一種基于時(shí)域傳輸?shù)耐寥浪譁y(cè)量傳感器及實(shí)現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于時(shí)域傳輸?shù)耐寥浪譁y(cè)量傳感器及實(shí)現(xiàn)方法，傳感器包括：信號(hào)源、水分感知器、相移器和土壤探針；信號(hào)源用于產(chǎn)生三路高頻正弦波信號(hào)，第三路高頻信號(hào)送給土壤探針用于感知土壤水分信息，經(jīng)探針回傳后送至水分感知器與第一路高頻信號(hào)進(jìn)行相位比較得到與土壤水分值相關(guān)的相位差余旋信號(hào)。為了消除信號(hào)幅度衰減引起的干擾，測(cè)量傳感器增加了一個(gè)相位差90度的正交支路，即第二路高頻信號(hào)經(jīng)相移器90度移相后作為正交參考信號(hào)與土壤探針回傳信號(hào)相位比較得到相位差正旋信號(hào)，兩路相位差信號(hào)送到單片機(jī)中處理顯示測(cè)量值。本發(fā)明測(cè)量精度高、測(cè)量值穩(wěn)定、易于實(shí)現(xiàn)且成本低，性能卻達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，具有廣泛的應(yīng)用前景。
【專利說(shuō)明】
一種基于時(shí)域傳輸?shù)耐寥浪譁y(cè)量傳感器及實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于時(shí)域傳輸?shù)耐寥浪譁y(cè)量傳感器及 實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前國(guó)內(nèi)外土壤水分測(cè)量主流技術(shù)是：時(shí)域反射(Time Domain Reflectrometry， 簡(jiǎn)稱TDR)法、駐波率（Standing Wave Ratio,簡(jiǎn)稱SWR)法、頻域分解(Frequency Domain Decompos it ion，簡(jiǎn)稱FD)法及時(shí)域傳輸（Time Domain Transmissometry，簡(jiǎn)稱TDT)法。
[0003] 基于TDR原理的土壤水分傳感器是目前土壤水分測(cè)量方法中普遍接受且應(yīng)用最廣 的儀器測(cè)量方法。測(cè)量精度高，響應(yīng)速度快，測(cè)量范圍寬，一般不需要標(biāo)定，操作簡(jiǎn)便，野外 和室內(nèi)都可使用，TDR測(cè)量結(jié)果受土壤鹽度影響很小，在測(cè)量高有機(jī)質(zhì)含量土壤、高粘土、礦 物含量土壤、容重特別高或特別低的土壤時(shí)，需要標(biāo)定。TDR最大的缺點(diǎn)是電路復(fù)雜、成本 高，由于缺乏高精度、快速、集成度高的芯片，因此在硬件電路的實(shí)現(xiàn)上存在較大地困難。
[0004] FD法也是介電法的一種測(cè)量方法，是利用矢量電壓測(cè)量技術(shù)，由于土壤的介電常 數(shù)￡是頻率的復(fù)函數(shù)，其虛部與土壤的電導(dǎo)率有關(guān)，實(shí)部與土壤含水率有關(guān)。Π )方法的測(cè)量 結(jié)果受土質(zhì)的影響比較大，成本也遠(yuǎn)比駐波比法高，而測(cè)量精度又不及TDR。
[0005] SWR法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度較高，響應(yīng)速度快，對(duì)電磁干擾不敏感，成本低，可即時(shí)插 入使用也可長(zhǎng)期埋入固定監(jiān)測(cè)使用。缺點(diǎn)是精度尚不及TDR，且受土壤類型影響較大，對(duì)不 同土壤進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)量值不穩(wěn)定。
[0006] TDT法工作原理與TDR相比雖然都是通過(guò)測(cè)量電磁波在土壤介質(zhì)中傳播的時(shí)間差 測(cè)量土壤介電常數(shù)，但原理上卻有很大不同。其一高頻電磁波不同，TDR選用的是高頻脈沖， 信號(hào)源中含有極豐富的諧波，各諧波在傳輸過(guò)程中幅度和相位都會(huì)發(fā)生不同程度的變化而 導(dǎo)致波形畸變，通過(guò)比較反射回來(lái)的信號(hào)上升沿畸變來(lái)確定土壤含水量信息。而TDT信號(hào)源 卻是單一頻率的正弦波，不是通過(guò)探針終端開(kāi)路引起反射，而是通過(guò)信號(hào)完整的回路提取 包含在相位變化中的土壤水分值，因此可以通過(guò)分析其相位信息既可以確定土壤含水量信 息。其二不同的是TDR探頭末端是開(kāi)路的，信號(hào)因末端阻抗不匹配發(fā)生反射，而TDT的探頭是 封閉的回路，信號(hào)不反射，由于從理論上消除了探針末端阻抗不匹配而引起的信號(hào)多次反 射、入射波與反射波互相干擾、信號(hào)衰耗等諸多影響測(cè)量精度、穩(wěn)定度的因素，因此在對(duì)土 壤水分信息微小變化的檢測(cè)與提取具有高精度、高可靠性、高靈敏度以及高穩(wěn)定性。TDT的 優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間測(cè)量電路可以不依賴進(jìn)口芯片也可以實(shí)現(xiàn)，設(shè)備成本低，測(cè)量精度和技術(shù)性能 與TDR相當(dāng)。