CN203824956U - 一种基于频域反射法的管针式土壤含水率检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于频域反射法的管针式土壤含水率检测装置，涉及土壤含水率检测技术领域。以高频信号作为激励信号，根据电磁波传输理论中阻抗匹配的原理，测量高频衰减信号幅值，以反映待测土壤和探头阻抗的变化；同时测量土壤的容积密度和温度，根据含水率与高频衰减信号幅值、温度和容积密度的函数关系或温度和容积密度对含水率的修正方法，精确地获得土壤的含水率。基于该方法的装置包括管针式土壤含水率探头、50Ω同轴连接线、高频信号激励电路、电压检测电路、温度传感器、质量传感器、电源模块、微处理器和显示模块。利用本实用新型可消除土壤温度和容积密度对土壤含水率测量的影响，实现土壤含水率的准确、快速测量，且成本低。
Description
技术领域
本实用新型涉及土壤含水率检测技术领域，特别涉及一种基于频率反射法的管针式土壤含水率检测方法和装置。
背景技术
土壤是农业生产的基本生产资料，也是为农作物提供养分的载体。土壤含水率对于农作物的生长非常重要。首先农作物必须要吸收足够的水分才能满足自身的生长需要；其次，水分将土壤中营养物质溶解成溶液，通过植物根部细胞内外的溶液浓度进行交换，完成营养的吸收；最后，水分的渗透作用可以将人工施加的肥料带入土壤内部，使土壤肥力提高。土壤含水率是了解农田状况以及农作物生长状况的一项重要指标。
目前，土壤含水率检测装置所采用的方法主要有张力计法、电阻法、中子法、射线法、光学法和介电法。相比而言，通过土壤介电特性测量土壤含水率的介电法是一种快速、简单、有效的测量方法。1976年，Topp和Davis首先将时域反射法引入到土壤水分快速测量的研究中，并于1980年应用统计数学中数值逼近理论中的理论分类法找出了土壤含水率与介电常数间的多项式关系的经验方程，并在不同成分、类型的土壤条件下进行了试验，证明具有较高的测量精度。以此为基础，基于介电特性测量土壤含水率的方法得到了广泛的探索和应用。
目前，在国内市场上基于介电法研发的土壤含水率传感器主要有时域反射法（TDR）和频域反射法（FDR）两种。其中时域反射法（TDR）是基于电磁波在不同介质中传播速度不同的原理，根据高频电磁波在土壤中发射波和反射波间的时间差来测定土壤含水率。由于电磁波传播速度很快，导致发射波与反射波的时间差极短，需要超高速延迟测量技术，因此，该技术的成本较高，较难应用于低成本的农业生产中。
频域反射法（FDR）是根据土壤表观介电常数随土壤含水率变化而变化的原理测量土壤含水率。基于频域反射法（FDR）的土壤含水率检测仪器一般在几十到几百兆赫兹范围内工作，可以将介电常数的变化用电压或其他形式表现。频域反射法（FDR）土壤含水率检测仪器的测量结果易受土壤的质地、温度和容重的影响。现有的频域法土壤含水率检测仪通过实验标定和引入温度传感器来克服土壤质地和环境温度的影响，而大多未考虑土壤容重的影响，导致测量精度不高。增加土壤紧实度传感器而设计的复合式土壤含水率传感器对于减小容重影响，提高含水率检测精度有重要的作用，但却使仪器成本增加，而且步进电机的使用又增加了传感器操作的复杂程度。因此，有必要开发快速、低成本、操作简便、精度较高的土壤含水率检测仪。
本实用新型的目的：克服现有技术不足，提供一种基于频域反射法（FDR）土壤水分快速、低成本、操作简便、精度高的测量装置。
本实用新型要解决的技术问题：（1）在频域反射法（FDR）土壤水分测量技术基础上如何同时消除土壤温度、土壤容积密度对测量结果的影响，且测量速度快、操作方便、成本低、精度高；（２）基于频域反射法（FDR），设计一种测量探头及相关的测量辅助系统，实现对土壤水分测量时，能快速、方便、低成本地同时消除温度和容积密度对测量结果的影响，获得较高的测量精度。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种结构简单、操作方便、可以快速测量土壤容积密度的基于频率反射法的管针式土壤含水率检测装置。
该装置包括：管针式土壤含水率探头1、50Ω同轴连接线2、高频信号激励电路3、电压检测电路4、温度传感器5、质量传感器6、电源模块7、微处理器8和显示模块9；
