CN202002900U - 基于相位检测的土壤水分、电导率测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于相位检测的土壤水分、电导率测量仪，包括：信号发生器，环行器，延时器，相位检测器，检波器、模数转换器、传播时间计算器、反射系数计算器、水分计算器以及电导率计算器。本实用新型其使用单一频率的正弦信号代替阶跃信号，将入射信号和反射信号的相位差转换为与之成正比的直流电压信号，通过测量直流电压信号即可得到电磁波在探头的传播时间；将参考信号和反射信号进行整流，分别获取其电压幅值并进行模数转换，通过标定可进一步得到土壤含水量和电导率。由于没有采用昂贵的快速阶跃信号发生器和高频采样示波器技术，大大降低了仪器的成本和技术难度，其技术性能与国外同类仪器相当，但价格仅为国外产品的50％。

Description

基于相位检测的土壤水分、电导率测量仪

技术领域

本实用新型涉及测量技术领域，特别涉及一种基于相位检测原理的土壤水分、电导率测量仪。

背景技术

近年来土壤学的研究结果表明，土壤电导率这一参数本身包含了反映土壤品质和物理性质的丰富信息。例如，土壤中盐分、水分及有机质含量，土壤压实度、质地结构和孔隙率等都不同程度地影响着土壤电导率的改变。在以上诸因素中，土壤盐分和含水率对电导率的影响明显大于其他各因素，借助于测量土壤电导率评价农作物的生长环境，是当前发达国家精细农作研究的热点之一。传统的实验室测定土壤电导率的方法虽然精确，但过程繁琐，给工程实践带来不便。由于土壤溶液中溶质的浓度与电导率成线性关系，而在含水量一定的条件下，土壤体电导和土壤的溶液电导存在线性关系，因此可直接用土壤的体电导率来确定溶质的含量及迁移，但在含水量变化较大的情况下，土壤体电导率与含水量密切相关，直接用土壤的体电导来指示溶质的含量就很困难，将测定的土壤含水量与土壤体导电率结合起来，通过体电导和溶液电导之间的关系来确定物质的迁移具有很大的意义。

时域反射仪(TDR)是新近发展起来的一种测定土壤含水率的方法，其主要优越性是在测试土壤水分过程中可不破坏土壤原状结构，操作简便，并可直接读取土壤含水量，便于原位动态监测，做到讯息转换而达到数据自动采集的目的，因而很快为人们所接受。Topp和Davis于1975年首次将TDR技术用于土壤水分测量的研究。TDR土壤水分测量的根本依据是电磁波沿探针传播的速度与探针周围土壤 的介电常数的平方根成反比，因此可以根据电磁波传播的速度来测量土壤的介电常数。Topp依此方法测得了土壤中气-固-液混合物的介电常数ε，进而利用数值回归分析方法找出了不同类型土壤的含水量与介电常数之间的经验公式：

θ＝-5.3×10^-2+2.92×10^-2ε-5.5×10^-4ε²+4.3×10^-6ε³    (1)

其中θ为土壤体积含水量，ε为土壤表观介电常数。

通过大量的理论和实验研究证明了基于TDR方法的土壤水分和电导率测试仪能够满足快速测量的实时性要求，可是对土壤这种复杂的多孔介质对象，虽然含水量θ的变化能够显著地导致介电常数ε的变化，但在传感器探针几何长度受到限制的条件下，由气-固-液混合物介电常数ε引起的入射-反射时间差ΔT却仅仅是10^-9秒数量级。若要对如此短的滞后时间进行准确测量，从无线电测量技术的角度来看难度极大，基于传统方法TDR土壤水分和电导率测试仪器成本相应很高。

TDR土壤水分测试仪一般由阶跃信号发生器、同轴传输线、土壤水分探头及高频采样示波器组成等部分组成，如图1所示，其中，1-RS-232通讯口，2-同步发生器，3-脉冲发生器，4-采样示波器，5-50Ω同轴电缆，6-探头；高频脉冲产生器(pulse generator)发出1000MHz的高频脉冲，并将其通过50Ω的同轴传输线(50Ωcoaxial cable)传输到探针(probe)，由于同轴传输线与探针阻抗不匹配，有一部分电磁波在探针与传输线连结处沿同轴传输线反射回来，剩余的电磁波继续沿探针传输到探针的另一端，由于探针与土壤的阻抗不匹配又造成电磁波的再次反射。两次反射之间的时间是电磁波沿探针传输时间的两倍。两次反射之间的时间可由高频示波器(sampling oscilloscope)来测量显示。传输时间可表示为：

t＝2Lε^0.5/c    (2)

式中：t——两次反射之间的时间(s)；L——探头的长度(m)

ε——介质(土壤)的介电常数；c——电磁波在真空中的传播速度(3×10⁸m/s)