缺點(diǎn)是探頭無(wú)法做成末端開(kāi)路的針式結(jié)構(gòu)，必須埋入土壤中測(cè)量，只能做固定 監(jiān)測(cè)使用，而且埋入時(shí)對(duì)土壤擾動(dòng)較大，破壞原狀土壤的結(jié)構(gòu)，也無(wú)法通過(guò)與探頭連接的電 路直接測(cè)量土壤水分。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 由于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的土壤水分測(cè)量方法無(wú)法同時(shí)滿足測(cè)量電路容易實(shí)現(xiàn)，成本低，測(cè) 量精度高，測(cè)量值穩(wěn)定及即插即用的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于時(shí)域傳輸?shù)耐寥浪譁y(cè)量 傳感器及實(shí)現(xiàn)方法。
[0008] 第一方面，本發(fā)明提出一種基于時(shí)域傳輸?shù)耐寥浪譁y(cè)量傳感器，包括:高頻信號(hào) 源、水分感知器、相移器和土壤探針；
[0009] 所述信號(hào)源用于產(chǎn)生三路高頻信號(hào)并分別與所述水分感知器、所述相移器和所述 土壤探針?lè)謩e連接，將第一路高頻信號(hào)發(fā)送至所述水分感知器作為同相參考信號(hào)，第二路 高頻信號(hào)發(fā)送至所述相移器，第三路高頻信號(hào)發(fā)送至所述土壤探針；
[0010] 所述相移器與所述水分感知器連接，用于對(duì)所述第二路高頻信號(hào)進(jìn)行90度相移處 理作為正交參考信號(hào)發(fā)送至所述水分感知器；
[0011]所述土壤探針與所述水分感知器連接，用于接收所述第三路高頻信號(hào)，并經(jīng)所述 土壤探針小板上的水分感知信號(hào)線路傳輸，以感知土壤水分信息，再將土壤探針回傳回來(lái) 的所述土壤水分感知信號(hào)送至所述水分感知器；
[0012] 所述水分感知器用于對(duì)所述同相參考信號(hào)、所述正交參考信號(hào)和所述探針回傳的 包含土壤水分信息的土壤水分感知信號(hào)進(jìn)行相位比較分析，得到與土壤水分值相關(guān)的的相 位差ig號(hào)。
[0013] 優(yōu)選地，所述信號(hào)源包括高頻振蕩器和緩沖放大器；
[0014] 所述高頻振蕩器通過(guò)耦合電容與所述緩沖放大器連接，用于產(chǎn)生三路200MHz的高 頻正弦波；
[0015] 所述緩沖放大器同時(shí)與所述乘法器、所述相移器和所述土壤探針連接，用于輸出 所述三路200MHz的高頻正弦波信號(hào)，并輸出第一路高頻信號(hào)作為所述同相參考信號(hào)至所述 乘法器，所述第二路高頻信號(hào)至所述相移器，以及所述第三路高頻信號(hào)至所述土壤探針。
[0016] 優(yōu)選地，所述水分感知器包括乘法器、低通濾波器；
[0017] 所述乘法器同時(shí)與所述信號(hào)源、所述相移器、所述土壤探針和所述低通濾波器連 接，用于對(duì)接收的所述同相參考信號(hào)和所述土壤探針回傳的包含水分信息的高頻信號(hào)進(jìn)行 相乘，同時(shí)對(duì)接收的所述正交參考信號(hào)和所述土壤探針回傳信號(hào)進(jìn)行相乘，再經(jīng)過(guò)所述低 通濾波器;分別得到包含水分信息的相位差的余旋信號(hào)以及正弦信號(hào)，
[0018] 優(yōu)選地，還包括:可變?cè)鲆鎯x表放大器；
[0019]所述可變?cè)鲆鎯x表放大器用于對(duì)接收的所述土壤水分含量相關(guān)的相位差信號(hào)增 益進(jìn)行放大處理。
[0020] 第二方面，本發(fā)明還提出一種基于時(shí)域傳輸?shù)耐寥浪譁y(cè)量實(shí)現(xiàn)方法，包括：
[0021] 高頻電磁波在土壤探針傳輸線上傳播時(shí)，由于傳輸線周圍包裹了土壤介質(zhì)（土壤 介電常數(shù)ε，介于水和空氣的介電常數(shù)），其傳播速度變慢，與在空氣中相比相當(dāng)于增加了一 個(gè)時(shí)延，即高頻電磁波在土壤中傳播增加了一個(gè)相位差。該相位差是土壤含水量的函數(shù)。本 發(fā)明采用相位解調(diào)的方法提取高頻電磁波中的相位差，即相干解調(diào)的方法。為了保證精度， 采用雙路解調(diào)，即兩路分別解調(diào)相位差的同相分量、正交分量，然后兩路結(jié)果作比較以排除 幅度衰減引起的對(duì)相位差的干擾。
[0022]信號(hào)源產(chǎn)生三路幅度和相位相同的高頻信號(hào)，并將第一路的同相參考信號(hào)發(fā)送至 水分感知器，第二路高頻信號(hào)發(fā)送至相移器，第三路高頻信號(hào)發(fā)送至土壤探針；
[0023]所述相移器對(duì)所述第二路高頻信號(hào)進(jìn)行90度相移處理，得到正交參考信號(hào)，并將 所述正交參考信號(hào)發(fā)送至所述水分感知器；
[0024]所述土壤探針接收所述第三路高頻信號(hào)，經(jīng)探針小板上的水分感知信號(hào)線路傳 輸，以采集土壤水分信息并將土壤探針回傳回來(lái)的所述土壤水分感知信號(hào)送至所述水分感 知器；
[0025]所述水分感知器對(duì)所述同相參考信號(hào)、所述正交參考信號(hào)和所述土壤水分感知信 號(hào)進(jìn)行處理后，得到包含土壤水分信息的相位差信號(hào)值。
[0026]優(yōu)選地，所述信號(hào)源分別由三組LC高頻振蕩電路與緩沖放大器構(gòu)成，每一路的高 頻振蕩電路是由集電極LC諧振回路輸出頻率純凈的200MHz的正弦波，通過(guò)電容耦合到緩沖 放大器，緩沖放大器是由電壓跟隨器構(gòu)成；
