CN1719245A - 一种同步实时测量土壤水分与电导率的方法及传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于介电理论、基于频域方法的同时测量土壤水分与电导率的方法及传感器。本发明基于探针导纳计算方法的数学模型，采用多频率导纳分解法直接测量探头的导纳，进而分解探头导纳的实部与虚部，通过探头导纳实部与介电损耗的关系得出介质电导率，探头导纳虚部与介电常数的关系得出介质含水率；温度检测一方面提供介质基本的温度信息，同时可用来校准温度对电导率的影响。本发明具有能够分解各参数相互间的影响、测量精度高、能够连续输出测量结果、电导率测量范围大、传感器结构紧凑等优点，可广泛用于农田作业或研究等。

Description

一种同步实时测量土壤水分与电导率的方法及传感器

技术领域

本发明涉及一种测量土壤水分与电导率的方法及传感器，尤其涉及一种基于介电理论、基于频域方法的同时测量土壤水分与电导率的方法及传感器。

背景技术

土壤水是保证农作物生长的命脉，土壤中所发生的一系列反应，能量与物质交换均与水分有关，它直接关系着作物产量与品质。土壤电导率是另一个重要的土壤物理参数，它是土壤盐分，水分，有机质含量，土壤质地结构等的综合反映，对于农田作业，环境污染等研究与应用有着相当重要的作用。当前相关的传感背景技术从三个方面介绍：

一、基于介电理论的土壤水分快速测量

当前实时测量土壤含水率主要手段是基于介电物理方法。例如TDR(TimeDomain Reflectrometer)，FD(Frequency Decomposition)。从本质上看这些测量方法都是根据已知土壤相对介电常数(Permitivitity)在3～5之间，空气相对介电常数为1，水的相对介电常数为80，通过测量土壤—水—空气混合物质的介电常数间接确定土壤含水率。主要有TDR和FD两种方法。

自从加拿大学者Dr.Topp应用TDR方法测量土壤水分并提出著名的Topp公式后，TDR测量土壤水分逐步成为土壤水分测量的主要方式。TDR方法是测量电磁波沿着插入含水土土壤探针的传输时间来估计土壤的含水率。入射的电磁波有两种形式，一种是阶跃信号，以Tecktronic公司的1502型电缆测试仪和SoilMoisture公司的Trase土壤水分测试仪为主要代表；另外一种是针型脉冲，在结构上相对简单，以德国IMKO公司的TRIME土壤水分测试仪为代表，主要特点是：

1.测量精度高，特别是阶跃信号方式；

2.测量范围：0-100％；

3.实现难度大，价格高；

4.一次测量需要较长的时间，至少20秒。

FD方法是测量一定频率下插入含水土壤探头导纳来确定含水土壤的介电常数，进而估计土壤水分。传统的电容法、SWR法是两种典型的传感电路方式。FD方法的主要特点：

1.测量精度相对低，受盐分影响大，但成本低，性能也能够满足大多数的应用需求；

2.FD方法的探头结构灵活，便于根据实际需要确定探头几何结构，如针式，环式与锥式都有应用；

3.现有传感方法的实时性好，能够输出连续信号。

二、土壤电导率的快速测量方法

专用于土壤电导率测量的方法主要有四端法与电磁感应法。四端法的测量原理、数学模型与实际应用已经相对成熟，商品化的产品有定点式的EC-PROBE土壤盐度计与车载式Veris 3000(Veris Technol.，Salina，KS)。电磁感应法的代表产品是EM38(Geonics Limited，Mississauga，ON，Canada)。车载式的Veris3000与EM38各有优缺点，EM38在使用前需要用户进行全面的标定过程，空气温度，湿度等环境的变化都会影响测量的稳定度。相反，Veris 3000系统包括所有必要的组成，使用前不需要用户标定，操作也很简单，然而EM38系统很轻，只需要少的动力并有可能采集湿或软的土壤信息。

三、土壤含水率与电导率同时测量方法的研究现状

土壤含水率与电导率同时测量方法目前主要有三种，分别是：TDR分解法；FD定频率分解法；自从Topp(1980)发表了用TDR测土壤水分及著名Topp公式后，Dalton(1984)首先进行了基于TDR方法的土壤水分盐分同时测量实验研究。基本方法是通过发射的阶跃信号沿着插入土壤探头的传输过程来测量的。一方面通过传输时间来测量土壤的水分，另外一方面通过电磁波的幅度衰减来估计土壤的电导率。荷兰Hilhorst在固定频率下利用同步检波技术测量探头端口导纳的幅值与相角进而同时获取土壤水分、电导率。这两种方法均存在如下不足：

