一種基于頻域反射法的管針式土壤含水率檢測(cè)裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于頻域反射法的管針式土壤含水率檢測(cè)裝置，涉及土壤含水率檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】。以高頻信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，根據(jù)電磁波傳輸理論中阻抗匹配的原理，測(cè)量高頻衰減信號(hào)幅值，以反映待測(cè)土壤和探頭阻抗的變化；同時(shí)測(cè)量土壤的容積密度和溫度，根據(jù)含水率與高頻衰減信號(hào)幅值、溫度和容積密度的函數(shù)關(guān)系或溫度和容積密度對(duì)含水率的修正方法，精確地獲得土壤的含水率?；谠摲椒ǖ难b置包括管針式土壤含水率探頭、50Ω同軸連接線、高頻信號(hào)激勵(lì)電路、電壓檢測(cè)電路、溫度傳感器、質(zhì)量傳感器、電源模塊、微處理器和顯示模塊。利用本實(shí)用新型可消除土壤溫度和容積密度對(duì)土壤含水率測(cè)量的影響，實(shí)現(xiàn)土壤含水率的準(zhǔn)確、快速測(cè)量，且成本低。
【專利說(shuō)明】 一種基于頻域反射法的管針式土壤含水率檢測(cè)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及土壤含水率檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于頻率反射法的管針式土壤含水率檢測(cè)方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本生產(chǎn)資料，也是為農(nóng)作物提供養(yǎng)分的載體。土壤含水率對(duì)于農(nóng)作物的生長(zhǎng)非常重要。首先農(nóng)作物必須要吸收足夠的水分才能滿足自身的生長(zhǎng)需要；其次，水分將土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)溶解成溶液，通過(guò)植物根部細(xì)胞內(nèi)外的溶液濃度進(jìn)行交換，完成營(yíng)養(yǎng)的吸收；最后，水分的滲透作用可以將人工施加的肥料帶入土壤內(nèi)部，使土壤肥力提高。土壤含水率是了解農(nóng)田狀況以及農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況的一項(xiàng)重要指標(biāo)。
[0003]目前，土壤含水率檢測(cè)裝置所采用的方法主要有張力計(jì)法、電阻法、中子法、射線法、光學(xué)法和介電法。相比而言，通過(guò)土壤介電特性測(cè)量土壤含水率的介電法是一種快速、簡(jiǎn)單、有效的測(cè)量方法。1976年，Topp和Davis首先將時(shí)域反射法引入到土壤水分快速測(cè)量的研究中，并于1980年應(yīng)用統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)中數(shù)值逼近理論中的理論分類法找出了土壤含水率與介電常數(shù)間的多項(xiàng)式關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)方程，并在不同成分、類型的土壤條件下進(jìn)行了試驗(yàn)，證明具有較高的測(cè)量精度。以此為基礎(chǔ)，基于介電特性測(cè)量土壤含水率的方法得到了廣泛的探索和應(yīng)用。
[0004]目前，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上基于介電法研發(fā)的土壤含水率傳感器主要有時(shí)域反射法(TDR)和頻域反射法(FDR)兩種。其中時(shí)域反射法(TDR)是基于電磁波在不同介質(zhì)中傳播速度不同的原理，根據(jù)高頻電磁波在土壤中發(fā)射波和反射波間的時(shí)間差來(lái)測(cè)定土壤含水率。由于電磁波傳播速度很快，導(dǎo)致發(fā)射波與反射波的時(shí)間差極短，需要超高速延遲測(cè)量技術(shù)，因此，該技術(shù)的成本較高，較難應(yīng)用于低成本的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。