[0027]信號(hào)源的第一高頻信號(hào)作為同相參考信號(hào)發(fā)送至水分感知器，第二路高頻信號(hào)發(fā) 送至相移器，第三路高頻信號(hào)發(fā)送至土壤探針。
[0028]優(yōu)選地，所述水分感知器對(duì)所述同相參考信號(hào)、所述正交參考信號(hào)和所述土壤水 分感知信號(hào)進(jìn)行處理后，得到土壤水分信息的相位差信號(hào)值，進(jìn)一步包括：
[0029] 所述水分感知器的乘法器對(duì)接收的所述同相參考信號(hào)和所述土壤水分感知信號(hào) 進(jìn)行相乘，同時(shí)對(duì)接收的所述正交參考信號(hào)和所述土壤水分感知信號(hào)進(jìn)行相乘，并分別經(jīng) 過(guò)濾波器濾除高頻分量得到相位差的余弦分量和正弦分量；
[0030] 所述相位差的余弦分量和正弦分量分別送到傳感器的數(shù)字顯示電路中的單片機(jī) 中去運(yùn)算，得到土壤水分含量值。
[0031] 優(yōu)選地，所述相位差的余弦分量和正弦分量分別送到傳感器的數(shù)字顯示電路中的 單片機(jī)中去運(yùn)算，得到土壤水分含量值之后，還包括：
[0032] 可變?cè)鲆鎯x表放大器對(duì)接收的包含土壤水分信息的相位差信號(hào)進(jìn)行放大處理。
[0033] 由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明通過(guò)信號(hào)源產(chǎn)生三路高頻振蕩信號(hào)，其中一路信號(hào) 通過(guò)土壤探針回傳后感知了土壤水分信息，另外兩路分別作為相干解調(diào)的同相參考信號(hào)和 正交參考信號(hào)，進(jìn)一步通過(guò)水分感知器對(duì)信號(hào)處理得到待測(cè)土壤的水分含量，電路采用國(guó) 內(nèi)通用器件即可實(shí)現(xiàn)，成本低，測(cè)量精度高，同時(shí)測(cè)量值穩(wěn)定，性能達(dá)到國(guó)外TDR的先進(jìn)水 平，但價(jià)格大大低于國(guó)外同類產(chǎn)品價(jià)格，使得國(guó)內(nèi)土壤水分測(cè)量傳感器不再依賴進(jìn)口，同時(shí) 電路可以選用國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上通用器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，便于大力推廣。
【附圖說(shuō)明】
[0034] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以 根據(jù)這些圖獲得其他的附圖。
[0035] 圖1為本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種基于時(shí)域傳輸?shù)耐寥浪譁y(cè)量傳感器的結(jié)構(gòu)及 信號(hào)流圖；
[0036] 圖2為本發(fā)明一實(shí)施例提供的另一種基于時(shí)域傳輸?shù)耐寥浪譁y(cè)量傳感器的結(jié)構(gòu) 及信號(hào)流圖；
[0037]圖3為本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種基于時(shí)域傳輸?shù)耐寥浪譁y(cè)量方法的原理圖；
[0038]圖4為本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種基于時(shí)域傳輸?shù)耐寥浪譁y(cè)量方法的電路圖；
[0039] 圖5為本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種水分感知電路的上支路電壓與水含量關(guān)系曲線 圖；
[0040] 圖6為本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種水分感知電路的上支路相位差與水含量關(guān)系曲 線圖；
[0041] 圖7為本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種基于時(shí)域傳輸?shù)耐寥浪譁y(cè)量實(shí)現(xiàn)方法的流程 示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 下面結(jié)合附圖，對(duì)發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清 楚地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0043]圖1示出了本實(shí)施例提供的一種基于時(shí)域傳輸?shù)耐寥浪譁y(cè)量傳感器的結(jié)構(gòu)及信 號(hào)流圖，結(jié)構(gòu)包括:信號(hào)源41、水分感知器42、相移器43和土壤探針44;
[0044]所述信號(hào)源41用于產(chǎn)生三路高頻信號(hào)并分別與所述水分感知器42、所述相移器43 和所述土壤探針44分別連接，將第一路高頻信號(hào)作為同相參考信號(hào)發(fā)送至所述水分感知器 42，第二路高頻信號(hào)發(fā)送至所述相移器43，第三路高頻信號(hào)發(fā)送至所述土壤探針44;
[0045]所述相移器43與所述水分感知器42連接，用于對(duì)所述第二路高頻信號(hào)進(jìn)行90度相 移處理作為正交參考信號(hào)，并將所述正交參考信號(hào)發(fā)送至所述水分感知器42;