1.在高电导率的条件下，TDR方法因为信号衰减过大，无法测量土壤水分；而FD定频率分解法则因为相角太小，无法准确得到水分与电导率。

2.不能连续输出信号，TDR一次测量需要1分钟左右，而FD定频率分解法至少需要30秒。

3.探头结构主要是针式，还没有其它结构的应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有FD方法测量土壤水分受电导率的影响与电导率测量受水分影响的不足，提出一种同步实时测量土壤水分、电导率的多频率导纳分解的方法；还提出一种具有土壤水分、电导率测量范围大，探头适应性强，能够连续输出信号的测量传感器，同时该传感器集成温度检测功能，一方面提供土壤基本的温度信息，同时用来校准温度对电导率的影响。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种同步实时测量土壤水分与电导率的方法，该方法通过同步测量两个频率下的探头导纳幅值，进而分解探头导纳的实部与虚部，利用探头导纳实部与介电损耗的关系得出土壤电导率，探头导纳虚部与介电常数的关系得出土壤含水率，实现土壤水分、与电导率的实时测量，消除两者间相互影响，提高每个参数的测量精度。该方法包括以下步骤：

1.用至少两种频率信号发生器实时发出信号，经过各自的取样元件与带通滤波器，在探头处混合，受探头导纳特性影响后的混合信号再经过各自的带通滤波器返回；

2.从不同频率取样元件两端检波；

3.检波后的信号经过模数转换，存储数据；

4.对采集到的信号进行处理，采用多频率频域分解法分解探头导纳的实部和虚部；

5.通过探头导纳实部与介电损耗的关系，得出土壤电导率值；通过探头导纳虚部与介电常数的关系，得出土壤含水率。

一种同步实时测量土壤水分与电导率的传感器，包括：多频率导纳测量电路，与之相连接的探头和温度敏感元件14。

所述探头结构采用针式探头，如图1(a)、(b)所示，图中外围探针相连，为地极，中间针为激励极，形成一端口网络，其阻抗用Z_L表示，针的长短，间距可以根据应用调节；所述探头结构还可以是其它典型结构的探头，如锥式探头或环式探头。所述探头与土壤或其它多孔介质接触，感应土壤的介电特性。土壤介电特性的不同引起探头端口导纳的变化；所述探头阻抗Z_L可用如图2所示的电导G、电容C并联电路等效；其中，电导G反映土壤的介电损耗，直接与土壤电导率相关；C反映土壤的介电常数，直接于土壤水分相关。

所述的多频率导纳测量电路，如图3所示，包括：至少两个不同频率信号发生源，第一信号发生源Sw1和第二信号发生源Sw2分别与探头Z_L相连接，上述三者的另一端是共同接地的；第一精密取样元件Zr1和第二精密取样元件Zr2分别处于第一信号发生源Sw1和第二信号发生源Sw2所在的电路；更具体地说，第一精密取样元件Zr1串联在第一信号发生源Sw1和探头Z_L之间，第二精密取样元件Zr2串联在第二信号发生源Sw2和探头Z_L之间；第一特定频率带通滤波器Fw1串联在第一信号发生源Sw1、第一精密取样元件Zr1和探头Z_L所在的电路中；第二特定频率带通滤波器Fw2串联在第二信号发生源Sw2、第二精密取样元件Zr2和探头Z_L所在的电路中；更具体地说，第一特定频率带通滤波器Fw1串联在第一精密取样元件Zr1和探头Z_L之间；第二特定频率带通滤波器Fw2串联在第二精密取样元件Zr2和探头Z_L之间；在第一精密取样元件Zr1和第二精密取样元件Zr2的两端分别有两个检波电路10来提取信号，所述检波电路10与A/D转换器11、信号分解芯片12、数字接口输出电路13顺序连接；该多频率导纳测量电路通过测量两个特定频率的下探头导纳幅值来分解G与C，进而分解出土壤水分与电导率。

所述信号分解芯片12包括一微处理器(CPU)，该微处理器的串行接口用作数据输出与参数输入接口。

所述检波电路10由检波二极管、低通滤波电路串联组成，把交流信号幅值转化为直流信号。

所述A/D转换器11也可与微处理器集成，把检波输出的直流信号转化为数字信号。

所述精密取样元件Zw1和Zw2根据频率的不同可采用合适阻值的电阻、电容、电感或其组合。

所述特定频率带通滤波器Fw1和Fw2是采用电容、电感与电阻实现的无源带通滤波器，在通过频率为W1或W2的信号时，相应的特定频率带通滤波器Fw1或Fw2没有衰减，而对其它频率特别是双频中的另外一个频率信号衰减为0，从而实现W1和W2频率测量电路物理上直接连接与信号上相互隔离，不需要开关切换，能够连续输出信号。

