CN201413299Y

CN201413299Y - 一种土壤水分测试系统

Info

Publication number: CN201413299Y
Application number: CN2009201058184U
Authority: CN
Inventors: 冯炜; 纪奕才; 方广有
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2009-02-19
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2019-02-19

Abstract

一种土壤水分测试系统，其特征在于，主要由系统控制电路、同步触发电路、脉冲发生电路、传感器探头、步进电路和A/D采集电路组成，其中：系统控制电路分别连接同步触发电路、步进电路和A/D采集电路；同步触发电路分别连接脉冲发生电路和步进电路；脉冲发生电路连接传感器探头；A/D采集电路分别连接步进电路和传感器探头。本实用新型能够快速连续测定土壤体积含水量，使用范围广测试精度高。

Description

一种土壤水分测试系统

技术领域

本实用新型属于土壤水分探测技术领域，具体地涉及一种基于时域反射技术的土壤水分测试装置。

背景技术

时域反射仪(TDR)技术是一种工作于时域脉冲体制下的时域电磁探测系统，它涉及到电磁波理论、传输线理论、瞬态信号检测和处理技术及土壤学等多门学科。

时域反射仪土壤水分测试方法由国外在上世纪六七十年代提出，通过测试土壤样品的表观介电常数，进而反演土壤体积含水量。时域反射仪发射一个快速上升沿的测试脉冲，通过测定脉冲在TDR传感器上传播的准确时间，测试土壤的介电常数，反演土壤的体积含水量。该方法具有快速、准确、无辐射、不破坏土壤样品和连续原位测定等优点，因此得到了广泛应用。

要准确测定土壤体积含水量，要求TDR系统需要有高性能的发射机和接收机。TDR发射机需要产生具有高速上升沿的测试脉冲，接收机要准确反映接收端的真实信号，需要精确的等效采样步进。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于时域反射技术的土壤水分测试系统，该系统具有方便、快速、无放射性污染及精度高的优点。

为实现上述目的，本实用新型提供的土壤水分测试系统，主要由系统控制电路、同步触发电路、脉冲发生电路、传感器探头、步进电路和A/D采集电路组成，其中：

系统控制电路分别连接同步触发电路、步进电路和A/D采集电路；

同步触发电路分别连接脉冲发生电路和步进电路；

脉冲发生电路连接传感器探头；

A/D采集电路分别连接步进电路和传感器探头。

所述的土壤水分测试系统中，系统控制电路由主控制单元和输入输出界面组成；其中：主控制单元控制同步触发电路和步进电路的工作，同时存储和传输由模数转换单元转换出的数据；输入输出界面主控制单元与上位机0控制系统的通讯。

所述的壤水分测试系统中，同步触发电路由计数器和晶振组成；其中：晶振产生本地时钟，该时钟用于计数器计数；计数器通过计算时钟，产生同步触发脉冲。

所述的土壤水分测试系统中，步进电路由可编程数字延时线和快慢斜波比较单元组成；其中：可编程数字延时线由主控制单元控制；可编程数字延时线产生较大的步进延时量，经过延时的脉冲进入快慢斜波比较单元；快慢斜波比较单元由主控单元控制，通过改写数模转换芯片上的数字量产生慢斜波，实现准确的小步进延时量。

所述的土壤水分测试系统中，脉冲发生电路产生的脉冲信号经同轴电缆传输到传感器探头，脉冲信号在传感器探头末端产生反射，反射信号经由同轴线传输到A/D采集电路。

所述的土壤水分测试系统中，传感器探头为介入式形式。

本实用新型的积极效果和优点：

本实用新型基于时域反射技术的土壤水分测试系统，能够产生具有140ps上升沿的测试脉冲，等效步进时间8.69ps，因此能够测定土壤的体积含水量，该系统相比于其它同功能的水分测试仪具有方便、快速、无放射性污染及精度高的优点，能够发展我国农田节水灌溉普及，推动我国数字化信息化农业的快速发展。

附图说明

图1为本实用新型TDR土壤水分测试仪原理框图；

图2为本实用新型系统控制电路原理框图；

图3为本实用新型系统同步触发电路原理框图；

图4为本实用新型传感器探头结构图；

图5为本实用新型步进电路原理框图；

图6为本实用新型A/D采集电路原理框图；

图7为本实用新型采样单元的电路组成图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本实用新型的理解，而对其不起任何限定作用。

本实用新型研制出基于时域反射仪技术测试原理的土壤水分测试系统，该系统可以应用于土壤相对介电常数和土壤体积含水量的测量。

TDR土壤水分测试系统如图1所示，该系统主要包括：系统控制电路1、同步触发电路2、脉冲发生电路3、传感器探头4、步进电路5和A/D采集电路6。

同步触发电路2、步进电路5和A/D采集电路6都受系统控制电路1控制。系统控制电路1向同步触发电路2发送计数使能信号，同步触发电路开始计数。系统控制电路1写入步进电路5的数字量，控制步进量。A/D采集电路采集在传感器探头4上的信号幅度，并将到的数字量发送给系统控制电路1，系统控制电路将数字量储存；当采样完成后，系统控制电路将数字量发送到上位机。

