CN202351206U

CN202351206U - 一种土壤湿度探测器

Info

Publication number: CN202351206U
Application number: CN 201120470456
Authority: CN
Inventors: 李洋; 安勇; 牟荣增; 阎跃鹏
Original assignee: SUZHOU MORDO INTERNET OF THINGS TECHNOLOGY Co Ltd; Kunshan Industrial Technology Research Institute Co Ltd
Current assignee: SUZHOU MORDO INTERNET OF THINGS TECHNOLOGY Co Ltd; Kunshan Industrial Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2011-11-23
Filing date: 2011-11-23
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2021-11-23

Abstract

一种土壤湿度探测器，该土壤湿度探测器依据驻波率法原理进行探测，包括振荡激励源、同轴传输线、探针结构、信号处理电路和数据处理器。该土壤湿度探测器设计了特殊的圆形钢圈等角度4探针结构，测量结果可以通过液晶屏实时显示，同时可以从数字总线接口获得实时测量结果。其中液晶显示和数字总线接口是可选组件，增强了应用的灵活性。在较低成本的前提下，采用圆形钢圈等角度4探针结构可以获得较高精度的测量结果。

Description

一种土壤湿度探测器

技术领域

本实用新型涉及土壤湿度探测领域，尤其是一种使用驻波率法进行探测的土壤湿度探测器。

背景技术

随着精准农业、花卉培养、育苗等新兴产业逐步发展壮大，对植物生长环境实行精确监测的重要性也越来越大。土壤水分是一切植物生长的基本条件，因此上述产业的大力发展要求长期监测和及时获取田间的土壤水分空间分布信息，这导致土壤水分的实时快速测定成为精准农业、花卉培养领域的关键技术之一。同时，土壤水分测量也是传统的水利、林业、生态领域实现节水抗旱、墒情检测、定量灌溉的重要技术手段。因此对高精度、高响应速度的土壤水分传感器的需求也越来也迫切。

目前比较成熟的土壤湿度(土壤含水量)的检测方法主要有时域反射法(TDR)、频域反射法(FDR)和驻波率法(SWR)。TDR技术通过测量插入土壤中的探针发出的电磁波在土壤中的传播时间来实现土壤湿度的测量，FDR技术通过探针感应电磁波在土壤中的传导和衰减来分析土壤湿度，SWR技术则是通过电磁波在传输线上的驻波形状来感应土壤阻抗并进一步得到土壤湿度。

TDR土壤湿度测量仪可以实现实时测量、精度高，但是TDR涉及高速电信号分析，技术主要被欧美国家垄断，实现难度大，价格昂贵，例如美国进口的一套TDR测量仪价格在2万美元左右。FDR技术虽然相对TDR来说简单一些，但是目前在国内也主要依赖进口，因此其售价也高达数千美元。而SWR技术实现相对简单，在目前国内的市场上的售价大概在1000元人民币左右，对于科研应用和小批量测试点来说可以满足要求，但是其价格仍然不适合大规模推广，而且目前市场上的SWR产品无法独立工作，往往需要和外接系统配合使用才能获得测量结果，而且大多采用直线型3探针结构，这种结构导致其测量区域为直线，所以其测量误差相对较大。

因此，有必要设计一种独立工作、液晶显示、数字输出的土壤湿度检测器。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的一个目的在于，提出一种利用驻波原理，结构简单，成本低廉且具有高精度、实时采集、实时显示、实时数字输出的土壤湿度探测器。

根据本实用新型的目的提出的一种土壤湿度探测器，包括振荡激励源、同轴传输线、探针结构、信号处理电路和数据处理器，所述同轴传输线的一端与振荡激励源的信号发射端连接，该同轴传输线的另一端与探针结构相连；所述信号处理电路具有两个信号接收端，该两个信号接收端分别连接同轴传输线的两端；所述数据处理器的输入端连接信号处理电路的输出端；所述探针结构包括圆形钢圈和4个探针，该4个探针的其中三个等角度的分布在所述圆形钢圈的圆周上，剩余一个设置于所述圆形钢圈的圆心处。

