CN211318251U - 一种时域反射土壤水分的测试系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种时域反射土壤水分的测试系统，属于电子测试领域。包括高频信号源、信号分离电路、采样电路、探针。高频信号源产生的脉冲信号经过信号分离电路后分成两路信号，一路信号传送至采样电路，另一路信号传送至探针，探针前端开路。信号在探头前端处发生反射，反射信号经由信号分离电路传送至采样电路。通过两路信号的差值量计算出待测土壤的含水量。本实用新型测试系统对土体扰动小、能够快速、准确、原位连续测量，电路结构简单、元器件少、成本较低。
Description
技术领域
本实用新型属于时域反射技术领域，更具体的说涉及一种时域反射土壤水分的测量方法及测试系统。
背景技术
时域反射技术(Time Domain Reflectometry,TDR)是一种对反射波进行分析的遥控测量技术，掌握被测物体的状况。
目前土壤水分测量技术有很多方法，大多数方法不能保持土壤进行实时连续测量。TDR法测量精度高、不破坏土体、不受土体限制、可实现快速、连续、准确地测量，可在田间实时测量。
遥感测试技术可以对均一物质、电解溶液、异质混合物等介电物质进行测试。土壤是异质混合物，包含结合水、自由水、土壤基质、空气等物质。空气的介电常数εa＝1.0，土壤基质的介电常数εb≈4.7室温下水的介电常数εc≈80，所以，土壤介电常数主要取决于土壤的含水量。
TDR法最初用于电力和电讯工业中电缆线路缺陷的定位和识别。它的工作原理类似于一种闭合回路的雷达。由高频信号源发射脉冲信号以电磁波的形式沿传输线路系统传播，当传输线路阻抗发生变化就会发生发射，反射波形被采样电路所记录，入射波与反射波的差异信息包含了土壤电介质特性。这是一种时域的分析方法，相比传统的时间行程法利用电磁波在探针3起始段和末端反射点的行程时间，本方法分析简单、稳定性较高，易于推广。
发明内容
本实用新型提供了一种技术先进、结构简单、检测精度高的土壤水分测量技术及其测量系统。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：所述的时域反射土壤水分的测试系统包括高频信号源1、信号分离电路2、探针3、采样电路4，信号分离电路连接在高频信号源1和探针3之间，采样电路4与信号分离电路2相连。
优选的，探针3末端开路；所述探针为三针式探针，由三根等长的不锈钢探针组成，其中一根为中心探针3，连接在传输线路的一端，其余两根为与所述中心等距的外围探针3，连接在传输线路接地端。
优选的，高频信号源1产生具有快速上升沿的阶跃脉冲。
优选的，采样电路4的输入端连接信号分离电路2，采样电路输入端双端输入，输出端单端输出。
优选的，采样电路为差分放大电路，包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和运算放大器；第一电阻R1的一端连接输入端，另一端连接运算放大器的反向输入端；第二电阻R2 的一端接输入端，另一端接运算放大器的正向输入端；第三电阻R3 的一端连接在第二电阻R2和运算放大器正向输入端之间，另一端接地；第四电阻R4的一端连接第一电阻R1和运算放大器反向输入端之间，另一端接运算放大器的输出端；运算放大器的4端连接VSS接地，运算放大器的6端连接VCC电源。
所述的测试方法采用表面反射算法，测试方法应用于本申请测试系统中，测量过程包括以下步骤：
步骤1.高频信号源1产生的阶跃脉冲信号，输送至信号分离电路 2，信号分离电路2将接收到的脉冲信号分为两路：一路入射信号传送至采样电路4作为参考信号；另一路入射信号传送至探针33作为测试信号；
步骤2.测试信号在探针3末端发生反射，反射信号作为测试信号经过信号分离电路传送至采样电路4；采样电路4将接收到的参考信号和测试信号的差值差分放大转换为直流电压信号；
步骤3.测量直流电压信号经计算可得土壤的介电常数ε，根据土壤含水量与土壤介电常数的函数关系确定出土壤含水量。
本发明的有益效果
本发明提供的测试系统对土体扰动小、能够快速准确、原位连续测量，采样差分放大电路能够对信号进行采样的同时对信号进行放大，而无需在采样前利用放大电路去放大信号，简化电路结构、元器件少、成本较低。
附图说明
图1为本实用新型系统框图；
图2为采样电路图；
图3信号分离电路。
图中，1-高频信号源、2-信号分离电路、3-探针、4-采样电路。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例和附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属本实用新型保护范围。
如图1-3所示，所述的一种时域反射土壤水分的测试系统包括高频信号源1、信号分离电路2、探针3、采样电路4，信号分离电路连接在高频信号源1和探针3之间，采样电路4与信号分离电路2相连。所述探针3为三针式探针，由三根等长的不锈钢探针组成，其中一根为中心探针3，连接在传输线路的一端，其余两根为与所述中心等距的外围探针3，连接在传输线路接地端。
