專利名稱：基于相位檢測(cè)的土壤水分、電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于相位檢測(cè)原理的土壤水分、電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x。
背景技術(shù)：
近年來(lái)土壤學(xué)的研究結(jié)果表明，土壤電導(dǎo)率這一參數(shù)本身包含了反映土壤品質(zhì)和物理性質(zhì)的豐富信息。例如，土壤中鹽分、水分及有機(jī)質(zhì)含量，土壤壓實(shí)度、質(zhì)地結(jié)構(gòu)和孔隙率等都不同程度地影響著土壤電導(dǎo)率的改變。在以上諸因素中，土壤鹽分和含水率對(duì)電導(dǎo)率的影響明顯大于其他各因素，借助于測(cè)量土壤電導(dǎo)率評(píng)價(jià)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境，是當(dāng)前發(fā)達(dá)國(guó)家精細(xì)農(nóng)作研究的熱點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤電導(dǎo)率的方法雖然精確，但過(guò)程繁瑣，給工程實(shí)踐帶來(lái)不便。由于土壤溶液中溶質(zhì)的濃度與電導(dǎo)率成線性關(guān)系，而在含水量一定的條件下，土壤體電導(dǎo)和土壤的溶液電導(dǎo)存在線性關(guān)系，因此可直接用土壤的體電導(dǎo)率來(lái)確定溶質(zhì)的含量及遷移，但在含水量變化較大的情況下，土壤體電導(dǎo)率與含水量密切相關(guān)，直接用土壤的體電導(dǎo)來(lái)指示溶質(zhì)的含量就很困難，將測(cè)定的土壤含水量與土壤體導(dǎo)電率結(jié)合起來(lái)，通過(guò)體電導(dǎo)和溶液電導(dǎo)之間的關(guān)系來(lái)確定物質(zhì)的遷移具有很大的意義。時(shí)域反射儀(TDR)是新近發(fā)展起來(lái)的一種測(cè)定土壤含水率的方法，其主要優(yōu)越性是在測(cè)試土壤水分過(guò)程中可不破壞土壤原狀結(jié)構(gòu)，操作簡(jiǎn)便，并可直接讀取土壤含水量，便于原位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，做到訊息轉(zhuǎn)換而達(dá)到數(shù)據(jù)自動(dòng)采集的目的，因而很快為人們所接受。Topp 和Davis于1975年首次將TDR技術(shù)用于土壤水分測(cè)量的研究。TDR 土壤水分測(cè)量的根本依據(jù)是電磁波沿探針傳播的速度與探針周圍土壤的介電常數(shù)的平方根成反比，因此可以根據(jù)電磁波傳播的速度來(lái)測(cè)量土壤的介電常數(shù)。Topp依此方法測(cè)得了土壤中氣-固-液混合物的介電常數(shù)ε，進(jìn)而利用數(shù)值回歸分析方法找出了不同類型土壤的含水量與介電常數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)公式θ = -5. 3 X 1(Γ2+2· 92 X 1(Γ2 ε -5. 5 X 1(Γ4 ε 2+4. 3 X 1(Γ6 ε 3 (1)其中θ為土壤體積含水量，ε為土壤表觀介電常數(shù)。通過(guò)大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究證明了基于TDR方法的土壤水分和電導(dǎo)率測(cè)試儀能夠滿足快速測(cè)量的實(shí)時(shí)性要求，可是對(duì)土壤這種復(fù)雜的多孔介質(zhì)對(duì)象，雖然含水量θ的變化能夠顯著地導(dǎo)致介電常數(shù)ε的變化，但在傳感器探針幾何長(zhǎng)度受到限制的條件下，由氣-固-液混合物介電常數(shù)ε引起的入射-反射時(shí)間差Δ T卻僅僅是10_9秒數(shù)量級(jí)。若要對(duì)如此短的滯后時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，從無(wú)線電測(cè)量技術(shù)的角度來(lái)看難度極大，基于傳統(tǒng)方法TDR 土壤水分和電導(dǎo)率測(cè)試儀器成本相應(yīng)很高。TDR 土壤水分測(cè)試儀一般由階躍信號(hào)發(fā)生器、同軸傳輸線、土壤水分探頭及高頻采樣示波器組成等部分組成，如圖1所示，其中，1-RS-232通訊口，2-同步發(fā)生器，3-脈沖發(fā)生器，4-采樣示波器，5-50 Ω同軸電纜，6-探頭；高頻脈沖產(chǎn)生器(pulse generator)發(fā)出1000MHz的高頻脈沖，并將其通過(guò)50 Ω的同軸傳輸線(50 Ω coaxial cable)傳輸?shù)教结?probe)，由于同軸傳輸線與探針阻抗不匹配，有一部分電磁波在探針與傳輸線連結(jié)處沿同軸傳輸線反射回來(lái)，剩余的電磁波繼續(xù)沿探針傳輸?shù)教结樀牧硪欢?