[0046]所述土壤探針44與所述水分感知器42連接，用于接收所述第三路高頻信號(hào)，并經(jīng) 所述土壤探針小板上的水分感知信號(hào)線路傳輸，以感知土壤水分信息，再送至所述水分感 知器42;
[0047]所述水分感知器42用于將三路信號(hào)匯聚，用從土壤探針回傳回來(lái)的所述土壤水分 感知信號(hào)分別與所述同相參考信號(hào)、所述正交參考信號(hào)進(jìn)行相位比較分析，從而提取包含 土壤水分信息的相位差信號(hào)值。
[0048]本實(shí)施例通過(guò)信號(hào)源產(chǎn)生三路高頻振蕩信號(hào)，其中一路作為同相參考信號(hào)直接輸 入到水分感知器，第二路信號(hào)通過(guò)相移器進(jìn)行90度相移處理作為正交參考信號(hào)，第三路信 號(hào)通過(guò)土壤探針感知土壤水分信息回傳給水分感知器，進(jìn)一步通過(guò)水分感知器對(duì)信號(hào)處理 得到待測(cè)土壤的水分含量，電路采用國(guó)內(nèi)通用器件即可實(shí)現(xiàn)，成本低，測(cè)量精度高，同時(shí)測(cè) 量值穩(wěn)定，性能達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，但價(jià)格大大低于國(guó)外同類產(chǎn)品價(jià)格，使得國(guó) 內(nèi)土壤水分測(cè)量傳感器不再依賴進(jìn)口，同時(shí)電路可以選用國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上通用器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，便 于大力推廣。
[0049] 作為本實(shí)施例的可選方案，如圖2所示，其中信號(hào)源51(圖2中未畫(huà)出）、水分感知器 52(圖2中未畫(huà)出）、相移器53和土壤探針54與上述實(shí)施例相同，本實(shí)施例不再贅述。
[0050] 所述信號(hào)源51包括高頻振蕩器511和緩沖放大器512;
[00511 所述高頻振蕩器511和所述緩沖放大器512連接，用于產(chǎn)生三路200MHz的高頻正弦 波；
[0052] 所述緩沖放大器512同時(shí)與所述乘法器521、所述相移器53和所述土壤探針54連 接，用于輸出所述三路200MHz的高頻正弦波信號(hào)，并輸出所述同相參考信號(hào)至所述乘法器 521，所述第二路高頻信號(hào)至所述相移器53,以及所述第三路高頻信號(hào)至所述土壤探針54。 [0053]信號(hào)源要同時(shí)產(chǎn)生三路200MHz高頻信號(hào)分別供給水分感知器作為相位解調(diào)的同 相參考信號(hào)、正交參考信號(hào)及探針輸入信號(hào)，且對(duì)三路信號(hào)要求幅度相同、相位嚴(yán)格同步。 此外還要求信號(hào)頻率純凈單一、波形不能畸變、輸出幅度達(dá)到2V左右。為了滿足以上條件信 號(hào)源由LC高頻振蕩器與緩沖放大器兩級(jí)組成。
[0054] 所述水分感知器52包括乘法器521和低通濾波器522;
[0055] 所述乘法器521同時(shí)與所述信號(hào)源51、所述相移器53、所述土壤探針54和所述低通 濾波器522連接，用于對(duì)接收的所述同相參考信號(hào)和所述土壤水分感知信號(hào)進(jìn)行相乘，經(jīng)過(guò) 所述低通濾波器522后得到包含土壤水分信息的相位差的余弦信號(hào)，同時(shí)對(duì)接收的所述正 交參考信號(hào)和所述土壤水分感知信號(hào)進(jìn)行相乘，經(jīng)過(guò)所述低通濾波器后得到包含土壤水分 信息的相位差的正弦信號(hào)；
[0056] 通過(guò)乘法器對(duì)信號(hào)進(jìn)行相乘處理，通過(guò)低通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波得到待測(cè)土壤 水分值，電路容易實(shí)現(xiàn)，成本低，測(cè)量精度高，同時(shí)測(cè)量值穩(wěn)定，便于大力推廣。
[0057] 進(jìn)一步地，還包括:可變?cè)鲆鎯x表放大器55;
[0058]所述可變?cè)鲆鎯x表放大器55與所述低通濾波器522連接用于對(duì)接收的所述包含土 壤水分值的信號(hào)進(jìn)行放大處理。
[0059] 通過(guò)對(duì)包含土壤水分值的信號(hào)進(jìn)行放大處理，能夠便于后續(xù)處理和顯示。
[0060] 更進(jìn)一步優(yōu)選地，還包括:顯示器56;
[0061]所述顯示器56用于接收放大后的包含土壤水分值的信號(hào)，并顯示土壤水分值。 [0062] 通過(guò)顯示器顯示土壤水分值，能夠便于用于直觀獲取土壤水分值。
[0063]為了更進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)施例提供的基于時(shí)域傳輸?shù)耐寥浪譁y(cè)量傳感器，以下對(duì) 土壤水分測(cè)量原理進(jìn)行描述：
[0064] 土壤水分測(cè)量的依據(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) 得了土壤中氣一固一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：