[0005]頻域反射法(FDR)是根據(jù)土壤表觀介電常數(shù)隨土壤含水率變化而變化的原理測(cè)量土壤含水率。基于頻域反射法(FDR)的土壤含水率檢測(cè)儀器一般在幾十到幾百兆赫茲范圍內(nèi)工作，可以將介電常數(shù)的變化用電壓或其他形式表現(xiàn)。頻域反射法(FDR) 土壤含水率檢測(cè)儀器的測(cè)量結(jié)果易受土壤的質(zhì)地、溫度和容重的影響?，F(xiàn)有的頻域法土壤含水率檢測(cè)儀通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定和引入溫度傳感器來(lái)克服土壤質(zhì)地和環(huán)境溫度的影響，而大多未考慮土壤容重的影響，導(dǎo)致測(cè)量精度不高。增加土壤緊實(shí)度傳感器而設(shè)計(jì)的復(fù)合式土壤含水率傳感器對(duì)于減小容重影響，提高含水率檢測(cè)精度有重要的作用，但卻使儀器成本增加，而且步進(jìn)電機(jī)的使用又增加了傳感器操作的復(fù)雜程度。因此，有必要開(kāi)發(fā)快速、低成本、操作簡(jiǎn)便、精度較高的土壤含水率檢測(cè)儀。
[0006]本實(shí)用新型的目的:克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種基于頻域反射法(FDR) 土壤水分快速、低成本、操作簡(jiǎn)便、精度高的測(cè)量裝置。
[0007]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題:(I)在頻域反射法(FDR) 土壤水分測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)上如何同時(shí)消除土壤溫度、土壤容積密度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，且測(cè)量速度快、操作方便、成本低、精度高；(2 )基于頻域反射法(FDR)，設(shè)計(jì)一種測(cè)量探頭及相關(guān)的測(cè)量輔助系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤水分測(cè)量時(shí)，能快速、方便、低成本地同時(shí)消除溫度和容積密度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，獲得較高的測(cè)量精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本實(shí)用新型的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、可以快速測(cè)量土壤容積密度的基于頻率反射法的管針式土壤含水率檢測(cè)裝置。
[0009]該裝置包括:管針式土壤含水率探頭1、50Ω同軸連接線2、高頻信號(hào)激勵(lì)電路3、電壓檢測(cè)電路4、溫度傳感器5、質(zhì)量傳感器6、電源模塊7、微處理器8和顯示模塊9 ；
[0010]所述管針式土壤含水率探頭I包括測(cè)量探針10、測(cè)量管11和測(cè)量手柄12 ;測(cè)量探針10位于測(cè)量管11中心，測(cè)量探針10和測(cè)量管11固定在測(cè)量手柄12上；所述溫度傳感器5嵌入安裝于管針式土壤含水率探頭I測(cè)量管11外側(cè)；所述質(zhì)量傳感器6安裝于管針式土壤含水率探頭I的測(cè)量手柄12下端，質(zhì)量傳感器6的下端面為一個(gè)平面，可保證管針式土壤含水率探頭(I)及其上附屬部件以此平面為支撐倒立站穩(wěn)；測(cè)量手柄12上對(duì)稱布置有手把19，與管針式土壤含水率探頭1、溫度傳感器5以及質(zhì)量傳感器6相連的電纜20從一側(cè)手把19中心穿出。
[0011]所述50Ω同軸連接線2的中心導(dǎo)線的一端與管針式土壤含水率探頭I的測(cè)量探針10相連，其屏蔽金屬網(wǎng)線與管針式土壤含水率探頭I的測(cè)量管11相連；50Ω同軸連接線2中心導(dǎo)線的另一端連接高頻信號(hào)激勵(lì)電路3。
[0012]所述高頻信號(hào)激勵(lì)電路3包括高頻信號(hào)發(fā)生芯片16、差分處理電路17和放大電路18，用于產(chǎn)生管針式土壤含水率探頭I所適用的高頻信號(hào)。
[0013]所述電壓檢測(cè)電路4包括高頻濾波13、高頻檢波14和信號(hào)處理15模塊，用于檢測(cè)50 Ω同軸連接線2與管針式土壤含水率探頭I相連處的高頻電壓的幅值，以反映待測(cè)土壤和探頭阻抗的變化；所述溫度傳感器5和質(zhì)量傳感器6分別用于采集所測(cè)土壤樣品的溫度和質(zhì)量。
[0014]所述微處理器8分別與電壓檢測(cè)電路4、溫度傳感器5和質(zhì)量傳感器6相連，用于處理電壓檢測(cè)電路4輸出信號(hào)、溫度傳感器5輸出信號(hào)和質(zhì)量傳感器6輸出信號(hào)，計(jì)算土壤含水率。
[0015]所述顯示模塊9與微處理器8相連，用于顯示微處理器8輸出的土壤含水率計(jì)算結(jié)果。