所述温度敏感元件采用PN极、热敏电阻、热电偶或铂电阻，把被测土壤的温度信息通过AD转换器11传递给信号分解芯片12，一方面用来消除温度对电导率的影响，同时提供土壤的温度信息。

该传感器的工作过程如下：

当土壤水分或电导率发生变化时，精密取样元件Zw1和Zw2两端信号幅度随之改变，四路信号幅值经过检波电路进入A/D转换器11变为相应的数字信号，信号分解芯片12运用分解算法处理四路数字信号，得出探头等效电路参数电阻R、电容C，信号分解芯片12融合温度敏感元件的温度检测信号，通过数字接口输出电路13输出土壤水分、电导率与温度；其中，微处理器的程序流程如图4所示。

本发明的测量对象除土壤外，也可为温室生产中应用的基质、建筑中应用的沙石或混凝土、农业生产的颗粒状产品等多孔介质。

与现有技术相比，本发明的优点主要包括：

(1)能够同时测量水分、电导率与温度三参数信号，并分解相互间的影响，提高各自测量精度；

(2)能够连续输出测量结果；

(3)电导率测量范围大；

(4)内嵌微处理器，实现探头、电路、信号处理一体化，结构紧凑。

附图说明

图1为本发明传感器针式结构探头；

图2为探头阻抗Z_L等效电路模型；

图3为本发明传感器的电路原理图；

图4为本发明微处理器程序流程图

图5为本发明w1频率对应等效电路原理图；

图6为本发明w1频率对应简化等效电路原理图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明的理论基础为基于探针导纳计算方法的数学模型，采用多频率导纳分解法直接测量探头的导纳，进而分解探头导纳的实部与虚部，通过探头导纳实部与介电损耗的关系得出多孔介质电导率，探头导纳虚部与介电常数的关系得出多孔介质含水率。同时温度检测一方面提供多孔介质基本的温度信息，同时可用来校准温度对电导率的影响。本发明的分解算法通过测量原理的描述来方面。本发明的测量原理描述如下：

土壤等多孔介质的复介电常数ε可表示为：

                  ε＝ε′-jε″                               (1)

这里，复介电常数的实部ε′反映了总体的离子极化。对于含水土壤，空气的ε′为1，相应的水分ε′为80左右，固体物质为3-5。因此ε′可以用来测量土壤水分。

复介电常数的虚部ε″是总体的能量消耗，包括介电损耗ε_d″和离子电导引起的损耗关系如下：

${\mathrm{\ϵ}}^{\′\′}={\mathrm{\ϵ}}_d^{\′\′}+\frac{\mathrm{\σ}}{\mathrm{\ω}{\mathrm{\ϵ}}_0}\·\·\·\left(2\right)$

式中，σ是含水土壤的离子电导，ω是外电场的角频率，ε₀为真空下的介电常数，等于8.85×10^-12F/m。

在电路上不同结构探头可等效为电容C与电阻R(或电导G)的并联，如图2所示.等效阻抗Z_L或导纳Y为：

$Z_L=\frac{1}{Y}=\frac{1}{\mathrm{jwC}+G}\·\·\·\left(3\right)$

由电路理论存在下列关系式：

                  Y＝jωεε₀k                                 (4)

其中，k为几何系数，它取决于测量传感器的几何形状，由标定确定。

把公式(1)带入公式(4)得到：

                  Y＝ωε″ε₀k+jωε″ε₀k                    (5)

公式(3)与公式(5)比较可得：

${\mathrm{\ϵ}}^{\′}=\frac{C}{{\mathrm{\ϵ}}_{0}k}\·\·\·\left(6\right)$

${\mathrm{\ϵ}}^{\′\′}=\frac{G}{\mathrm{\ω}{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\κ}}\·\·\·\left(7\right)$

实际应用中一般用土壤原位电导率σ_b表示，即：

${\mathrm{\σ}}_b=\frac{G}{\mathrm{\κ}}\·\·\·\left(8\right)$

从上述介电测量理论分析可知，只要能够测量出介电探头的等效电容与电阻值，便能获取含水土壤复介电常数的ε′与ε″，进而得到土壤的含水率与电导率。

如图3所示的测量原理图中，对W1频率信号分析，电路可以简化为图5所示，其中Z12是Fw2带通滤波器在w1频率下对应的阻抗；当频率W1与W2相差较大时，Z12与探头阻抗相比明显大，可以忽略，电路进一步简化为如图6所示。W1频率下，探头阻抗与检波电压的关系：

