一种基于相位检测原理的土壤含水量测试仪及其方法技术

本发明专利技术涉及一种基于相位检测原理的土壤含水量测试仪，所述测试仪包括：高频正弦信号发生器，信号分离电路，探针，环形器，相位检测器等，其中，相位检测器用于接收信号分离电路发送的参考信号及环形器发送的反射信号，并将二者的相位差直流电压信号输出给模数转换电路；模数转换电路，与所述相位检测器连接，用于将相位检测器产生的直流电压信号变换成数字信号后输入微处理器；微处理器，用于控制所述高频正弦信号发生器的工作频率，及根据所述模数转换电路输出的数字信号计算出测试信号在探针上的传播时间，并根据该传播时间利用公知经验公式计算出土壤含水量。本发明专利技术的测试仪不仅在技术上能够实现，且产品造价低廉，易于在国内推广应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种土壤含水量测试仪及其方法，尤其涉及一种基于 相位检测原理的土壤含水量测试仪及其方法。
技术介绍
随着农业节水技术的推广和应用，在生产和科研活动中越来越需 要实时、快速和准确地监测土壤水分，以确保对农作物适时、适量的 灌溉，或者结合气象预报对未来土壤水分状况进行预测，作为区域调 水、配水和制定灌溉计划的参考依据。虽然现有的一些方法和技术(如称重烘干法、中子仪和张力计等)也用于土壤水分监测，但研 究和实践表明，时域反射仪(Time Domain Reflectometry ，简称TDR)在几种测定土壤水分技术中最具实时、快速和准确等方面的优势，国 外应用TDR时域反射仪还在监测山体滑坡、垃圾填埋、江河和水库提坝安全等方面发挥重要作用。传统的TDR仪器产生一个具有极小上升沿(<200ps)的阶跃电压 信号，其以电磁波的形式沿插入土壤中的探针传播，并在探针的末端 被反射回来，通过高速釆样示波器可以获取整个TDR波形，在TDR波 形上采用双切线方法来确定电磁波在探针上传播的时间(如图1所 示)。探针周围土壤的表观介电常数Ka由下式计算得出〔￡〕2「C0、"U丄J(1)其中c为电磁波在真空中传播的速度，t为电磁波沿插入土壤中的探针传播的时间，L为探针的物理长度。自由水的介电常数为80.36(20 °C),空气的介电常数为l， 土壤颗粒的介电常数一般为3 5，因此湿土的介电常数主要取决于土壤含水量。土壤含水量由以下经验公式给 出《=-5.3x10-2 +2.92x10-2r。 -5.5xl0乂2 +4.3xl0-6i:"3 ( 2 )国外的时域反射仪(TDR)中使用的快速阶跃信号发生器、超高 速A/D转换器和高精度高分辨率时间基准所需的IC芯片精度和规格 要求较高，造价髙昂。我国生产和科研单位目前使用的TDR时域反 射仪主要从美国、加拿大和德国等进口 (如Tectronix 1502C， Trase， MP-917， Trime等)。TDR时域反射仪的单机价格约一万美元，成套 设备价格为几万美元，目前急需设计出一种具备同等功能，但设计更 合理、造价更低廉的替代性产品方案。
技术实现思路
(一) 要解决的技术问题本专利技术的目的是要克服现有技术的不足，提供一种基于相位检测 原理的土壤含水量测试仪(TDR)及其方法，不仅在技术上能够实现， 而且价格大大低于国外产品，易于在国内推广应用。(二) 技术方案针对以上问题，本专利技术提出的 一种基于相位检测原理的土壤含水量测试仪，包括高频正弦信号发生器，用于产生单一频率的高频正弦电压信号； 信号分离电路，与所述高频正弦信号发生器相连，用于将所述高频正弦信号发生器产生的高频正弦电压信号分离为参考信号和用于测试信号；探针，通过同轴电缆与所述信号分离电路的测试信号输出端连 接，并用于置于待测土壤中以反射测试信号；环形器，与所述信号分离电路相连，用于作为所述测试信号的信 号通道，并作为所述测试信号在探针末端被反射回来后的反射信号的信号通道；相位检测器，分别与信号分离电路和环形器连接，用于接收信号 分离电路发送的参考信号及环形器发送的反射信号，并将二者的相位差直流电压信号输出给模数转换电路；模数转换电路，与所述相位检测器连接，用于将相位检测器产生的直流电压信号变换成数字信号后输入微处理器；微处理器，用于控制所述高频正弦信号发生器的工作频率，及根 据所述模数转换电路输出的数字信号计算出测试信号在探针上的传 播时间，并根据该传播时间利用公知经验公式计算出土壤含水量。其中，所述高频正弦信号发生器包括由石英晶体振荡器、鉴频鉴 相器、低通滤波器、压控振荡器和分频器组成的锁相环电路。其中，所述测试仪还包括一微处理器外围电路，该外围电路由与 微处理器连接的LCD显示、键盘、存储器、USB接口组成，用于提供 人机操作界面和数据通信接口 。其中，所述探针的探针针体和探针末端覆盖着厚度为lmm的PVC 绝缘涂层。