由此可得出介质的介电常数ε：

ε＝[ct/(2L)]²            (3)

式中(ct/2)称为探头的“表观”长度。令L_a＝ct/2则：

ε＝(L_a/L)²               (4)

土壤电导率与信号反射率及土壤含水量有关。

目前仅少数发达国家掌握了设计制造TDR土壤水分测试仪所需的高速采样示波器、窄上升沿阶跃信号发生器、高频高精度时间基准等技术。而这些国家对我国采取严格的技术出口限制措施，使我国无法获得必需的尖端电子部件和芯片，因此我国还不能制造传统的TDR土壤电导测试仪。我国生产和科研单位使用的TDR仪主要从美国和加拿大等国进口，单机价格约一万美元，成套设备价格为几万美元，由于我国尚无此产品，进口价格比生产国本地价格高出许多。因厂家在国外，缺乏完善的维修和配件供应服务，出现故障后往往不得不返回原厂家进行维修，影响监测的连续性。所以，研制开发拥有我国自主知识产权的TDR土壤电导率测试仪具有重要的理论意义与实用价值。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型要解决的技术问题是克服现有TDR土壤水分测量技术中电磁波在传感器探头上传播时间难于精确测量而导致的研发难度大以及测量设备成本昂贵等缺陷。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案提供了一种基于相位检测的土壤水分、电导率测量仪，包括：

信号发生器，分别向环行器和延时器输出具有相同频率、幅度和 初相位的高频正弦检测信号vt和参考信号vr；

环行器，通过同轴电缆和阻抗变换器向待测土壤内的传感器探头输出所述检测信号vt，分离出经传感器探头末端反射回来的反射信号vt并分别输出给相位检测器和检波器；

延时器，使所述信号发生器输出的参考信号vr的传输时间产生延时后输出给相位检测器；

相位检测器，将所述延时器输出的参考信号vr与所述环行器输出的反射信号vt之间的相位差转化为与之成比例的直流电压信号，输出给模数转换器；

检波器，对所述延时器输出的参考信号vr和所述环行器输出的反射信号vt进行整流，分别获取其电压幅值Vr和Vt并输出给模数转换器；

微处理器，与所述相位检测器和检波器相连，对其输出的信号进行处理，根据需要计算待测土壤含水量和/或电导率。

其中，所述延时器为延时电缆。

其中，所述阻抗变换器为阻抗变换电路。

(三)有益效果

本实用新型的基于相位检测的土壤水分、电导率测试仪没有采用传统TDR技术的快速阶跃信号发生器和高频采样示波器技术，大大 降低了成本。其技术性能与国外同类仪器相当，土壤水分测量精度达到3％，土壤电导率均方根误差小于0.05ds/m(土壤含水量低于饱和含水量)，但价格仅为国外产品的50％。

附图说明

图1是现有技术的TDR土壤水分测试仪的原理图；

图2是根据本实用新型的基于相位检测的土壤水分、电导率测量仪(P-TDR)的结构图。

具体实施方式

本实用新型提出的基于相位检测的土壤水分、电导率测量仪，结合附图和实施例说明如下。

如图2所示为根据本实用新型的基于相位检测的土壤水分、电导率测量仪的结构图，由图中可以看出，该测量仪包括：

信号发生器，其与环行器和延时器相连，生成高频正弦信号后分别向环行器和延时器输出检测信号vt和参考信号vr，其中，vt和vr为具有相同频率、幅度和初相位的高频正弦信号；由此，使用单一频率的正弦信号代替传统的阶跃信号；

环行器，其与信号发生器、阻抗变换器、相位检测器和检波器相连，检测信号vt通过同轴电缆、阻抗变换器后进入待测土壤中的传感器探头，并在探头端部产生反射，此后，环行器将探头端部的反射信号vt与入射信号相分离，并将分离出的反射信号vt输出给相位检测器和检波器；其中，阻抗变换器可以为阻抗变换电路；

延时器，其与信号发生器、相位检测器和检波器相连，使来自信号发生器的参考信号vr的传输时间发生延时后输出给相位检测器，具体地，延时器的延时时间正好为检测信号vt在环行器、同轴电缆和阻抗变换器上的传输时间；其中，延时器可以为延时电缆；

相位检测器，其与环形器、延时器以及微处理器相连，将延时器输出的参考信号vr与环行器输出的反射信号vt之间的相位差转化为与 之成比例的直流电压信号，输出给微处理器中的模数转换器进行模数转换；由此，使用相位检测方法代替了传统的高速采样示波器方法；

检波器，其与延时器、环形器以及微处理器相连，对延时器输出的参考信号vr和环行器输出的反射信号vt进行整流，分别获取其电压幅值Vr和Vt并输出给微处理器中的模数转换器进行模数转换；

