通过检测最小驻波测量土壤含水量的仪器制造技术

本实用新型专利技术涉及一种介电法土壤水分测量仪器，具体为一种通过检测最小驻波测量土壤含水量的仪器。包括：扫频信号源，用来产生20-200MHz连续频率正弦高频信号；高频放大电路，用来放大扫频信号源输出的高频信号；阻抗匹配电路，实现与探针的阻抗匹配；峰值检测电路，连接阻抗匹配电路和探针，用来检测入射波与探针反射波干涉合成驻波信号的大小；微控制器，接收峰值检测电路的检测信号，产生控制信号作用于扫频信号源，使扫频信号源产生不同频率的高频信号输出；探针，与阻抗匹配电路连接，插入土壤，提供信号传播路径。通过检测电磁波信号在探针上的传播时间，根据高频信号传播时间与土壤含水量的相关性，实现土壤含水量的快速检测。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种介电法土壤水分测量仪器，具体为一种通过检测最小驻波测量土壤含水量的仪器。
技术介绍
土壤水分测量技术经过漫长的研究，形成的多种测量方法，主要有烘干法、中子法、近红外反射法、介电法等。利用土壤的介电特性来测量土壤含水率是一种非常有效、快速、简单、可靠的方法。最先对土壤介电特性做出系统研究的是前苏联学者Cheryak，他在1964年出版了《湿土介电特性研究一书》引起世界的关注。以此为基础，土壤介电特性迅速应用于土壤水分测量中，实现方法也各有不同，主要有频域分解法、驻波率法、时域反射法(TDR)0 1992年荷兰Wageningen农业大学学者HiIhorst通过大量的研究提出了频域分解法，利用矢量电压技术，在某一理想的测试频率下将土壤的介电常数进行实部与虚部的分解，从而得到土壤电导率与含水率，他还从实验中得出理想的测试频率在20-30MHZ，但在这个频段土壤的介电常数受土质的影响非常大，测量结果不可避免的受到土质的影响，后来Heimovaara的研究也证实了上述的说法。驻波法测量土壤水分含量是1995年由Gaskin和Miller共同提出的，利用微波理论中的驻波比来测量土壤水分含量，他们从实验研究得出土壤介电常数改变能引起传输线上驻波比的改变，以此为依据来测量土壤水分含量，此种测量方法虽然比频域分解法有所改进，且实现简单，但测量精度与传感器互换性上不及时域反射法。影响测量精度的主要问题是探针的阻抗计算，在土壤水分含量高的时候探针可以看成是短线即集中常数器件，但水分含量低的时候，信号在探针上传播速度加快，波长变短，此时探针无法再看成是集中常数器件，影响土壤水分测试的线性。时域反射法是介电测量中的一种高速技术，是在1969年以Feidegg等人关于许多液体介电常数的研究为基础发展而来的。到了 1975年，Topp和Davis将其引入到土壤水分的研究，根据电磁波在不同介电常数介质中传播速度的改变提出了时域反射法(TimeDomain Reflectometry),简称TDR测量方法。时域反射法测量土壤水分的基本原理是IOOMHz的电磁脉冲在同轴线上的传播速度依赖于其传播介质介电特性与损耗，在损耗较小时主要依赖于介电常数实部。TDR 土壤水分测试仪主要由脉冲信号发生器，同轴传输线，探头及高频示波器组成。高频脉冲发生器产生IOOMHz的高频脉冲，并将其通过50欧同轴传输线传至探头。由于同轴传输线与探针阻抗、探针阻抗与土壤阻抗的不同造成信号的反射，测量两次反射之间的时间差即可测量土壤水分含量。时域反射法测量土壤水分含量得到了大家普遍的认可，许多学者对TDR测量土壤含水率的测量敏感区域，土质对测量结果的影响，TDR探头几何结构对测量结果的影响等方面做了大量研究。理论和实验研究表明基于TDR方法的土壤水分测试仪能够满足快速实时测量的要求。