图2为系统控制电路1原理框图，包括：主控单元11，输入输出界面12。采用的具体结构是：

主控单元11负责控制计数器21、可编程数字延时线51、快慢斜波比较单元52和模数采集单元64的工作。主控单元11写入计数器21计数使能和相应的计数量；主控单元11写入可编程数字延时线51和快慢斜波比较单元52延时量；主控单元控制A/D采集电路6的工作状态，存储A/D转化后的数据；

输入输出界面12负责与上位机0的通信，传输数据。

图3为系统同步触发电路2原理框图，是由计数器21和晶振22组成。来自系统控制电路1的控制信号控制计数器21的工作状态。主控单元11在打开计数使能后，写入计数量，计数器21开始时钟计数。当计数到写入的计数量值后，输出触发脉冲，该脉冲触发步进电路5和脉冲发生电路3，脉冲发生电路3在触发后，产生一个具有快速上升沿的测试脉冲，该测试脉冲经同轴电缆传导到传感器探头4，用于土壤测试。

图4为传感器探头4的结构图，该传感器探头的探针固定在底座44上，本实用新型的传感器探头可以采用三个探针41、42、43，其中中间探针43接同轴电缆线的内芯，探针41和42接同轴电缆线的外皮。

图5为步进电路5的组成框图，包括：可编程数字延时线51和快慢斜波比较单元52。主控单元通过更改写入可编程数字延时线51和快慢斜波比较单元52中的DA的数字量实现延时。步进电路5通过可编程数字延时线51用于实现较大时延，单位数字量对应时延量是5ns；通过快慢斜波比较单元52用于实现较小单位时延，单位数字量对应时延量是8.69ps。由同步触发电路产生的同步脉冲先经可编程数字延时线51延时，延时后的脉冲进入斜波比较单元52，在斜波比较单元52中生成快斜波，该快斜波与由主控单元控制的慢斜波相比较，产生ps级步进。主控单元通过不断改写快慢斜波比较单元52中DA的数字量，实现基本采样步进，当DA中数字量由0增加到3453后归零，即由斜波比较单元实现30ns延时；当DA值归零后，主控单元将可编程数字延时线51数字量加写6，实现30ns跨接，开始下一30ns采样步进。由此通过可编程数字延时线51和快慢斜波比较单元52共同产生等效步进效果，产生采样步进脉冲，该脉冲触发采样脉冲产生单元61。

图6本实用新型A/D采集电路原理框图，该部分主要包括：采样脉冲产生单元61、采样单元62、保持放大单元63和模数转换单元64。

采样脉冲产生单元61接收来自步进电路5的步进脉冲，产生窄脉冲，该脉冲用于触发采样单元62；采样单元62把采样脉冲产生单元产生的窄脉冲变换成正负脉冲对，用于打开采样头；采样单元62采集到的信号经过保持放大单元63后，进入模数转换单元64进行模数转换；模数转换单元64将转换完成的数字量发送到主控单元11存储。

图7为采样单元62的电路组成图。该电路为二极管桥式取样电路：来自61的取样脉冲信号经过变压器T变换为正负脉冲信号对，高速二极管D1～D4分别在正负脉冲信号的触发下导通，对同轴电缆上的模拟信号进行取样，取样后信号送往保持放大单元63。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所公开的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本实用新型的权利要求范围之内。

Claims

1、一种土壤水分测试系统，其特征在于，主要由系统控制电路、同步触发电路、脉冲发生电路、传感器探头、步进电路和A/D采集电路组成，其中：

同步触发电路分别连接脉冲发生电路和步进电路；

脉冲发生电路连接传感器探头；

A/D采集电路分别连接步进电路和传感器探头。

2、根据权利要求1所述的土壤水分测试系统，其特征在于，所述系统控制电路由主控制单元和输入输出界面组成；其中：主控制单元控制同步触发电路和步进电路的工作，同时存储和传输由模数转换单元转换出的数据；输入输出界面主控制单元与上位机0控制系统的通讯。

3、根据权利要求1所述的壤水分测试系统，其特征在于，所述同步触发电路由计数器和晶振组成；其中：晶振产生本地时钟，该时钟用于计数器计数；计数器通过计算时钟，产生同步触发脉冲。

4、根据权利要求1所述的土壤水分测试系统，其特征在于，所述步进电路由可编程数字延时线和快慢斜波比较单元组成；其中：可编程数字延时线由主控制单元控制；可编程数字延时线产生较大的步进延时量，经过延时的脉冲进入快慢斜波比较单元；快慢斜波比较单元由主控单元控制，通过改写数模转换芯片上的数字量产生慢斜波，实现准确的小步进延时量。

5、根据权利要求1所述的土壤水分测试系统，其特征在于，所述脉冲发生电路产生的脉冲信号经同轴电缆传输到传感器探头，脉冲信号在传感器探头末端产生反射，反射信号经由同轴线传输到A/D采集电路。

6、根据权利要求1所述的土壤水分测试系统，其特征在于，所述传感器探头为介入式形式。