，由于探針與土壤的阻抗不匹配又造成電磁波的再次反射。兩次反射之間的時(shí)間是電磁波沿探針傳輸時(shí)間的兩倍。兩次反射之間的時(shí)間可由高頻示波器(sampling oscilloscope)來(lái)測(cè)量顯示。傳輸時(shí)間可表示為t = 2L ε 0.5/c (2)式中t—兩次反射之間的時(shí)間(s) ；L——探頭的長(zhǎng)度(m)ε —介質(zhì)(土壤)的介電常數(shù)；c——電磁波在真空中的傳播速度(3Χ 108m/s)由此可得出介質(zhì)的介電常數(shù)ε ε = [ct/(2L)]2(3)式中(ct/2)稱為探頭的“表觀”長(zhǎng)度。令1^ = (^/2則ε = (La/L)2(4)土壤電導(dǎo)率與信號(hào)反射率及土壤含水量有關(guān)。目前僅少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家掌握了設(shè)計(jì)制造TDR 土壤水分測(cè)試儀所需的高速采樣示波器、窄上升沿階躍信號(hào)發(fā)生器、高頻高精度時(shí)間基準(zhǔn)等技術(shù)。而這些國(guó)家對(duì)我國(guó)采取嚴(yán)格的技術(shù)出口限制措施，使我國(guó)無(wú)法獲得必需的尖端電子部件和芯片，因此我國(guó)還不能制造傳統(tǒng)的TDR 土壤電導(dǎo)測(cè)試儀。我國(guó)生產(chǎn)和科研單位使用的TDR儀主要從美國(guó)和加拿大等國(guó)進(jìn)口，單機(jī)價(jià)格約一萬(wàn)美元，成套設(shè)備價(jià)格為幾萬(wàn)美元，由于我國(guó)尚無(wú)此產(chǎn)品，進(jìn)口價(jià)格比生產(chǎn)國(guó)本地價(jià)格高出許多。因廠家在國(guó)外，缺乏完善的維修和配件供應(yīng)服務(wù)，出現(xiàn)故障后往往不得不返回原廠家進(jìn)行維修，影響監(jiān)測(cè)的連續(xù)性。所以，研制開發(fā)擁有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 TDR 土壤電導(dǎo)率測(cè)試儀具有重要的理論意義與實(shí)用價(jià)值。

實(shí)用新型內(nèi)容(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有TDR 土壤水分測(cè)量技術(shù)中電磁波在傳感器探頭上傳播時(shí)間難于精確測(cè)量而導(dǎo)致的研發(fā)難度大以及測(cè)量設(shè)備成本昂貴等缺陷。(二)技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型的技術(shù)方案提供了一種基于相位檢測(cè)的土壤水分、電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x，包括信號(hào)發(fā)生器，分別向環(huán)行器和延時(shí)器輸出具有相同頻率、幅度和初相位的高頻正弦檢測(cè)信號(hào)vt和參考信號(hào)vr ；環(huán)行器，通過(guò)同軸電纜和阻抗變換器向待測(cè)土壤內(nèi)的傳感器探頭輸出所述檢測(cè)信號(hào)vt，分離出經(jīng)傳感器探頭末端反射回來(lái)的反射信號(hào)vt并分別輸出給相位檢測(cè)器和檢波器；延時(shí)器，使所述信號(hào)發(fā)生器輸出的參考信號(hào)vr的傳輸時(shí)間產(chǎn)生延時(shí)后輸出給相位檢測(cè)器；相位檢測(cè)器，將所述延時(shí)器輸出的參考信號(hào)vr與所述環(huán)行器輸出的反射信號(hào)Vt 之間的相位差轉(zhuǎn)化為與之成比例的直流電壓信號(hào)，輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換器；檢波器，對(duì)所述延時(shí)器輸出的參考信號(hào)vr和所述環(huán)行器輸出的反射信號(hào)vt進(jìn)行整流，分別獲取其電壓幅值Vr和Vt并輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換器；[0026]微處理器，與所述相位檢測(cè)器和檢波器相連，對(duì)其輸出的信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)需要計(jì)算待測(cè)土壤含水量和/或電導(dǎo)率。其中，所述延時(shí)器為延時(shí)電纜。其中，所述阻抗變換器為阻抗變換電路。(三)有益效果本實(shí)用新型的基于相位檢測(cè)的土壤水分、電導(dǎo)率測(cè)試儀沒有采用傳統(tǒng)TDR技術(shù)的快速階躍信號(hào)發(fā)生器和高頻采樣示波器技術(shù)，大大降低了成本。其技術(shù)性能與國(guó)外同類儀器相當(dāng)，土壤水分測(cè)量精度達(dá)到3%，土壤電導(dǎo)率均方根誤差小于0. 05ds/m( 土壤含水量低于飽和含水量)，但價(jià)格僅為國(guó)外產(chǎn)品的50 %。