所述管针式土壤含水率探头1包括测量探针10、测量管11和测量手柄12；测量探针10位于测量管11中心，测量探针10和测量管11固定在测量手柄12上；所述温度传感器5嵌入安装于管针式土壤含水率探头1测量管11外侧；所述质量传感器6安装于管针式土壤含水率探头1的测量手柄12下端，质量传感器6的下端面为一个平面，可保证管针式土壤含水率探头（1）及其上附属部件以此平面为支撑倒立站稳；测量手柄12上对称布置有手把19，与管针式土壤含水率探头1、温度传感器５以及质量传感器6相连的电缆20从一侧手把19中心穿出。
所述50Ω同轴连接线2的中心导线的一端与管针式土壤含水率探头1的测量探针10相连，其屏蔽金属网线与管针式土壤含水率探头1的测量管11相连；50Ω同轴连接线2中心导线的另一端连接高频信号激励电路3。
所述高频信号激励电路3包括高频信号发生芯片16、差分处理电路17和放大电路18，用于产生管针式土壤含水率探头1所适用的高频信号。
所述电压检测电路4包括高频滤波13、高频检波14和信号处理15模块，用于检测50Ω同轴连接线2与管针式土壤含水率探头1相连处的高频电压的幅值，以反映待测土壤和探头阻抗的变化；所述温度传感器5和质量传感器6分别用于采集所测土壤样品的温度和质量。
所述微处理器8分别与电压检测电路4、温度传感器5和质量传感器6相连，用于处理电压检测电路4输出信号、温度传感器5输出信号和质量传感器6输出信号，计算土壤含水率。
所述显示模块9与微处理器8相连，用于显示微处理器8输出的土壤含水率计算结果。
所述电源模块7分别与高频信号激励电路3、电压检测电路4、温度传感器5、质量传感器6和微处理器8相连，为它们提供电源。
本实用新型提出的一种基于频域反射法的土壤含水率检测装置的检测方法包括以下步骤：
S1：将管针式土壤含水率探头1插入待测土壤，启动测量；
S2：由高频信号激励电路3产生高频信号，并通过50Ω同轴连接线2将其传输到管针式土壤含水率探头1，由于管针式土壤含水率探头1与50Ω同轴连接线2阻抗不匹配，将产生低于高频信号激励电路3输出电压幅值的高频衰减信号；
S3：电压检测电路4对检测到的高频衰减信号进行高频滤波13、高频检波14和信号处理15，得到未修正土壤含水率信号；
S4：由温度传感器5测量待测土壤的温度，得到土壤温度；
S5：将管针式土壤含水率探头1拔出，管针式土壤含水率探头1利用土壤附着力将待测土壤带出；
S6：将管针式土壤含水率探头1垂直倒立在一个水平面上，测量探针10在上，测量手柄12在下，由质量传感器6测量管针式土壤含水率1和带出土壤总质量，根据土壤质量计算土壤容积密度的方法为：
其中ρ为土壤容积密度，U为质量传感器6的输出信号，m 1为管针式土壤含水率探头及其附属的温度传感器、质量传感器的质量，a为比例系数，V为测量探针10与测量管11之间可容纳土壤区域的体积。
S7：微处理器8根据已建立的土壤含水率与电压、温度和容积密度的函数关系或修正方法以及测得的电压、温度和容积密度计算土壤含水率，并输出到显示模块9显示最终结果。
有益技术效果：
本实用新型的装置利用高频信号发生芯片16产生高频信号作为激励源，根据电磁波传输理论中阻抗匹配的原理，测量50Ω同轴连接线2与管针式土壤含水率探头1相连处的高频电压的幅值，以反映待测土壤和探头阻抗的变化；管针式土壤含水率探头1的电压幅值，可反映待测土壤阻抗变化，获得土壤介电特性，利用温度传感器测量土壤温度，根据质量传感器测得的土壤质量和管针式含水率探头1的测量探针10和测量管11之间可容纳土壤的区域的体积获得土壤的容积密度，利用温度传感器测量土壤的温度，根据实验条件建立的土壤含水率与50Ω同轴连接线2与管针式土壤含水率探头1相连处高频电压的幅值、土壤温度和容积密度的函数关系计算出土壤的含水率或根据温度和容积密度给出含水率的修正方法。利用本实用新型的装置，可同时消除土壤温度和容积密度对土壤含水率测量的影响，实现土壤含水率的准确、快速测量，且成本低。
（１）测量准确。可同时消除土壤温度和容积密度对土壤含水率测量的影响。
（２）测量方便、快速。管针式土壤含水率探头与温度传感器、质量传感器一体化设计，便于现场实时快速完成整个测量过程，获得测量结果。
（３）装置成本低。通过质量传感器获得土壤容积密度，结构简单，成本低廉。
附图说明
图1是本实用新型一种基于频域反射法的管针式土壤含水率检测装置的结构框图；