[0065] W=-5.3X10-2+2·92*10-2ε-5·5Χ10-4ε 2+4·3Χ10-6ε3 (I)
[0066] 其中W為土壤體積含水量，ε為土壤表觀介電常數(shù)。由于探針周圍的介質(zhì)是土壤和 水的混合物，其介電常數(shù)介于空氣和水之間（空氣中介電常數(shù)為1，水中接近80)，如果土壤 是完全干燥的，那么ε將會(huì)是2到4,如果土壤體積的25%是水，那么ε將近11~12。對(duì)農(nóng)業(yè)土 壤來(lái)說(shuō)，ε的大小主要取決于土壤的體積含水量。土壤水分測(cè)量方法的原理圖如圖3所示，由 信號(hào)源產(chǎn)生一個(gè)高頻正弦波信號(hào)Ci(i) = AcosCa>et+i^)，其中A為高頻信號(hào)的幅度，ω。為角 頻率，％為初相，三個(gè)參量均為常量，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)也可以假設(shè)初始相位你=0。從土壤探針A 端輸入，探針插入待測(cè)土壤，探針末端不是開(kāi)路的，高頻電磁波沿探針回路到探針B端輸出。 假設(shè)探針物理長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則高頻電磁波在探針中的路徑長(zhǎng)度為2L，傳輸時(shí)間為At。因此，電 磁波在B點(diǎn)的相位比A點(diǎn)增加了一個(gè)相位延時(shí)&，，幅度衰減為B，此時(shí)B點(diǎn)的高頻信號(hào)為：
[0067]
( 2 )
[0068] 高頻電磁波在探針中的傳播時(shí)間為：
[0069] (3 )
[0070]其中V為電磁波在土壤中傳播的速度，c為電磁波在真空中傳播的速度(3 X 108m/ s)，ε為土壤混合物的表觀介電常數(shù)。
[0071]
(4)
[0072] 由Topp公式知道土壤的介電常數(shù)與含水量有關(guān)，因此Δ辦可以表示為含水量的函 數(shù)，即Apf (W),帶入式⑵得到：
[0073]
(.5,)
[0074]由式(5)可以看出在B點(diǎn)處的高頻信號(hào)由于相位中包含土壤水分信息。參照通信技 術(shù)的相位調(diào)制，式(5)可看出高頻信號(hào)uA(t)經(jīng)過(guò)土壤中的探針后水分信息被加載到了高頻 信號(hào)的相位上了，因此通過(guò)提取相位差可以獲取土壤水分信息。
[0075] 采用差分相位解調(diào)的方法，即uB(t)與其相同頻率的載波(此處就是信號(hào)源產(chǎn)生的 高頻信號(hào)UA(t)相乘：
[0076]
[0077]經(jīng)過(guò)低通濾波器得到：
[0078] U1., = 1< cost Αφ) ( 6 )
[0079] 其中，k為幅度衰減系數(shù)，對(duì)確定的水含量k是常量，因此通過(guò)測(cè)量低通濾波器輸出 便能求出Δ，是直流信號(hào)，從而得到水分值。
[0080] 其中，在圖2中信號(hào)經(jīng)過(guò)水分感知器的乘法器和低通濾波器后不僅有個(gè)相位差而 且幅度也有衰減，衰減因子是k，雖然是常量，但如果要計(jì)算相位差Δ爐必須要知道衰減因子 k。因此實(shí)際電路在設(shè)計(jì)時(shí)需要增加一路測(cè)量電路且是移相90度的。信號(hào)源是為土壤水分感 知器提供三路高頻電磁波信號(hào)，用于提取土壤水分信息。主要由晶振產(chǎn)生一個(gè)200MHz的高 頻振蕩信號(hào)分成三路，分別經(jīng)過(guò)一個(gè)200MHz的選頻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生一個(gè)頻率純凈的正弦波，一路 給土壤探針，另外兩路中有一路要經(jīng)過(guò)90度相移。
[0081] 本實(shí)施例對(duì)應(yīng)的電路圖如圖4所示，信號(hào)源要同時(shí)產(chǎn)生三路200MHz高頻信號(hào)分別 供給水分感知器作為相位解調(diào)的同相參考信號(hào)、正交參考信號(hào)及探針輸入信號(hào)，且對(duì)三路 信號(hào)要求幅度相同、相位嚴(yán)格同步。此外還要求信號(hào)頻率純凈單一、波形不能畸變、輸出幅 度達(dá)到2V左右。為了滿足以上條件信號(hào)源電路由LC振蕩電路與緩沖放大電路兩級(jí)組成。第 一級(jí)晶體三極管Tl為200MHz的高頻振蕩器，集電極回路由LI、C4、C5構(gòu)成LC諧振回路作為負(fù) 載以保證輸出信號(hào)頻率調(diào)諧在200MHz，起振信號(hào)是由200MHz有源晶振產(chǎn)生經(jīng)過(guò)。第一級(jí)振 蕩輸出經(jīng)耦合電容輸出到第二級(jí)緩沖放大器，T2為跟隨器，為使200MHz頻率更加純凈，發(fā)射 極也采用了 LC回路選頻網(wǎng)絡(luò)。Rl 5、R16為偏置電阻，輸出由C9耦合輸出。