[0016]所述電源模塊7分別與高頻信號(hào)激勵(lì)電路3、電壓檢測(cè)電路4、溫度傳感器5、質(zhì)量傳感器6和微處理器8相連，為它們提供電源。
[0017]本實(shí)用新型提出的一種基于頻域反射法的土壤含水率檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法包括以下步驟:
[0018]S1:將管針式土壤含水率探頭I插入待測(cè)土壤，啟動(dòng)測(cè)量；
[0019]S2:由高頻信號(hào)激勵(lì)電路3產(chǎn)生高頻信號(hào)，并通過(guò)50 Ω同軸連接線2將其傳輸?shù)焦茚樖酵寥篮侍筋^1，由于管針式土壤含水率探頭I與50 Ω同軸連接線2阻抗不匹配，將產(chǎn)生低于高頻信號(hào)激勵(lì)電路3輸出電壓幅值的高頻衰減信號(hào)；
[0020]S3:電壓檢測(cè)電路4對(duì)檢測(cè)到的高頻衰減信號(hào)進(jìn)行高頻濾波13、高頻檢波14和信號(hào)處理15，得到未修正土壤含水率信號(hào)；[0021]S4:由溫度傳感器5測(cè)量待測(cè)土壤的溫度，得到土壤溫度；
[0022]S5:將管針式土壤含水率探頭I拔出，管針式土壤含水率探頭I利用土壤附著力將待測(cè)土壤帶出；
[0023]S6:將管針式土壤含水率探頭I垂直倒立在一個(gè)水平面上，測(cè)量探針10在上，測(cè)量手柄12在下，由質(zhì)量傳感器6測(cè)量管針式土壤含水率I和帶出土壤總質(zhì)量，根據(jù)土壤質(zhì)量計(jì)算土壤容積密度的方法為:
[0024]
【權(quán)利要求】
1.一種基于頻域反射法的管針式土壤含水率檢測(cè)裝置，其特征在于，包括管針式土壤含水率探頭(I)、50 Ω同軸連接線(2 )、高頻信號(hào)激勵(lì)電路(3 )、電壓檢測(cè)電路(4 )、溫度傳感器(5)、質(zhì)量傳感器(6)、電源模塊(7)、微處理器(8)和顯示模塊(9)； 所述管針式土壤含水率探頭(I)包括測(cè)量探針(10)、測(cè)量管(11)和測(cè)量手柄(12);測(cè)量探針(10)位于測(cè)量管(11)中心，測(cè)量探針(10)和測(cè)量管(11)固定在測(cè)量手柄(12)上；所述溫度傳感器(5 )嵌入安裝于管針式土壤含水率探頭(I)測(cè)量管(11)外側(cè)；所述質(zhì)量傳感器(6)安裝于管針式土壤含水率探頭(I)的測(cè)量手柄(12)下端，質(zhì)量傳感器(6)的下端面為一個(gè)平面，可保證管針式土壤含水率探頭(I)及其上附屬部件以此平面為支撐倒立站穩(wěn)；測(cè)量手柄(12)上對(duì)稱布置有手把(19)，與管針式土壤含水率探頭(I)、溫度傳感器(5)以及質(zhì)量傳感器(6)相連的電纜(20)從一側(cè)手把(19)中心穿出； 所述50Ω同軸連接線(2)的中心導(dǎo)線的一端與管針式土壤含水率探頭(I)的測(cè)量探針(10)相連，其屏蔽金屬網(wǎng)線與管針式土壤含水率探頭(I)的測(cè)量管(11)相連；50 Ω同軸連接線(2)中心導(dǎo)線的另一端連接高頻信號(hào)激勵(lì)電路(3)； 所述高頻信號(hào)激勵(lì)電路(3)包括高頻信號(hào)發(fā)生芯片(16)、差分處理電路(17)和放大電路(18)，用于產(chǎn)生管針式土壤含水率探頭(I)所適用的高頻信號(hào)； 所述電壓檢測(cè)電路(4)包括高頻濾波(13)、高頻檢波(14)和信號(hào)處理(15)模塊，用于檢測(cè)50 Ω同軸連接線(2)與管針式土壤含水率探頭(I)相連處的高頻電壓的幅值，以反映待測(cè)土壤和探頭阻抗的變化；所述溫度傳感器(5)和質(zhì)量傳感器(6)分別用于采集所測(cè)土壤樣品的溫度和質(zhì)量； 所述微處理器(8)分別與電壓檢測(cè)電路(4)、溫度傳感器(5)和質(zhì)量傳感器(6)相連，用于處理電壓檢測(cè)電路(4)輸出信號(hào)、溫度傳感器(5)輸出信號(hào)和質(zhì)量傳感器(6)輸出信號(hào)，計(jì)算土壤含水率； 所述顯示模塊(9)與微處理器(8)相連，用于顯示微處理器(8)輸出的土壤含水率計(jì)算結(jié)果; 所述電源模塊(7)分別與高頻信號(hào)激勵(lì)電路(3)、電壓檢測(cè)電路(4)、溫度傳感器(5)、質(zhì)量傳感器(6 )和微處理器(8 )相連，為它們提供電源。
【文檔編號(hào)】G01N27/02GK203824956SQ201320734342
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2013年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月20日
【發(fā)明者】郭文川, 宋克鑫, 韓文霆 申請(qǐng)人:西北農(nóng)林科技大學(xué)