图2是本实用新型管针式土壤含水率探头及温度传感器、质量传感器配置示意图；
图3是本实用新型电压检测电路的原理框图；
图4是本实用新型高频信号激励电路组成框图；
图5是本实用新型一种基于频域反射法的土壤含水率检测装置流程图。
图中：1、管针式土壤含水率探头；2、50Ω同轴连接线；3、高频信号激励电路； 4、电压检测电路；5、温度传感器；6、质量传感器； 7电源模块；8、微处理器；9、显示模块；10、测量探针；11、测量管；12、测量手柄；13、高频滤波；14、高频检波；15、信号处理；16、高频信号发生芯片；17、差分处理电路；18、放大电路；19、手把 20、电缆。
具体实施方式
下面以实施例并结合附图对本实用新型进行详细的描述，进一步说明本实用新型的目的和特点，但本实用新型的实施方式不局限于此。
本实用新型的理论基础是利用频域反射法检测土壤介电特性来反映土壤含水率。本实施例就是应用该理论测量土壤含水率。本实施例中介质为土壤，管针式土壤含水率检测装置利用高频信号激励电路3产生高频信号，通过50Ω同轴连接线2传输到管针式土壤含水率探头1，利用高频下土壤和管针式土壤含水率探头1的阻抗与50Ω同轴连接线2的阻抗不匹配产生衰减信号，其衰减信号的电压幅度与土壤的介电常数相关，土壤介电常数反映土壤含水率，土壤的温度和容积密度对于衰减信号有一定影响，可以通过拟合方程建立土壤含水率与衰减信号的电压幅值、温度和容积密度的关系，或根据温度和容积密度给出含水率的修正方法，从而利用温度信号、容积密度信号和衰减的电压信号就可得被测土壤精确的含水率。
如图1所示，本实用新型一种基于频域反射法的管针式土壤含水率检测装置的结构框图包括：
高频信号激励电路3，与50Ω同轴连接线2连接后与管针式土壤含水率探头1相接，在高频信号激励电路3产生高频信号经过50Ω同轴连接线2发送到管针式土壤含水率探头1过程中，管针式土壤含水率探头1与50Ω同轴连接线2发生阻抗失配，产生衰减信号。
电压检测电路4，与管针式土壤含水率探头1、50Ω同轴连接线2相连，检测50Ω同轴连接线2与管针式土壤含水率探头1连接处的衰减信号。
温度传感器5，嵌入安装在管针式土壤含水率探头1外侧，测量土壤温度。
质量传感器6，固定在管针式土壤含水率探头1下端，测量土壤样品质量，根据土壤质量和管针式土壤含水率探头1的测量探针10和测量管11之间可容纳土壤区域的体积计算土壤的容积密度。
电源模块7，为高频信号激励电路3、电压检测电路4、温度传感器5、质量传感器6和微处理器8提供不同幅值的交流或直流电源。
微处理器8，接收并处理电压检测电路4、温度传感器5、质量传感器6的输出信号，并进行处理。
显示模块9，接收微处理器8的结果信号，进行显示。
如图2为本实用新型管针式土壤含水率探头１及温度传感器5、质量传感器6配置示意图，采用管针式结构，能够利用土壤附着力将待测土壤带出，包括：测量探针10、测量管11和测量手柄12，测量探针10和测量管11固定在测量手柄12上，测量探针10与测量管11为同心结构，测量探针10与测量管11之间的区域为待测土壤有效测量区域。
所述管针式土壤含水率探头1，测量探针10和测量管11由不锈钢材料制成，测量探针10的半径为3mm，长度为70mm，测量管11内侧直径为30mm，壁厚为1.5mm，长度为70mm。当然，探针半径、测量管半径、管壁厚度和长度不限于以上数值，可根据需要做出改变，以能带出土壤和衰减信号能反映土壤介电特性变化为基准。本实施例中的50Ω同轴连接线2由中心导线和屏蔽金属网线组成，测量探针10与中心导线相连，测量管11与屏蔽金属网线相连。本实例中的测量手柄12以及其上的手把19由环氧树脂PVC材料制成。
温度传感器5，嵌入安装在管针式土壤含水率探头1测量管11的外侧。质量传感器6固定在管针式土壤含水率探头1测量手柄12的下端，质量传感器6的下端面为一个平面，可保证管针式土壤含水率探头（1）及其上附属部件以此平面为支撑倒立站稳。
如图3为本实用新型电压检测电路的原理框图，信号通过高频滤波13进行带通滤波，滤除非测量频率干扰信号，对滤波后的信号通过高频检波14进行高频检波，经信号处理15处理后成为适合微处理器8处理的直流信号。