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的TDR 土壤水分測(cè)試儀的原理圖；圖2是根據(jù)本實(shí)用新型的基于相位檢測(cè)的土壤水分、電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x(P-TDR)的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型提出的基于相位檢測(cè)的土壤水分、電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x，結(jié)合附圖和實(shí)施例說(shuō)明如下。如圖2所示為根據(jù)本實(shí)用新型的基于相位檢測(cè)的土壤水分、電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)圖，由圖中可以看出，該測(cè)量?jī)x包括信號(hào)發(fā)生器，其與環(huán)行器和延時(shí)器相連，生成高頻正弦信號(hào)后分別向環(huán)行器和延時(shí)器輸出檢測(cè)信號(hào)vt和參考信號(hào)vr，其中，vt和vr為具有相同頻率、幅度和初相位的高頻正弦信號(hào)；由此，使用單一頻率的正弦信號(hào)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的階躍信號(hào)；環(huán)行器，其與信號(hào)發(fā)生器、阻抗變換器、相位檢測(cè)器和檢波器相連，檢測(cè)信號(hào)Vt通過(guò)同軸電纜、阻抗變換器后進(jìn)入待測(cè)土壤中的傳感器探頭，并在探頭端部產(chǎn)生反射，此后， 環(huán)行器將探頭端部的反射信號(hào)vt與入射信號(hào)相分離，并將分離出的反射信號(hào)vt輸出給相位檢測(cè)器和檢波器；其中，阻抗變換器可以為阻抗變換電路；延時(shí)器，其與信號(hào)發(fā)生器、相位檢測(cè)器和檢波器相連，使來(lái)自信號(hào)發(fā)生器的參考信號(hào)vr的傳輸時(shí)間發(fā)生延時(shí)后輸出給相位檢測(cè)器，具體地，延時(shí)器的延時(shí)時(shí)間正好為檢測(cè)信號(hào)Vt在環(huán)行器、同軸電纜和阻抗變換器上的傳輸時(shí)間；其中，延時(shí)器可以為延時(shí)電纜；相位檢測(cè)器，其與環(huán)形器、延時(shí)器以及微處理器相連，將延時(shí)器輸出的參考信號(hào)vr 與環(huán)行器輸出的反射信號(hào)vt之間的相位差轉(zhuǎn)化為與之成比例的直流電壓信號(hào)，輸出給微處理器中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；由此，使用相位檢測(cè)方法代替了傳統(tǒng)的高速采樣示波器方法；檢波器，其與延時(shí)器、環(huán)形器以及微處理器相連，對(duì)延時(shí)器輸出的參考信號(hào)vr和環(huán)行器輸出的反射信號(hào)vt進(jìn)行整流，分別獲取其電壓幅值Vr和Vt并輸出給微處理器中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；微處理器其與相位檢測(cè)器和檢波器相連，對(duì)其輸出的信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)需要計(jì)算待測(cè)土壤含水量和/或電導(dǎo)率；進(jìn)一步地，其包括[0041]模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對(duì)所述相位檢測(cè)器和檢波器輸出的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化并分別輸出給傳播時(shí)間計(jì)算器和反射系數(shù)計(jì)算器；傳播時(shí)間計(jì)算器，根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的相位差值計(jì)算檢測(cè)信號(hào)Vt在所述傳感器探頭上的傳播時(shí)間t ；反射系數(shù)計(jì)算器，根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的電壓幅值Vr和Vt計(jì)算信號(hào)反射系數(shù)P =Vt/Vr ；水分計(jì)算器，根據(jù)所述傳播時(shí)間t和預(yù)先標(biāo)定的含水量標(biāo)定公式計(jì)算得到待測(cè)土壤含水量θ ；電導(dǎo)率計(jì)算器，根據(jù)所述含水量θ、所述反射系數(shù)P以及預(yù)先標(biāo)定的電導(dǎo)率標(biāo)定公式計(jì)算得到待測(cè)土壤電導(dǎo)率σ。由于環(huán)行器、同軸電纜和阻抗變換器對(duì)信號(hào)的衰減很小，可忽略不計(jì)，則反射系數(shù) P反映了信號(hào)在沿傳感器探頭傳播時(shí)由土壤的介質(zhì)損耗和傳導(dǎo)電流引起的信號(hào)衰減，而土壤介質(zhì)的介電常數(shù)又與土壤體積含水量有關(guān)，因此反射系數(shù)P與土壤含水量θ、土壤電導(dǎo)率O滿足一定的函數(shù)關(guān)系，該函數(shù)關(guān)系可通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)事先確定下來(lái)；電導(dǎo)率計(jì)算器根據(jù)反射系數(shù)P和該標(biāo)定公式即可計(jì)算出土壤電導(dǎo)率；因此，微處理器中還包括存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)有事先通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)獲得的表征傳播時(shí)間t與土壤含水量θ之間函數(shù)關(guān)系的標(biāo)定公式以及表征反射系數(shù)P和土壤電導(dǎo)率σ以及含水量θ之間函數(shù)關(guān)系的標(biāo)定公式。其中，優(yōu)選地，所述傳感器探頭為不銹鋼材質(zhì)的平行三棒式探頭，通過(guò)阻抗變換器或其他設(shè)置使其與同軸電纜的特征阻抗值相匹配，從而減少信號(hào)在探針首端的反射，進(jìn)而提高測(cè)量精度。其中，上述信號(hào)發(fā)生器、環(huán)行器、延時(shí)器、相位檢測(cè)器、檢波器均可以通過(guò)相應(yīng)電路、芯片、電纜等硬件實(shí)現(xiàn)，其分別為本領(lǐng)域公知技術(shù)，在此不作詳述。其中，上述微控制器內(nèi)嵌入的程序?yàn)榭梢园凑毡緦?shí)用新型的測(cè)量?jī)x的工作流程執(zhí)行相應(yīng)操作的軟件。本實(shí)施例的基于相位檢測(cè)的土壤水分、電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x的工作原理如下高頻正弦信號(hào)發(fā)生器輸出頻率、幅度和初相位完全一致的測(cè)試信號(hào)(vt)和參考信號(hào)(vr)；如圖2中虛線所示為測(cè)試信號(hào)vt的傳播路徑，點(diǎn)線所示為參考信號(hào)vr的傳播路徑；具體地，vt經(jīng)環(huán)行器、同軸電纜和阻抗變換電路進(jìn)入傳感器探頭并在探頭末端產(chǎn)生反射，環(huán)行器將反射信號(hào)分離出來(lái)送入相位檢測(cè)器和檢波器；同時(shí)，vr經(jīng)延時(shí)電纜延時(shí)后也被送入相位檢測(cè)器和檢波器，其延時(shí)時(shí)間應(yīng)正好等于vt在環(huán)行器、同軸電纜和阻抗變換電路上的傳輸時(shí)間；相位檢測(cè)器將反射信號(hào)和參考信號(hào)之間的相位差轉(zhuǎn)換為與之成比例的直流電壓信號(hào)后送入微處理器；微處理器根據(jù)相位差計(jì)算出電磁波在探針上的傳播時(shí)間，再根據(jù)事先設(shè)置的標(biāo)定公式計(jì)算出土壤含水量；檢波器對(duì)vr和vt進(jìn)行整流，得到vr和vt的電壓幅值Vr和Vt， 這兩個(gè)電壓幅值經(jīng)A/D變換后送入微處理器計(jì)算信號(hào)的反射系數(shù)P ( = Vt/Vr)；根據(jù)事先設(shè)定的標(biāo)定公式即可計(jì)算出土壤電導(dǎo)率。在一個(gè)具體實(shí)施例中，上述含水量標(biāo)定公式為θ =-3. 1363t3+24. 016t2_60. 442t +50. 15，其中，θ -容積含水量m3/m3，t_信號(hào)傳播時(shí)間ns。