$\left|Z_{\mathrm{Lw}1}\right|=\frac{1}{|\mathrm{jw}1*C+G|}=\frac{\left|Z_{r1}\right|*V_{w12}}{V_{w11}-V_{w12}}\·\·\·\left(9\right)$

式中，|Z_r1|是取样阻抗的模值，V_w11，V_w12是检波电路输出的测量点信号的幅值。去除绝对值号后得到：

$G^2+{\mathrm{wl}}^2*C^2={\left(\frac{V_{w11}-V_{w12}}{\left|Z_{r1}\right|*V_{w12}}\right)}^2\·\·\·\left(10\right)$

同理对W2频率分析，可得：

$G^2+{w2}^2*C^2={\left(\frac{V_{w21}-V_{w22}}{\left|Z_{r2}\right|*V_{w22}}\right)}^2\·\·\·\left(11\right)$

式中，|Z_r2|是取样阻抗的模值，V_w21，V_w22是检波电路输出的测量点信号的幅值。

公式(10)与(11)相减得到：

$C=\sqrt{\frac{{\left(\frac{V_{w11}-V_{w12}}{\left|Z_{r1}\right|*V_{w12}}\right)}^2-{\left(\frac{V_{w21}-V_{w22}}{\left|Z_{r2}\right|*V_{w22}}\right)}^2}{{w1}^2-{w2}^2}}\·\·\·\left(12\right)$

把式(12)带回到式(10)得到：

$G=\sqrt{{\left(\frac{V_{w11}-V_{w12}}{\left|Z_{r1}\right|*V_{w12}}\right)}^2*\frac{{w2}^2}{{w1}^2-{w2}^2}+{\left(\frac{V_{w21}-V_{w22}}{\left|Z_{r2}\right|*V_{w22}}\right)}^2*\frac{{w1}^2}{{w1}^2-{w2}^2}}...\left(13\right)$

由于电导率受温度的影响十分明显，一般可用式(14)描述：

${\mathrm{EC}}_s={\mathrm{\σ}}_b*f\left(t\right)=\frac{G}{\mathrm{\κ}}*f\left(t\right)\·\·\·\left(14\right)$

式中ECs表示25℃下的土壤电导率，f(t)是温度影响函数。因此为了把不同环境温度下的电导率转化为标准25℃对应的电导率，本发明集成了温度测量功能。

在上述测量原理分析的基础上，给出一种硬件的具体实施方式。

本实施例的同步实时测量土壤水分与电导率的传感器，特别是测量土壤水分与电导率的传感器，包括：多频率导纳测量电路，与之相连接的探头和温度敏感元件14。

探头结构采用典型的针式探头，如图1(a)所示，图中外围三个探针相连，为地极，中间针为激励极，形成一端口网络，其阻抗用Z_L表示，针的长短，间距还可以根据应用调节；测量时，探头插入土壤或其它多孔介质接触，感应土壤的介电特性，土壤介电特性的不同引起探头端口导纳的变化；探头阻抗Z_L用如图2所示的电导G、电容C并联电路等效；其中，电导G反映土壤的介电损耗，直接与土壤电导率相关；C反映土壤的介电常数，直接于土壤水分相关。

所述的多频率导纳测量电路，如图3所示，包括：两个不同频率的第一信号发生源Sw1和第二信号发生源Sw2分别与探头Z_L相连接，上述三者的另一端是共同接地的；第一精密取样元件Zr1串联在第一信号发生源Sw1和探头Z_L之间，第二精密取样元件Zr2串联在第二信号发生源Sw2和探头Z_L之间；第一特定频率带通滤波器Fw1串联在第一精密取样元件Zr1和探头Z_L之间；第二特定频率带通滤波器Fw2串联在第二精密取样元件Zr2和探头Z_L之间；在第一精密取样元件Zr1和第二精密取样元件Zr2的两端分别有两个检波电路10来提取信号，所述检波电路10与A/D转换器11、信号分解芯片12、数字接口输出电路13顺序连接；该多频率导纳测量电路通过测量两个特定频率的下探头导纳幅值来分解G与C，进而分解出土壤水分与电导率。其中，信号源S_W1和S_W2分别提供100MHz和150Hz的频率信号，作为W1和W2，如此大频率差异，有利于带通滤波器的实现与算法分解，同时实现两对输出信号的尽可能的正交，简化分解过程，提高测量精度。高频信号W1主要对水分变化敏感，而低频信号W2主要对电导率的变化敏感。Zr1选择精度较高的电感与电容并联，Zr2由于频率低，选用精密电阻。特定频率带通滤波器F_W1和F_W2选用由常规电路组成的π型无源带通滤波器，检波电路10采用检波二极管与RC低通滤波器实现。A/D转换器11与信号分解芯片12复合，采用智能CPU实现，该芯片内置24位A/D转换器。数字接口输出电路13为标准或TTL电平RS232串口，485接口或SDI-12接口。温度敏感元件14采用热敏二极管，输出模拟信号也通过24位A/D转换器11变为数字量，标定后精度达到±0.3℃，即提供了土壤的温度信息，同时作为电导率的补偿参数。CPU的程序流程如图4所示。