[0082]本實(shí)施例通過(guò)對(duì)TDT 土壤水分測(cè)量方法的多種硬件電路實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行了大量研發(fā) 對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行方案的驗(yàn)證。即測(cè)量采用了通信技術(shù)中相位調(diào)制、解調(diào)方法:高頻電磁波在土 壤探針傳輸過(guò)程中，土壤水分信息通過(guò)含水土壤介質(zhì)加載到了高頻信號(hào)的相位中，可以看 成相位調(diào)制過(guò)程，因此從采用相位解調(diào)方法能夠完整提取相位中包含的水分信息。這種測(cè) 量方法與綜述中其它方法不同在于:其它方法是找出土壤水分含量與探針阻抗的關(guān)系，探 針阻抗一般是復(fù)阻抗，因此在實(shí)際測(cè)量時(shí)為了物理可實(shí)現(xiàn)忽略阻抗虛部，其結(jié)果導(dǎo)致提取 的水分值會(huì)丟失部分信息。本實(shí)施例采用相位解調(diào)來(lái)提取水分信息，解調(diào)出來(lái)的相位信息 包含了全部水分信息，因此精度高。在硬件實(shí)現(xiàn)上按照相位解調(diào)電路設(shè)計(jì)測(cè)量硬件電路，信 號(hào)源采用了三路兩級(jí)三極管放大電路，多次選頻調(diào)諧，保證了三路輸出一致性好、頻率純凈 單一;水分感知器采用雙路相位比較克服了 TDT方法中單路相位比較中高頻信號(hào)幅度衰減 與相位延時(shí)糾纏一起無(wú)法確定相位變化;采用了國(guó)內(nèi)通用器件來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件電路，大大降低 了研發(fā)成本，且易于實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)品推廣。
[0083]本實(shí)施例提供的基于時(shí)域傳輸?shù)耐寥浪譁y(cè)量傳感器能夠同時(shí)產(chǎn)生三路頻率純 凈單一、幅度相位失真度小的高頻正弦波信號(hào)，且三路信號(hào)幅度、相位一致性要非常好;水 分感知器能同時(shí)檢測(cè)出經(jīng)過(guò)土壤探針后的高頻信號(hào)幅度衰減及相位延時(shí);高性能的高頻硬 件電路采用了國(guó)內(nèi)常用的分立元器件，電路可以實(shí)現(xiàn)且非常實(shí)用，成本也較低，不依賴進(jìn)口 元器件、易于加工制造、易于推廣應(yīng)用；普通時(shí)域傳輸TDT 土壤探針測(cè)量時(shí)須借助其它工具 把土壤挖開(kāi)將傳感器探針埋入土壤里再進(jìn)行測(cè)量，本實(shí)施例與專為其設(shè)計(jì)的特殊的尖刀型 可插入式土壤探針配套使用可以即插即用、方便快捷，且能夠有效的屏蔽雙向高頻電磁波 的相互干擾，消除探針末端阻抗不匹配而引起的信號(hào)多次反射、入射波與反射波互相干擾、 信號(hào)衰耗等眾多影響測(cè)量精度、穩(wěn)定度的因素，因此在對(duì)土壤水分信息微小變化的檢測(cè)與 提取具有高精度、高靈敏度以及高穩(wěn)定性。同時(shí)在高頻硬件電路上采用多個(gè)措施保證了高 頻信號(hào)的穩(wěn)定、可靠。
[0084] 為了測(cè)量本實(shí)施例提供的基于時(shí)域傳輸?shù)耐寥浪譁y(cè)量傳感器的測(cè)量精度，以下 通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證：
[0085] 高頻電磁波在土壤探針的時(shí)間I ε是相對(duì)介電常數(shù)，在空氣中 是1，在水中是80兒是探針長(zhǎng)度120cm。當(dāng)探針?lè)旁谒飩鬏敃r(shí)間會(huì)因?yàn)榻殡姵?shù)變大而延 長(zhǎng)。
[0086] 實(shí)驗(yàn)過(guò)程：
[0087]將探針插入滿刻度500ml的燒杯里并且固定不動(dòng)，逐漸往燒杯加水，第一次50ml， 以后每次增加10ml，由于探針在水里的長(zhǎng)度逐漸增加，高頻信號(hào)傳輸時(shí)間也逐漸增加，即高 頻信號(hào)的相位差逐漸變大，每次加水l〇ml，測(cè)量電路中的放大器AD623第6管腳輸出電壓如 表1。
[0088]
[0089]
L〇〇92」數(shù)據(jù)處理：
[0093] 上支路輸出電壓值=tc〇S(A#，由于這個(gè)電壓值包含幅度衰減，所以計(jì)算其相 位值需要首先歸一化處理，即電壓值除于最大值1054,使電壓值在-1~1之間。然后對(duì)歸一 化進(jìn)行反余弦運(yùn)算，在計(jì)算相位值時(shí)要注意其相位連續(xù)性，因此在之后的相位計(jì)算式應(yīng)該 是 2 ;r-arc cos Δρ。
[0094] 數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖5和6所示，分別為上支路電壓與水含量關(guān)系曲線圖和上支路相 位差與水含量關(guān)系曲線圖。
[0095]測(cè)量結(jié)果分析：
[0096] 將上面數(shù)據(jù)處理相位與水含量關(guān)系曲線擬合，得到擬合函數(shù)：
[0097] y = 3Ε-08χ6-4Ε-06χ5+0 · OOOlx4-O · 0023χ3+0 · 0165χ2-0 · 0455χ+1 · 8981
[0098] 其中，y是相位差，χ是含水量。該擬合曲線將作為今后相位差與水含量的關(guān)系曲 線，測(cè)量時(shí)根據(jù)測(cè)量電壓來(lái)反演水含量值。
[0099]將測(cè)量值與擬合曲線計(jì)算 [0100]相關(guān)系數(shù)R:
[mm]
(7)
[0102] 其中，η是用于回歸分析的測(cè)量樣點(diǎn)數(shù);X1是在第i個(gè)樣點(diǎn)測(cè)得的土含水量j是所 有樣點(diǎn)測(cè)量值的平均 ;yi是根據(jù)回歸方程由在第i個(gè)樣點(diǎn)測(cè)得的信號(hào)相位差計(jì)算得到的水 含量預(yù)p佶.￥縣靳右垤占雨側(cè)佶的平均。