在一個(gè)具體實(shí)施例中，上述土壤電導(dǎo)率標(biāo)定公式為σ = (1468 θ 2-[0054] 以上實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本實(shí)用新型，而并非對(duì)本實(shí)用新型的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本實(shí)用新型的范疇，本實(shí)用新型的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求1.一種基于相位檢測(cè)的土壤水分、電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x，其特征在于，包括信號(hào)發(fā)生器，分別向環(huán)行器和延時(shí)器輸出具有相同頻率、幅度和初相位的高頻正弦檢測(cè)信號(hào)Vt和參考信號(hào)vr ；環(huán)行器，通過(guò)同軸電纜和阻抗變換器向待測(cè)土壤內(nèi)的傳感器探頭輸出所述檢測(cè)信號(hào) vt，分離出經(jīng)傳感器探頭末端反射回來(lái)的反射信號(hào)vt并分別輸出給相位檢測(cè)器和檢波器； 延時(shí)器，使所述信號(hào)發(fā)生器輸出的參考信號(hào)vr的傳輸時(shí)間產(chǎn)生延時(shí)后輸出給相位檢測(cè)器；相位檢測(cè)器，將所述延時(shí)器輸出的參考信號(hào)vr與所述環(huán)行器輸出的反射信號(hào)vt之間的相位差轉(zhuǎn)化為與之成比例的直流電壓信號(hào)，輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換器；檢波器，對(duì)所述延時(shí)器輸出的參考信號(hào)vr和所述環(huán)行器輸出的反射信號(hào)vt進(jìn)行整流， 分別獲取其電壓幅值Vr和Vt并輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換器；微處理器，與所述相位檢測(cè)器和檢波器相連，對(duì)其輸出的信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)需要計(jì)算待測(cè)土壤含水量和/或電導(dǎo)率。
2.如權(quán)利要求1所述的基于相位檢測(cè)的土壤水分、電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述延時(shí)器為延時(shí)電纜。
3.如權(quán)利要求1所述的基于相位檢測(cè)的土壤水分、電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述阻抗變換器為阻抗變換電路。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種基于相位檢測(cè)的土壤水分、電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x，包括信號(hào)發(fā)生器，環(huán)行器，延時(shí)器，相位檢測(cè)器，檢波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、傳播時(shí)間計(jì)算器、反射系數(shù)計(jì)算器、水分計(jì)算器以及電導(dǎo)率計(jì)算器。本實(shí)用新型其使用單一頻率的正弦信號(hào)代替階躍信號(hào)，將入射信號(hào)和反射信號(hào)的相位差轉(zhuǎn)換為與之成正比的直流電壓信號(hào)，通過(guò)測(cè)量直流電壓信號(hào)即可得到電磁波在探頭的傳播時(shí)間；將參考信號(hào)和反射信號(hào)進(jìn)行整流，分別獲取其電壓幅值并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過(guò)標(biāo)定可進(jìn)一步得到土壤含水量和電導(dǎo)率。由于沒有采用昂貴的快速階躍信號(hào)發(fā)生器和高頻采樣示波器技術(shù)，大大降低了儀器的成本和技術(shù)難度，其技術(shù)性能與國(guó)外同類儀器相當(dāng)，但價(jià)格僅為國(guó)外產(chǎn)品的50％。
文檔編號(hào)G01N22/04GK202002900SQ20102014881
公開日2011年10月5日 申請(qǐng)日期2010年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月18日
發(fā)明者馮磊, 張方賢, 李子忠, 楊衛(wèi)中, 王一鳴, 王克棟, 石慶蘭, 董喬雪, 龔元石 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)