微处理器：其与相位检测器和检波器相连，对其输出的信号进行处理，根据需要计算待测土壤含水量和/或电导率；进一步地，其包括：

模数转换器，对所述相位检测器和检波器输出的信号进行模数转化并分别输出给传播时间计算器和反射系数计算器；

传播时间计算器，根据模数转换器输出的相位差值计算检测信号vt在所述传感器探头上的传播时间t；

反射系数计算器，根据模数转换器输出的电压幅值Vr和Vt计算信号反射系数ρ＝Vt/Vr；

水分计算器，根据所述传播时间t和预先标定的含水量标定公式计算得到待测土壤含水量θ；

电导率计算器，根据所述含水量θ、所述反射系数ρ以及预先标定的电导率标定公式计算得到待测土壤电导率σ。

由于环行器、同轴电缆和阻抗变换器对信号的衰减很小，可忽略不计，则反射系数ρ反映了信号在沿传感器探头传播时由土壤的介质损耗和传导电流引起的信号衰减，而土壤介质的介电常数又与土壤体积含水量有关，因此反射系数ρ与土壤含水量θ、土壤电导率σ满足一定的函数关系，该函数关系可通过标定试验事先确定下来；电导率计算器根据反射系数ρ和该标定公式即可计算出土壤电导率；因此，微处理器中还包括：

存储器，存储有事先通过标定试验获得的表征传播时间t与土壤含水量θ之间函数关系的标定公式以及表征反射系数ρ和土壤电导率 σ以及含水量θ之间函数关系的标定公式。

其中，优选地，所述传感器探头为不锈钢材质的平行三棒式探头，通过阻抗变换器或其他设置使其与同轴电缆的特征阻抗值相匹配，从而减少信号在探针首端的反射，进而提高测量精度。

其中，上述信号发生器、环行器、延时器、相位检测器、检波器均可以通过相应电路、芯片、电缆等硬件实现，其分别为本领域公知技术，在此不作详述。

其中，上述微控制器内嵌入的程序为可以按照本实用新型的测量仪的工作流程执行相应操作的软件。

本实施例的基于相位检测的土壤水分、电导率测量仪的工作原理如下：高频正弦信号发生器输出频率、幅度和初相位完全一致的测试信号(vt)和参考信号(vr)；如图2中虚线所示为测试信号vt的传播路径，点线所示为参考信号vr的传播路径；具体地，vt经环行器、同轴电缆和阻抗变换电路进入传感器探头并在探头末端产生反射，环行器将反射信号分离出来送入相位检测器和检波器；同时，vr经延时电缆延时后也被送入相位检测器和检波器，其延时时间应正好等于vt在环行器、同轴电缆和阻抗变换电路上的传输时间；相位检测器将反射信号和参考信号之间的相位差转换为与之成比例的直流电压信号后送入微处理器；微处理器根据相位差计算出电磁波在探针上的传播时间，再根据事先设置的标定公式计算出土壤含水量；检波器对vr和vt进行整流，得到vr和vt的电压幅值Vr和Vt，这两个电压幅值经A/D变换后送入微处理器计算信号的反射系数ρ(＝Vt/Vr)；根据事先设定的标定公式即可计算出土壤电导率。

在一个具体实施例中，上述含水量标定公式为：θ＝-3.1363t³+24.016t²-60.442t+50.15，其中，θ-容积含水量m³/m³，t-信号传播时间ns。

在一个具体实施例中，上述土壤电导率标定公式为σ＝(1468θ²- 531.76θ+75.474)(ρ-1)²。

以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (3)

1.一种基于相位检测的土壤水分、电导率测量仪，其特征在于，包括：

信号发生器，分别向环行器和延时器输出具有相同频率、幅度和初相位的高频正弦检测信号vt和参考信号vr；

环行器，通过同轴电缆和阻抗变换器向待测土壤内的传感器探头输出所述检测信号vt，分离出经传感器探头末端反射回来的反射信号vt并分别输出给相位检测器和检波器；

延时器，使所述信号发生器输出的参考信号vr的传输时间产生延时后输出给相位检测器；

相位检测器，将所述延时器输出的参考信号vr与所述环行器输出的反射信号vt之间的相位差转化为与之成比例的直流电压信号，输出给模数转换器；

检波器，对所述延时器输出的参考信号vr和所述环行器输出的反射信号vt进行整流，分别获取其电压幅值Vr和Vt并输出给模数转换器；

微处理器，与所述相位检测器和检波器相连，对其输出的信号进行处理，根据需要计算待测土壤含水量和/或电导率。

2.如权利要求1所述的基于相位检测的土壤水分、电导率测量仪，其特征在于，所述延时器为延时电缆。

3.如权利要求1所述的基于相位检测的土壤水分、电导率测量仪，其特征在于，所述阻抗变换器为阻抗变换电路。 

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