一种土壤水分测量系统的结构，如图1所示，包括高频信号源1，信号分离电路2，探针3，采样电路4四部分。采样电路的两个输入端分别接在信号分离电路的两路信号。如图3所示当某一时刻信号源发出信号，信号分离电路的开关K1闭合，通过K1向C1充电至电压U10，当入射信号到来时，K1断开，入射信号使K2闭合，C2充电至电压时，入射信号将K2断开，差值电压一直持续到下一周期K2再次闭合。下一周期时入射信号到来，K1再次闭合，C1充电至电压U10，反射信号到来，K1断开，测量信号将K2闭合，C3充电至时，反射信号将K3断开，这一电压保持至下一周期K3再次闭合。分离电路的输出分别为U1＝U11-U10；U2＝U12-U10。
如图2所示，所述采样电路为差分放大电路，所述差分放大电路的两路信号输入端分别连接信号分离电路的入射信号和反射信号。入射信号和反射信号之间的差值作为采样差分放大电路的有效输入信号，差分放大电路的输出是对两路输入信号差值的放大。
所述采样差分放大电路，包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和运算放大器；第一电阻R1的一端连接输入端接入参考信号，另一端连接运算放大器的反向输入端5；第二电阻R2的一端连接输入端接入测试信号，另一端接运算放大器的正向输入端6；第三电阻R3的一端连接在第二电阻R2和运算放大器正向输入端6之间，另一端接地；第四电阻R4的一端连接第一电阻R1和运算放大器反向输入端5之间，另一端接运算放大器的输出端7；运算放大器的4端连接VSS接地，运算放大器的8端连接VCC电源。
所述的差分放大电路，所采用的运算放大器型号为LM1458。假设电阻R1＝R2，R3＝R4，输出电压信号与入射信号和反射信号的差值比为
本发明工作原理：高频信号源1产生的阶跃脉冲信号，输送至信号分离电路2，信号分离电路2将接收到的脉冲信号分为两路：一路入射信号传送至采样电路4作为参考信号；另一路入射信号传送至探针33作为测试信号；
测试信号在探针3末端处因阻抗不同而发生反射，反射信号作为测试信号经过信号分离电路传送至采样电路4；采样电路4将接收到的参考信号和测试信号的差值差分放大转换为直流电压信号。
差分放大电路输出的电压
假设电阻R1＝R2，R3＝R4，输出电压为
通过测量直流电压信号经计算可得土壤的介电常数ε，根据土壤含水量与土壤介电常数的函数关系确定出土壤含水量。
本发明提供的测试系统对土体扰动小、能够快速准确、原位连续测量，采样差分放大电路能够对信号进行采样的同时对信号进行放大，而无需在采样前利用放大电路去放大信号，简化电路结构、元器件少、成本较低。
上面结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在通技术人员所具备本领域普的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (5)
1.一种时域反射土壤水分的测试系统，其特征是：所述的时域反射土壤水分的测试系统包括高频信号源（1）、信号分离电路（2）、探针（3）、采样电路（4），信号分离电路连接在高频信号源（1）和探针（3）之间，采样电路（4）与信号分离电路（2）相连。
2.根据权利要求1所述的一种时域反射土壤水分的测试系统，其特征是：探针（3）末端开路；所述探针为三针式探针，由三根等长的不锈钢探针组成，其中一根为中心探针（3），连接在传输线路的一端，其余两根为与所述中心等距的外围探针（3），连接在传输线路接地端。
3.根据权利要求1所述的一种时域反射土壤水分的测试系统，其特征是：高频信号源（1）产生具有快速上升沿的阶跃脉冲。
4.根据权利要求1所述的一种时域反射土壤水分的测试系统，其特征是：采样电路（4）的输入端连接信号分离电路（2），采样电路输入端双端输入，输出端单端输出。
5.根据权利要求1所述的一种时域反射土壤水分的测试系统，其特征是：采样电路为差分放大电路，包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和运算放大器；第一电阻R1的一端连接输入端，另一端连接运算放大器的反向输入端；第二电阻R2的一端接输入端，另一端接运算放大器的正向输入端；第三电阻R3的一端连接在第二电阻R2和运算放大器正向输入端之间，另一端接地；第四电阻R4的一端连接第一电阻R1和运算放大器反向输入端之间，另一端接运算放大器的输出端；运算放大器的4端连接VSS接地，运算放大器的6端连接VCC电源。
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| CN112858393A (zh) * | 2021-04-25 | 2021-05-28 | 湖南大学 | 一种基于频率步进原理的tdr测试电导率方法 |
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