[0103]
[0104] 相關(guān)系數(shù)R(有時(shí)也用R2代替)反映了回歸方程與測(cè)量數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，R2的值越 接近1，說(shuō)明回歸方程與測(cè)量數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性越好。R 2無(wú)量綱，其取值范圍在〇~1之間。
[0105] 均方根誤差RMSE:
[0106]
[0107] 計(jì)算得R2 = 0.9948，RMSE = 0.011，說(shuō)明測(cè)量精度達(dá)到了期望值。
[0108] 圖7示出了本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種基于時(shí)域傳輸?shù)耐寥浪譁y(cè)量實(shí)現(xiàn)方法的 流程示意圖，包括：
[0109] S101、信號(hào)源產(chǎn)生三路幅度和相位相同的高頻信號(hào)，并將第一路的同相參考信號(hào) 發(fā)送至水分感知器，第二路高頻信號(hào)發(fā)送至相移器，第三路高頻信號(hào)發(fā)送至土壤探針；
[0110] S102、所述相移器對(duì)所述第二路高頻信號(hào)進(jìn)行90度相移處理作為正交參考信號(hào)， 并將所述正交參考信號(hào)發(fā)送至所述水分感知器；
[0111] S103、所述土壤探針接收所述第三路高頻信號(hào)，經(jīng)探針小板上的水分感知信號(hào)線 路傳輸，以采集土壤水分信息并將土壤探針回傳回來(lái)的所述土壤水分感知信號(hào)送至所述水 分感知器，所述土壤水分感知信號(hào)中包含土壤水分信息；
[0112] S104、所述水分感知器對(duì)所述同相參考信號(hào)、所述正交參考信號(hào)和所述土壤水分 感知信號(hào)進(jìn)行處理后，得到包含土壤水分信息的相位差信號(hào)值。
[0113] 作為本實(shí)施例的可選方案，步驟S104進(jìn)一步包括：
[0114] S1041、所述水分感知器的乘法器對(duì)接收的所述同相參考信號(hào)和所述土壤水分感 知信號(hào)進(jìn)行相乘，同時(shí)對(duì)接收的所述正交參考信號(hào)和所述土壤水分感知信號(hào)進(jìn)行相乘，并 分別經(jīng)過(guò)濾波器濾除高頻分量得到相位差的余弦分量和正弦分量；
[0115] S1042、所述相位差的余弦分量和正弦分量分別送到傳感器的數(shù)字顯示電路中的 單片機(jī)中去運(yùn)算，得到土壤水分信息的相位差的正弦信號(hào)。
[0116] 具體地，
[0117] 所述信號(hào)源分別由三組LC高頻振蕩電路與緩沖放大器構(gòu)成，每一路的高頻振蕩電 路是由集電極LC諧振回路輸出頻率純凈的200MHz的正弦波，通過(guò)電容耦合到緩沖放大器， 緩沖放大器是由電壓跟隨器構(gòu)成；
[0118] 信號(hào)源的第一組電路產(chǎn)生的高頻信號(hào)作為同相參考信號(hào)發(fā)送至水分感知器，第二 路高頻信號(hào)發(fā)送至相移器，第三路高頻信號(hào)發(fā)送至土壤探針。
[0119] 進(jìn)一步地，還包括：
[0120] S105、可變?cè)鲆鎯x表放大器對(duì)接收的包含土壤水分信息的相位差信號(hào)進(jìn)行放大處 理。
[0121] 更進(jìn)一步地，還包括：
[0122] S106、顯示器接收放大后的包含土壤水分值的信號(hào)，并顯示土壤水分值。
[0123] 本實(shí)施例所述的基于時(shí)域傳輸?shù)耐寥浪譁y(cè)量方法可以用于執(zhí)行上述傳感器實(shí) 施例，其原理和技術(shù)效果類似，此處不再贅述。
[0124] 本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)中，說(shuō)明了大量具體細(xì)節(jié)。然而，能夠理解，本發(fā)明的實(shí)例可以在 沒(méi)有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐。在一些實(shí)例中，并未詳細(xì)示出公知的方法、結(jié)構(gòu)和技術(shù)， 以便不模糊對(duì)本說(shuō)明書(shū)的理解。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于時(shí)域傳輸?shù)耐寥浪譁y(cè)量傳感器，其特征在于，包括:信號(hào)源、水分感知器、 相移器和土壤探針； 所述信號(hào)源用于產(chǎn)生三路高頻信號(hào)并分別與所述水分感知器、所述相移器及所述土壤 探針?lè)謩e連接，將第一路高頻信號(hào)作為同相參考信號(hào)發(fā)送至所述水分感知器，第二路高頻 信號(hào)發(fā)送至所述相移器，第三路高頻信號(hào)發(fā)送至所述土壤探針； 所述相移器與所述水分感知器連接，用于對(duì)所述第二路高頻信號(hào)進(jìn)行90度相移處理作 為正交參考信號(hào)，并將所述正交參考信號(hào)發(fā)送至所述水分感知器； 所述土壤探針與所述水分感知器連接，用于接收所述第三路高頻信號(hào)并經(jīng)所述土壤探 針小板上的水分感知信號(hào)線路傳輸，以感知土壤水分信息，再將土壤探針回傳回來(lái)的所述 土壤水分感知信號(hào)送至所述水分感知器； 所述水分感知器用于將三路信號(hào)匯聚，用從土壤探針回傳回來(lái)的所述土壤水分感知信 號(hào)分別與所述同相參考信號(hào)、所述正交參考信號(hào)進(jìn)行相位比較分析，從而提取包含土壤水 分信息的相位差信號(hào)值。