以上器件均采用市场所售的常规芯片或模块。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：对本发明电路或方法进行修改或者等同替换，如用增加或改变测量频率、用开关切换代替带通滤波，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1、一种同步实时测量土壤水分与电导率的方法，包括以下步骤：

1)用至少两种频率信号发生器实时发出信号，经过各自的取样元件与带通滤波器，在探头处混合，受探头导纳特性影响后的混合信号再经过各自的带通滤波器返回；

2)从不同频率取样元件两端检波；

3)检波后的信号经过模数转换，存储数据；

4)对采集到的信号进行处理，分解探头导纳的实部和虚部；

5)通过探头导纳实部与介电损耗的关系，得出待测介质的电导率值；通过探头导纳虚部与介电常数的关系，得出待测介质的含水率。

2、一种同步实时测量土壤水分与电导率的传感器，包括：探头及与之相连的测量电路；

其特征在于，所述测量电路是一多频率导纳测量电路，该多频率导纳测量电路包括至少两个不同频率的信号发生源。

3、根据权利要求2所述的同步实时测量土壤水分与电导率的传感器，其特征在于，所述的多频率导纳测量电路，包括：至少两个不同频率的第一信号发生源(Sw1)和第二信号发生源(Sw2)分别与所述探头(Z_L)相连接，上述三者的另一端共同接地；第一精密取样元件(Zr1)和第二精密取样元件(Zr2)分别串联于第一信号发生源(Sw1)和第二信号发生源(Sw2)所在的电路；第一特定频率带通滤波器(Fw1)串联在第一信号发生源(Sw1)、第一精密取样元件(Zr1)和探头(Z_L)所在的电路中；第二特定频率带通滤波器(Fw2)串联在第二信号发生源(Sw2)、第二精密取样元件(Zr2)和探头(Z_L)所在的电路中；在第一精密取样元件(Zr1)和第二精密取样元件(Zr2)的两端分别有两个检波电路(10)来提取信号，所述检波电路(10)与A/D转换器(11)、信号分解芯片(12)、数字接口输出电路(13)顺序连接。

4、根据权利要求2或3所述的同步实时测量土壤水分与电导率的传感器，其特征在于，还包括一温度敏感元件(14)与所述多频率导纳测量电路相连接。

5、根据权利要求4所述的同步实时测量土壤水分与电导率的传感器，所述温度敏感元件(14)采用PN极、热敏电阻、热电偶或铂电阻把被测土壤的温度信息通过A/D转换器(11)传递给信号分解芯片(12)。

6、根据权利要求3所述的同步实时测量土壤水分与电导率的传感器，其特征在于，所述信号分解芯片(12)包括一微处理器。

7、根据权利要求3所述的同步实时测量土壤水分与电导率的传感器，其特征在于，所述检波电路(10)由检波二极管、低通滤波电路串联组成。

8、根据权利要求3所述的同步实时测量土壤水分与电导率的传感器，其特征在于，所述第一精密取样元件(Zw1)和第二精密取样元件(Zw2)采用电阻、电容、电感或其组合。

9、根据权利要求3所述的同步实时测量土壤水分与电导率的传感器，其特征在于，所述第一特定频率带通滤波器(Fw1)和第二特定频率带通滤波器(Fw2)是采用电容、电感与电阻实现的无源带通滤波器，在通过第一频率或第二频率的信号时，相应的特定频率带通滤波器对该频率信号没有衰减，而对其它频率特别是双频中的另外一个频率信号衰减为0。

10、根据权利要求6所述的同步实时测量土壤水分与电导率的传感器，其特征在于，所述A/D转换器(11)与所述微处理器集成。

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