优选的，该土壤湿度探测器还包括液晶显示器，连接于所述数据处理器的输出端。

优选的，该土壤湿度探测器还包括数字总线接口，连接于所述数据处理器的输出端。

优选的，所述信号处理电路包括检波和整流模块，以及差分放大模块。

本实用新型的土壤湿度探测器设计了特殊的圆形钢圈等角度4探针结构，采用驻波率法进行土壤湿度测量，测量结果可以通过液晶屏实时显示，同时可以从数字总线接口获得实时测量结果。其中液晶显示和数字总线接口是可选组件，增强了应用的灵活性。在较低成本的前提下，采用圆形钢圈等角度4探针结构可以获得较高精度的测量结果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本实用新型的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型的土壤探测器模块示意图；

图2是本实用新型的探针结构示意图。

具体实施方式

土壤中主要由水、固体、空气等三种成分组成，由于水的介电常数相对空气、固体来说比较大，从而土壤阻抗主要由土壤中含水量所决定。当带有传输线的探针插入土壤后，土壤将变为传输线的负载，所以由传输线理论可以知道传输线上形成驻波后其反射系数将由土壤阻抗和传输线特性阻抗决定。同时根据驻波特性可以推导出，传输线两端的电压差与反射系数成正比，所以只要测得传输线两端电压差，就可以得到相应的土壤湿度信息。简单来看，本实用新型土壤湿度检测器是通过测量反射系数来确定土壤含水量的，又由于反射系数与驻波率直接相关，所以常称这种方法为驻波率法

正如背景技术中提到的，依据驻波率法设计的土壤湿度探测器，其成本要比使用时域反射法或频域反射法的土壤湿度探测器更加低廉，同时使用起来也更加简单和方便。然而现有的驻波率法土壤湿度探测器，其探针结构多为三探针直线并排设置的结构，这种探针结构导致其测量区域为直线，所以其测量误差相对较大。另外现有的土壤湿度探测器需要和外接系统配合使用才能获得测量结构，没有办法实现即时显示测量结果的功能，因此给使用者带来了一定的麻烦。

因此，本实用新型提出一种依据驻波率法设计的土壤湿度探测器，该土壤湿度探测器设置了一种圆形钢圈等角度4探针结构，使得探针与土壤的接触区域形成一个圆柱面，加大了有效的测量区域，使测量结果更为精确。同时本实用新型的土壤湿度探测器，内部集成了能将采集到的电信号转换成土壤湿度值的数据处理器，并可以在该数据处理器的输出终端加装液晶显示器或者数字总线接口，不仅能通过液晶显示器直观的获得土壤湿度信息，还不影响配合其他外接系统进行土壤的科学探测，使土壤湿度探测器的应用更具灵活性。

下面将以具体实施方式对本实用新型的土壤探测器做详细介绍。

请参见图1，图1是本实用新型的土壤探测器模块示意图。如图所示，该土壤湿度探测器10，包括振荡激励源11、同轴传输线12、探针结构13、信号处理电路14和数据处理器15。

所述振荡激励源11为一种高频信号发生器，这种高频信号发生器能发出10MHz至100MHz的高频振荡信号。该高频振荡信号作为入射波入射到同轴传输线12中。

所述同轴传输线12包括外层绝缘层、外层导电层、介质层和内层导电层。该同轴传输线12的一端与振荡激励源11的信号发射端连接，该同轴传输线12的另一端与探针结构13相连。振荡激励源11产生的具有固定频率的高频振荡信号加载到同轴传输线12的一端，经过同轴传输线12传输至探针处，在探针结构13和待测土壤16共同构成的负载端处形成反射波，该反射波和高频振荡信号构成的入射波在同轴线上叠加形成驻波。特别的，当该同轴传输线12的长度等于四分之一波长时，驻波的波峰与波谷正好在同轴传输线12的两端。

所述信号处理电路14具有两个信号接收端，该两个信号接收端分别连接同轴传输线12的两端。具体的，该信号处理电路14包括检波和整流模块，以及差分放大模块。所述检波和整流模块用以将同轴传输线12两端传出的交流信号整流成直流信号，然后传输给差分放大模块，并经差分放大模块的调零和放大后，产生一直流电压信号输出。

