CN206515281U - 一种基于介电常数的土壤含水量测定装置 - Google Patents

一种基于介电常数的土壤含水量测定装置 Download PDF

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代亚平
沈星如
花旭
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Abstract

本实用新型涉及一种基于介电常数的土壤含水量测定装置，它包括脉冲发生器，所述脉冲发生器与脉冲分配器相连，所述脉冲分配器同时与高频示波器和三端口环形器相连，所述三端口环形器通过同轴电缆与探针相连，所述三端口环形器同时与高频示波器相连。此装置能够精确的测量土壤的含水量。

Description

一种基于介电常数的土壤含水量测定装置
技术领域
本实用新型涉及到电子技术、传感技术和农业科学等领域。
背景技术
水分是土壤的重要组成部分，一方面它影响着土壤的物理特性，在土壤养分的溶解和转移以及大部分的微生物的活动方式上起着制约作用，另一方面它也是植物生存生长的关键条件。我国是农业大国，测定土壤水分有着非常重要的意义。
目前农田土壤水分的直接测定法主要有烘干法，间接测定法有中子法、张力计法和介电法等。介电法以其测量精度高、时间短、非破坏性、无放射性等优点成为了当前应用最为广泛的技术。
实用新型内容
本实用新型所要解决的问题是采用一种基于介电常数的土壤含水量测定装置，此装置能够精确的测量土壤的含水量。
为了解决上述技术问题，本实用新型提出以下技术方案：一种基于介电常数的土壤含水量测定装置，它包括脉冲发生器，所述脉冲发生器与脉冲分配器相连，所述脉冲分配器同时与高频示波器和三端口环形器相连，所述三端口环形器通过同轴电缆与探针相连，所述三端口环形器同时与高频示波器相连。
所述脉冲发生器发出电磁脉冲的频率范围为：1MHz～1000MHz。
所述探针采用多根，选用的材料为不锈钢材料，其长度不小于10cm，在测量过程中探针插入到待测量土壤内部。
所述同轴电缆的阻抗为50Ω，所述脉冲发生器发出的电磁脉冲为100MHz 的高频脉冲。
本实用新型有如下有益效果：
电磁脉冲在同轴电缆中的传输速度与电缆周围环境或接触材料的介电常数有关。介电常数越大，速度越低。当电磁脉冲在同轴线中传输时，传输线和探针的阻抗不匹配，使一部分电磁波沿线路反射回去，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。两次反射的时间差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来测量显示，根据电磁波在探针中往复传播的时间，可以根据公式计算出土壤的含水量。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
图1为本实用新型整体结构示意图。
图2为本实用新型工作原理示意图。
图3为本实用新型三端口环形器信号流向示意图。
图中：脉冲发生器1、脉冲分配器2、高频示波器3、三端口环形器4、同轴电缆5、探针6。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的实施方式做进一步的说明。
如图1-3，一种基于介电常数的土壤含水量测定装置，它包括脉冲发生器1，所述脉冲发生器1与脉冲分配器2相连，所述脉冲分配器2同时与高频示波器3 和三端口环形器4相连，所述三端口环形器4通过同轴电缆5与探针6相连，所述三端口环形器4同时与高频示波器3相连。
进一步的，所述脉冲发生器1发出电磁脉冲的频率范围为：1MHz～1000MHz。
进一步的，所述探针6采用多根，选用的材料为不锈钢材料，其长度不小于 10cm，在测量过程中探针6插入到待测量土壤内部。
进一步的，所述同轴电缆5的阻抗为50Ω，所述脉冲发生器1发出的电磁脉冲为100MHz的高频脉冲。
实施例2：
本实施例适用于电磁脉冲的频率范围为：1MHz～1000MHz(一般为100 MHz)。其测试操作：由脉冲发生器1发出频率为100MHz的脉冲信号，通过脉冲分配器2分别传输到高频示波器3和三端口环形器4，通过高频示波器3可以知道电磁脉冲是否发射成功，通过三端口环形器4的脉冲信号继续传输到同轴电缆5，由于同轴电缆5与探针的阻抗不匹配，一部分脉冲信号会发生反射，反射回来的脉冲信号通过三端口环形器4传送到高频示波器3，剩余的脉冲信号继续沿探针传6播，到达探针6末端全部反射回来，再次通过三端口环形器4传送到高频示波器3，由高频示波器3来测量显示两次反射回来的电磁波的时间差。根据高频示波器3测得电磁波在土壤中来回传播的时间，利用电磁波在土壤中传播速率的衰减及电磁波在金属探针末端的反射，用高频示波器测得电磁波在土壤中来回传播的时间，通过式(1)计算得到土壤的相对介电常数ε：
式中：c为电磁波在真空中的传播速度，c＝3×108m/s；t为电磁波来回传播的时间，s；L为探针长度，cm。电磁波在各点的反射很明显，可以很准确地计算出t，从而可用式(1)计算出介电常数ε。
利用不同种类土壤含水量与介电常数间的多项式关系,计算得到待测土壤的含水率θ，
θ＝-5.3×10-2+2.92×10-2ε-5.5×10-4ε2+4.3×10-6ε3 (2)
式中：ε为介电常数，θ为土壤含水率。
本发明的工作原理是:脉冲发生器发出电磁波，通过脉冲分配器把脉冲信号分为两路，一路信号发送到高频示波器，可以判断脉冲是否发送成功，另一路信号发送到三端口环形器，通过环形器将脉冲信号传输到同轴电缆，当电磁脉冲在同轴线中传输时，传输线和探针的阻抗不匹配，使一部分电磁波沿线路反射回去，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。两次反射回来的电磁波都将通过三端口环路器传输到高频示波器，由高频示波器来测量显示两次放射回来的电磁波的时间差。根据高频示波器测得电磁波在土壤中来回传播的时间,通过式(1)计算得到土壤的相对介电常数ε,再利用不同种类土壤含水量与介电常数间的多项式关系(2)计算得到待测土壤的含水量θ。
通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改都在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的未尽事宜，属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (4)

1.一种基于介电常数的土壤含水量测定装置，其特征在于：它包括脉冲发生器（1），所述脉冲发生器（1）与脉冲分配器（2）相连，所述脉冲分配器（2）同时与高频示波器（3）和三端口环形器（4）相连，所述三端口环形器（4）通过同轴电缆（5）与探针（6）相连，所述三端口环形器（4）同时与高频示波器（3）相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于介电常数的土壤含水量测定装置，其特征在于：所述脉冲发生器（1）发出电磁脉冲的频率范围为：1MHz~1000 MHz。
3.根据权利要求1所述的一种基于介电常数的土壤含水量测定装置，其特征在于：所述探针（6）采用多根，选用的材料为不锈钢材料，其长度不小于10cm，在测量过程中探针（6）插入到待测量土壤内部。
4.根据权利要求1所述的一种基于介电常数的土壤含水量测定装置，其特征在于：所述同轴电缆（5）的阻抗为50Ω，所述脉冲发生器（1）发出的电磁脉冲为100MHz的高频脉冲。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108548853A (zh) * 2018-03-26 2018-09-18 西安交通大学 一种强结构性土体持水特征曲线瞬态快速测试仪器及方法
CN109374692A (zh) * 2018-11-29 2019-02-22 中国水利水电第七工程局有限公司 一种基于介电特性的混凝土拌合物传感器测量频率优选方法
CN113227773A (zh) * 2018-12-19 2021-08-06 斯派克特罗姆公司 用于使用导引电磁场确定不均匀样本的区域阻抗特性的方法

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