如图4为本实用新型高频信号激励电路组成框图，由高频信号发生芯片16产生两路互补高频信号，通过差分处理电路17利用差分法将高频信号中干扰进行过滤，通过放大电路18将高频信号放大为适于50Ω同轴连接线2传输和电压检测电路4检测的信号。
本实施例的高频信号发生芯片16选用AD9959DDS芯片，差分处理电路17选择OPA2658放大器作为核心芯片。
如图5所示，本实用新型一种基于频域反射法的土壤含水率检测装置的检测方法为：
将管针式土壤含水率探头1插入待测土壤，启动测量；由高频信号激励电路3产生高频信号，并通过50Ω同轴连接线2将其传输到管针式土壤含水率探头1，由于管针式土壤含水率探头1与50Ω同轴连接线2阻抗不匹配，将产生低于高频信号激励电路3幅值的高频衰减信号；将所述的高频衰减信号输出到电压检测电路4进行高频滤波13、高频检波14和信号处理15，得到原始土壤含水率信号；由温度传感器5测量待测土壤的温度，得到土壤温度；将管针式土壤含水率探头1拔出，管针式土壤含水率探头1利用土壤附着力将待测土壤带出；将管针式土壤含水率探头1垂直倒立在一个水平面上，测量探针10在上，测量手柄12在下，由质量传感器6测量管针式土壤含水率探头1和带出土壤总质量，将质量传感器6输出的质量信号送给微处理器，根据土壤质量和测量探针10与测量管11之间可容纳土壤区域的体积计算土壤的容积密度，由质量传感器信号得到土壤容积密度的方法为：
其中，ρ为土壤容积密度，U为质量传感器信号，m 1为管针式土壤含水率探头质量，a为比例系数，V为测量探针10与测量管11之间可容纳土壤的体积。
通过实验条件下对土壤含水率与衰减的电压信号的幅值、土壤温度、土壤容积密度拟合建模，得到四者之间的函数关系方程。应用微处理器8实现函数关系方程的运算，得到土壤含水率测量结果，输出到显示模块9显示最终结果，或根据建立的温度和容积密度对土壤含水率的修正方法，对不考虑温度和容积密度影响下得到的土壤含水率进行修正，进而得到准确的土壤含水率，由显示模块9显示最终结果。
根据上述装置，以杨凌地区的塿土为对象，在实验室条件下，测得该测量装置测量土壤的绝对误差为-0.129~0.016g/cm3。
实验表明，土壤质量含水率、土壤容重和温度以及高频信号激励电路3输出的信号源的频率均对管针式土壤含水率探头1上探针端的信号电压（即未修正土壤含水率信号）有明显的影响。对建立的50、100和150MHz下，未修正土壤含水率信号与土壤质量含水率、温度和土壤容重的数学模型的方差分析说明，150MHz所建模型优于50和100MHz的数学模型，该模型为：
（150MHz下所建模型）
式中：R v ——信号电压比，为未修正土壤含水率信号电压与高频信号激励电路3输出端电压的比值，在试验中高频信号激励电路3输出端电压为恒定值，；m- w ——土壤质量含水率，单位为%；ρ——土壤容重，单位为g/cm3；T——土壤温度，单位为℃。
根据该模型，应用牛顿迭代法和Matlab2010b软件编写依据温度、容重和信号电压比计算土壤质量含水率的程序，即可得到所测土壤的含水率。
在5-50℃，土壤含水率2.58%～21.43%内，经验证，该模型的决定系数R2=0.8496。验证实验说明，依据该模型计算的信号电压比与实际电压比的绝对误差范围为-0.166~0.159，平均绝对误差为0.0432；根据已知的信号电压比、温度和容重计算的土壤含水率与实际土壤含水率的绝对误差范围为-3.440%~4.039%，平均绝对误差为1.237%。
需要指出的是：上述实施例仅为说明本实用新型的技术方案而非限制；此外图例对本实施例进行了详细的说明，本领域的相关人员应当理解，根据本实用新型的具体实施方案所采取的任何变形，均不脱离本实用新型技术方案的精神和权利要求记载的范围。
Claims (1)
1.一种基于频域反射法的管针式土壤含水率检测装置，其特征在于，包括管针式土壤含水率探头（1）、50Ω同轴连接线（2）、高频信号激励电路（3）、电压检测电路（4）、温度传感器（5）、质量传感器（6）、电源模块（7）、微处理器（8）和显示模块（9）；
所述管针式土壤含水率探头（1）包括测量探针（10）、测量管（11）和测量手柄（12）；测量探针（10）位于测量管（11）中心，测量探针（10）和测量管（11）固定在测量手柄（12）上；所述温度传感器（5）嵌入安装于管针式土壤含水率探头（1）测量管（11）外侧；所述质量传感器（6）安装于管针式土壤含水率探头（1）的测量手柄（12）下端，质量传感器（6）的下端面为一个平面，可保证管针式土壤含水率探头（1）及其上附属部件以此平面为支撑倒立站稳；测量手柄（12）上对称布置有手把（19），与管针式土壤含水率探头（1）、温度传感器（５）以及质量传感器（6）相连的电缆（20）从一侧手把（19）中心穿出；