所述数据处理器15的输入端连接信号处理电路14的输出端，该数据处理器15接收上述差分直流电压信号后，依据存储在内部的计算法则，将该直流电压信号换算成一土壤单位体积内的含水量信息值。该内部的计算法则可以是依据一标定的多项式计算公式，也可以是一对应的标准数据对照表格。该数据处理器15可以是微型计算机(Micro Control Unit；MCU)，也可以是其它具有数据处理能力的单片机。

该数据处理器15的输出端，可以接上一液晶显示器17，该液晶显示器17能够直接显示由上述数据处理器15计算得到的土壤湿度信息，这样可以让使用人员以直读的方式直接获得土壤湿度值，方便使用。

该数据处理器15的输出端，也可以接上一数字总线接口18，比如232或485数字总线接口，通过该数字总线接口18与其他外接设备相连，将土壤湿度信息通过该数字总线结构18传输到外接设备上，以配合这些外接设备实现特定的功能。

请参照图2，图2是本实用新型的探针结构示意图。如图所示，本实用新型的探针结构13包括圆形钢圈130和4个探针131、132、133、134，其中探针131、132、133等角度的分布在所述圆形钢圈130的圆周上，探针134设置于所述圆形钢圈130的圆心处。通过这种等角度的分布，在探针131、132、133与探针134之间形成圆柱面式的交互空间。这样当探针结构13插入到待测土壤中时，其有效的测量区域135(图中虚线包围的区域)将会是由4个探针形成的圆柱区域，相比较3探针直线式排布，本实用新型的探针结构大大提高了探测区域，使得测量的结果更加精准。

值得一提的是，除了本实用新型指出的圆形钢圈等角度4探针结构，其他比如5个探针或5个以上探针，也能组成与本实用新型相类似的探针结构，只是4探针结构在制作难度以及成本等综合因素方面是一种较佳的实施方式。

请参见表1，表1是利用本实用新型的土壤湿度探测器进行土壤湿度探测是测试结果图。

表1产品测试结果

从表1的测试方式为，土壤湿度从0到50％之间间隔5％进行测量，通过和标准测试仪的测量结果进行对比发现，测量范围内的误差均在2％以内，在测量精度方面取得了比较好的效果。

另外，本实用新型的响应时间在0.5s以内，达到了比较好的效果。

在成本方面，在包含了液晶显示器以及数字总线接口的情况下，本实用新型的土壤湿度探测器的成本仍能控制在70元以内，可以实现比较低的价格。

综上所述，本实用新型提出了一种土壤湿度探测器，该土壤湿度探测器设计了特殊的圆形钢圈等角度4探针结构，采用驻波率法进行土壤湿度测量，测量结果可以通过液晶屏实时显示，同时可以从数字总线接口获得实时测量结果。其中液晶显示和数字总线接口是可选组件，增强了应用的灵活性。在较低成本的前提下，采用圆形钢圈等角度4探针结构可以获得较高精度的测量结果。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种土壤湿度探测器，其特征在于：包括振荡激励源、同轴传输线、探针结构、信号处理电路和数据处理器，所述同轴传输线的一端与振荡激励源的信号发射端连接，该同轴传输线的另一端与探针结构相连；所述信号处理电路具有两个信号接收端，该两个信号接收端分别连接同轴传输线的两端；所述数据处理器的输入端连接信号处理电路的输出端；所述探针结构包括圆形钢圈和4个探针，该4个探针的其中三个等角度的分布在所述圆形钢圈的圆周上，剩余一个设置于所述圆形钢圈的圆心处。

2.如权利要求1所述的土壤湿度探测器，其特征在于：还包括液晶显示器，连接于所述数据处理器的输出端。

3.如权利要求1所述的土壤湿度探测器，其特征在于：还包括数字总线接口，连接于所述数据处理器的输出端。

4.如权利要去1所述的土壤湿度探测器，其特征在于：所述信号处理电路包括检波和整流模块，以及差分放大模块。