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述信號(hào)源包括高頻振蕩器和緩沖放大 器； 所述高頻振蕩器通過(guò)耦合電容與所述緩沖放大器連接，用于產(chǎn)生三路200MHz的高頻正 弦波； 所述緩沖放大器同時(shí)與所述乘法器、所述相移器和所述土壤探針連接，用于輸出所述 三路200MHz的高頻正弦波信號(hào)，并輸出第一路高頻信號(hào)作為所述同相參考信號(hào)至所述乘法 器，所述第二路高頻信號(hào)至所述相移器，以及所述第三路高頻信號(hào)至所述土壤探針。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于，所述水分感知器包括乘法器和低通濾波 器； 水分感知器采用差分相干解調(diào)的方法來(lái)提取高頻信號(hào)中包含土壤水分信息的相位差； 所述乘法器與所述信號(hào)源、所述相移器、所述土壤探針和所述低通濾波器分別連接，用 于對(duì)接收的所述同相參考信號(hào)和所述土壤水分感知信號(hào)進(jìn)行相乘，經(jīng)過(guò)所述低通濾波器后 濾出高頻分量得到包含土壤水分信息的相位差的余弦信號(hào)，同時(shí)對(duì)接收的所述正交參考信 號(hào)和所述土壤水分感知信號(hào)進(jìn)行相乘，經(jīng)過(guò)所述低通濾波器后濾出高頻分量得到土壤水分 信息的相位差的正弦信號(hào)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器，其特征在于，還包括:可變?cè)鲆鎯x表放大器； 所述可變?cè)鲆鎯x表放大器與所述低通濾波器連接，用于對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行功率放大處 理。5. -種基于權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的土壤水分測(cè)量傳感器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于， 包括： 信號(hào)源產(chǎn)生三路幅度和相位相同的高頻信號(hào)，并將第一路高頻信號(hào)作為同相參考信號(hào) 發(fā)送至水分感知器，第二路高頻信號(hào)發(fā)送至相移器，第三路高頻信號(hào)發(fā)送至土壤探針； 所述相移器對(duì)所述第二路高頻信號(hào)進(jìn)行90度相移處理作為正交參考信號(hào)，并將所述正 交參考信號(hào)發(fā)送至所述水分感知器； 所述土壤探針接收所述第三路高頻信號(hào)，經(jīng)探針小板上的水分感知信號(hào)線路傳輸，以 感知土壤水分信息并將土壤探針回傳回來(lái)的所述土壤水分感知信號(hào)送至所述水分感知器； 所述水分感知器對(duì)所述同相參考信號(hào)、所述正交參考信號(hào)和所述土壤水分感知信號(hào)進(jìn) 行處理后，得到包含土壤水分信息的相位差信號(hào)值。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述信號(hào)源分別由三組LC高頻振蕩電路與 緩沖放大器構(gòu)成，每一路的高頻振蕩電路是由集電極LC諧振回路輸出頻率純凈的200MHz的 正弦波，通過(guò)電容耦合到緩沖放大器，緩沖放大器是設(shè)計(jì)為電壓跟隨器； 信號(hào)源的第一高頻信號(hào)作為同相參考信號(hào)發(fā)送至水分感知器，第二路高頻信號(hào)發(fā)送至 相移器，第三路高頻信號(hào)發(fā)送至土壤探針。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述水分感知器對(duì)所述同相參考信號(hào)、所 述正交參考信號(hào)和所述土壤水分感知信號(hào)進(jìn)行處理后，得到包含土壤水分信息的相位差信 號(hào)值，進(jìn)一步包括： 乘法器對(duì)接收的所述同相參考信號(hào)和所述土壤水分感知信號(hào)進(jìn)行相乘，同時(shí)對(duì)接收的 所述正交參考信號(hào)和所述土壤水分感知信號(hào)進(jìn)行相乘，并分別經(jīng)過(guò)濾波器濾除高頻分量得 到相位差的余弦分量和正弦分量； 所述相位差的余弦分量和正弦分量分別送到傳感器的數(shù)字顯示電路中的單片機(jī)中去 運(yùn)算，得到土壤水分信息的相位差的正弦信號(hào)。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述相位差的余弦分量和正弦分量分別送 到傳感器的數(shù)字顯示電路中的單片機(jī)中去運(yùn)算，得到土壤水分信息的相位差的正弦信號(hào)之 后，還包括： 可變?cè)鲆鎯x表放大器對(duì)接收的包含土壤水分信息的相位差信號(hào)進(jìn)行放大處理。
【文檔編號(hào)】G01N23/00GK105842261SQ201610230213
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年4月13日
【發(fā)明人】石慶蘭, 高萬(wàn)林, 董喬雪, 馮磊, 陳飛, 陳一飛, 杜尚豐, 徐云, 楊衛(wèi)中, 孫明, 楊麗麗
【申請(qǐng)人】中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)