际测量值的补偿计算；
通过回路校正处理可以大幅度的降低对高精度信号源的依赖，从而大大降低设备的成本；
混频器4根据信号发生器1所产生的另一路参考信号对输入信号进行调制，将被测信号的频率降到500KHz以内以方便使用低成本ADC进行采样；
在本实施例中，测量装置5的ADC采样频率设定为至少为信号频率的2倍，针对每个频段每次采样512或1024点数据，然后将这些采样数据进行FFT变换，提取出真实信号的幅值，频率，相位信息。
在本实施例中，所述测量回路3包括若干不锈钢探针8，所述不锈钢探针8长度为5-15cm。使用时将这些不锈钢探针8插入到土壤中；基于土壤中水分含量与土壤介电常数在一定范围内存在线性关系，当土壤介电常数发生变化时，不锈钢探针8之间的阻抗及容抗会发生变化，从而导致接收端信号幅值及相位的变化。
在对土壤介电常数的测量中，由于不同土壤对不同频段激励信号会产生不同的反应，常规的FDR传感器使用固定的频率来测试信号，必然会导致其测量结果受土壤类型，土壤盐度的影响很大，本发明使用了可调信号源对整个频段的响应结果进行扫描，通过整个频段的数据来计算出水分含量，尽可能的减少了其它因素对测量结果的干扰；
并且常规的FDR传感器使用简易的检波电路将高频测量信号直接转换为直流信号进行测量，从而导致相位等信息的丢失，而这些信息也与介电常数的变化相关；这将会导致了部分信息的丢失，造成测量结果的线性度出现问题；本发明使用混频器4将信号下变频到可以被ADC测量的范围内再进行测量，并通过FFT还原出其幅值及相位等信息，最大程度的提高了信息的利用率；本发明使用了一个镜像的校准回路，通过此校准回路对信号传输路径，信号源的信号进行校准及补偿，降低了对信号源精度的要求，从而在保证精度的基础上降低了传感器的成本。
实施例二，本发明还公开了一种基于上述测量系统的测量方法，包括以下步骤：
步骤S1：将第一切换开关6和第二切换开关7的路径切换到校正回路2上；
步骤S2：信号发生器1生成所需要的测量信号，经过校正回路2对信号进行标准处理后，进入混频器4和测量装置5，并将经过测量后的数据储存在寄存器中用于后续真实测量时的计算；
步骤S3：将测量回路3中的不锈钢探针8插入到土壤中；
步骤S4：将第一切换开关6和第二切换开关7的路径切换到测量回路3上；
步骤S5：信号发生器1生成所需的测量信号并施加到测量回路3，然后经过测量探针后进入到混频器4和测量装置5，由测量装置5收集每个频段对应的响应数据；
步骤S6：通过测量装置5中的微处理器根据步骤S2所得到的校准数据与响应数据一起计算出对应的当前土壤中的水分含量。
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 (5)
1.一种土壤水分含量的测量系统，其特征在于，包括信号发生器（1）、校正回路（2）、测量回路（3）、混频器（4）和测量装置（5），所述信号发生器（1）的第一信号输出端与第一切换开关（6）的输入端相连接，所述第一切换开关（6）的第一输出端与校正回路（2）的输入端相连接，所述第一切换开关（6）的第二输出端与测量回路（3）的的输入端相连接，所述校正回路（2）的输出端与第二切换开关（7）的第一输入端相连接，所述测量回路（3）的输出端与第二切换开关（7）的第二输入端相连接，所述第二切换开关（7）的输出端与混频器（4）的输入端相连接，所述混频器（4）的输出端与测量装置（5）的输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的一种土壤水分含量的测量系统，其特征在于：所述信号发生器（1）的第二信号输出端与混频器（4）的输入端相连接。
3.根据权利要求1所述的一种土壤水分含量的测量系统，其特征在于：所述测量装置（5）的ADC采样频率设定为信号频率的2倍以上。
4.根据权利要求1所述的一种土壤水分含量的测量系统，其特征在于：所述测量回路（3）包括若干不锈钢探针（8），所述不锈钢探针（8）长度为5-15cm。
5.一种基于权利要求1-4任意一种权利要求所述的测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将第一切换开关（6）和第二切换开关（7）的路径切换到校正回路（2）上；
步骤S2：信号发生器（1）生成所需要的测量信号，经过校正回路（2）对信号进行标准处理后，进入混频器（4）和测量装置（5），并将经过测量后的数据储存在寄存器中用于后续真实测量时的计算；
步骤S3：将测量回路（3）中的不锈钢探针（8）插入到土壤中；
步骤S4：将第一切换开关（6）和第二切换开关（7）的路径切换到测量回路（3）上；
步骤S5：信号发生器（1）生成所需的测量信号并施加到测量回路（3），然后经过测量探针后进入到混频器（4）和测量装置（5），由测量装置（5）收集每个频段对应的响应数据；
步骤S6：通过测量装置（5）中的微处理器根据步骤S2所得到的校准数据与响应数据一起计算出对应的当前土壤中的水分含量。
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