所述50Ω同轴连接线（2）的中心导线的一端与管针式土壤含水率探头（1）的测量探针（10）相连，其屏蔽金属网线与管针式土壤含水率探头（1）的测量管（11）相连；50Ω同轴连接线（2）中心导线的另一端连接高频信号激励电路（3）；
所述高频信号激励电路（3）包括高频信号发生芯片（16）、差分处理电路（17）和放大电路（18），用于产生管针式土壤含水率探头（1）所适用的高频信号；
所述电压检测电路（4）包括高频滤波（13）、高频检波（14）和信号处理（15）模块，用于检测50Ω同轴连接线（2）与管针式土壤含水率探头（1）相连处的高频电压的幅值，以反映待测土壤和探头阻抗的变化；所述温度传感器（5）和质量传感器（6）分别用于采集所测土壤样品的温度和质量；
所述微处理器（8）分别与电压检测电路（4）、温度传感器（5）和质量传感器（6）相连，用于处理电压检测电路（4）输出信号、温度传感器（5）输出信号和质量传感器（6）输出信号，计算土壤含水率；
所述显示模块（9）与微处理器（8）相连，用于显示微处理器（8）输出的土壤含水率计算结果；
所述电源模块（7）分别与高频信号激励电路（3）、电压检测电路（4）、温度传感器（5）、质量传感器（6）和微处理器（8）相连，为它们提供电源。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103592338A (zh) * | 2013-11-20 | 2014-02-19 | 西北农林科技大学 | 一种基于频域反射法的管针式土壤含水率检测方法和装置 |
| CN106770505A (zh) * | 2016-12-23 | 2017-05-31 | 沈阳巍图农业科技有限公司 | 一种基于介电谱的土壤原位养分速测方法 |
| CN112014433A (zh) * | 2020-09-29 | 2020-12-01 | 吉林大学 | 一种利用土壤电导率对秸秆混埋均匀度进行检测的装置 |
| CN115144539A (zh) * | 2022-06-29 | 2022-10-04 | 西安元智系统技术有限责任公司 | 一种含水率测量的温度补偿方法 |
-
2013
- 2013-11-20 CN CN201320734342.7U patent/CN203824956U/zh not_active Expired - Lifetime
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103592338A (zh) * | 2013-11-20 | 2014-02-19 | 西北农林科技大学 | 一种基于频域反射法的管针式土壤含水率检测方法和装置 |
| CN106770505A (zh) * | 2016-12-23 | 2017-05-31 | 沈阳巍图农业科技有限公司 | 一种基于介电谱的土壤原位养分速测方法 |
| CN112014433A (zh) * | 2020-09-29 | 2020-12-01 | 吉林大学 | 一种利用土壤电导率对秸秆混埋均匀度进行检测的装置 |
| CN115144539A (zh) * | 2022-06-29 | 2022-10-04 | 西安元智系统技术有限责任公司 | 一种含水率测量的温度补偿方法 |
| CN115144539B (zh) * | 2022-06-29 | 2024-09-24 | 西安元智系统技术有限责任公司 | 一种含水率测量的温度补偿方法 |
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Granted publication date: 20140910 Effective date of abandoning: 20160720 |
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