其中，所述探针的探头与同轴电缆的连接处设有尺寸大小适中的 使得其在探头外壳材料中的特征阻抗与同轴电缆特征阻抗相等的连 接铜柱。本专利技术还提供了 一种利用前述任 一种土壤含水量测试仪测量土 壤含水量的方法，本方法包括如下步骤Sl:利用高频正弦信号发生器产生单一频率的高频正弦电压信号；S2:利用信号分离电路将所述高频正弦信号发生器产生的高频正 弦电压信号分离为参考信号和用于测试信号；S3:将上述参考信号发送给相位检测器，并将测试信号通过环形 器传输至探针末端后反射回来的反射信号通过环形器传输至相位检6测器；S4:利用相位检测器将测试信号和反射信号的相位差直流电压信号输出给模数转换电路；S5:利用模数转换电路将相位检测器产生的相位差直流电压信号变换成数字信号后输入微处理器；S6:利用微处理器根据所述模数转换电路输出的数字信号计算出 测试信号在探针上的传播时间，并根据该传播时间利用公知经验公式 计算出土壤含水量。(三)有益效果本专利技术提供的一种新的基于相位检测原理的时域反射土壤水分 测试仪(TDR)和土壤水分测量方法，不仅在技术上能够实现，而且 产品造价低廉，成本大大低于国外产品，易于在国内推广应用。附图说明图1为传统的TDR测量电磁波传播时间的方法的示意图2为本专利技术的测试信号传播路径示意图3为本专利技术土壤含水量测试仪的电路组成框图4为本专利技术高频正弦信号源电路的组成框图5为本实施例平行三棒式带PVC绝缘层探头的内部结构图6为本实施例微处理器上的P-TDR系统软件工作流程图。具体实施例方式本专利技术提出的一种基于相位检测原理的土壤含水量测试仪 (TDR)及其方法结合附图和实施例说明如下。以下实施方式仅用于 说明本专利技术，而并非对本专利技术的限制，有关
的普通技术人员， 在不脱离本专利技术的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变 型，因此所有等同的技术方案也属于本专利技术的范畴，本专利技术的专利保 护范围应由各权利要求限定。7传统的TDR仪器产生一个具有极小上升沿(<200ps)的阶跃电 压信号，其以电磁波的形式沿插入土壤中的探针传播，并在探针的末 端被反射回来，通过高速采样示波器可以获取整个TDR波形，在TDR 波形上釆用双切线方法来确定电磁波在探针上传播的时间(如图1所 示)。探针周围土壤的表观介电常数Ka由下式计算得出<formula>formula see original document page 8</formula>其中c为电磁波在真空中传播的速度，t为电磁波沿插入土壤中 的探针传播的时间，L为探针的物理长度。自由水的介电常数为80. 36 (2(TC)，空气的介电常数为1, 土壤颗粒的介电常数一般为3~5， 因此湿土的介电常数主要取决于土壤含水量。土壤含水量由以下经验 公式给出《=—5.3xl(T2 +2.92xl(T2/:。 —5.5xl0一4^。2 +4.3x10—6 Z。3 (2)如图2所示，为测试信号的传播路径示意图，锁相环产生的单一 频率的正弦电压信号，以电磁波的形式沿同轴电缆和探针传播，并在 探针的末端被反射回来。环行器将反射信号分离出来，与入射信号一 起进入相位检测器。相位检测器将入射信号和反射信号的相位差转换 为直流电压信号，AD转换器将模拟本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于相位检测原理的土壤含水量测试仪，其特征在于，所述测试仪包括：　高频正弦信号发生器，用于产生单一频率的高频正弦电压信号；　信号分离电路，与所述高频正弦信号发生器相连，用于将所述高频正弦信号发生器产生的高频正弦电压信号分离为 参考信号和用于测试信号；　探针，通过同轴电缆与所述信号分离电路的测试信号输出端连接，并用于置于待测土壤中以反射测试信号；　环形器，与所述信号分离电路相连，用于作为所述测试信号的信号通道，并作为所述测试信号在探针末端被反射回来后的 反射信号的信号通道；　相位检测器，分别与信号分离电路和环形器连接，用于接收信号分离电路发送的参考信号及环形器发送的反射信号，并将二者的相位差直流电压信号输出给模数转换电路；　模数转换电路，与所述相位检测器连接，用于将相位检测器产 生的直流电压信号变换成数字信号后输入微处理器；　微处理器，用于控制所述高频正弦信号发生器的工作频率，及根据所述模数转换电路输出的数字信号计算出测试信号在探针上的传播时间，并根据该传播时间利用公知经验公式计算出土壤含水量。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王一鸣，龚元石，王克栋，张方贤，李子忠，杨卫中，冯磊，董乔雪，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]