但对于土壤这种复杂的多孔介质对象，含水率的变化引起信号在探针上传输时间的改变在1-9 ns之间，为了达到一定测量精度就要求TDR对时间测量的分辨率达到O. I ns。要对如此短的时间进行准确的测量，难度极大。目前世界上掌握此测量技术的只有美国、加拿大、德国等少数国家，因此TDR 土壤水分测试仪的成本也很高，如美国的Trase 土壤水分测试系统价格高达I万美元。因此TDR 土壤水分测试仪只有在极少的高等院校，科研机构中使用，无法大量应用于农田土壤墒情监测。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本技术的目的在于提供一种通过检测最小驻波测量土壤含水量的仪器的技术方案，通过检测电磁波信号在探针上的传播时间，根据高频信号传播时间与土壤含水量的相关性，实现土壤含水量的快速检测。所述的通过检测最小驻波测量土壤含水量的仪器，其特征在于，包括扫频信号源，用来产生20-200MHZ连续频率正弦高频信号；高频放大电路，用来放大扫频信号源输出的高频信号；阻抗匹配电路，实现与探针的阻抗匹配；峰值检测电路，连接阻抗匹配电路和探针，用来检测入射波与探针反射波干涉合成驻波信号的大小；微控制器，接收峰值检测电路的检测信号，产生控制信号作用于扫频信号源，使扫频信号源产生不同频率的高频信号输出；探针，与阻抗匹配电路连接，插入土壤，提供信号传播路径。所述的通过检测最小驻波测量土壤含水量的仪器，其特征在于所述的扫频信号源采用直接数字合成频率技术DDS来实现。所述的通过检测最小驻波测量土壤含水量的仪器，其特征在于所述的探针采用长度为20-40厘米，间距1-5厘米的多针平行结构。所述的通过检测最小驻波测量土壤含水量的仪器，其特征在于所述的探针采用3针平行结构，探针间距20mm，直径5mm，长度300mm，材料为304不锈钢，其直接焊接在PCB板上。本技术通过扫频检测探针入射波与探针反射波干涉合成的最小驻波信号，计算出信号在探针上的传播时间，再根据传播时间计算出土壤的介电常数，最后通过介电常数与土壤含水量的正相关关系，通过定标，可以直接测量出土壤的含水量，比现有的依据直接脉冲反射测量时间间隔更方便快捷，电路实现上也更加简单，且精度高。附图说明图I为本技术原理框图；图2为本技术探针结构示意图；图3为本技术的测量流程图；图中1_扫频信号源，2-高频放大电路，3-阻抗匹配电路，4-探针，5-峰值检测电路，6-微控制器。具体实施方式下面结合说明书附图对本技术做进一步说明图I是本技术测试仪器的一种实施例，包括扫频信号源1，高频放大电路2，阻抗匹配电路3，探针4，峰值检测电路5及微控制器6。扫频信号源I与高频放大电路2、微控制器6相连，受微控制器6控制产生20-200MHZ高频正弦波信号，经高频放大电路2与阻抗匹配电路3输送到探针4，作为土壤水分测试的入射信号。扫频信号源I由AD9910构成，可以产生0-400MHZ的正弦波信号，扫频信号源也可以是由压控振荡器构成。高频放大电路2连接在扫频信号源I与阻抗匹配电路3之间，用于放大扫频信号源I输出的高频正弦波信号，且实现均衡的作用，使不同频率信号的输出电压幅值相同。高频放大电路2由射频运放UPC1658构成，带宽大于1GHz，增益大于18dB，高频放大电路也可以由其他射频运放构成，不只限于UPC1658。阻抗匹配电路3连接高频放大电路2与探针4，使信号传输回路阻抗匹配，避免信 号发生二次反射，提高测量精度，阻抗匹配电路3由电阻构成，也可以是同轴电缆线，也可以是电容电感构成的匹配电路。探针4同时连接阻抗匹配电路3与峰值检测电路5，测量时插入土壤中为高频信号提供传输通道，信号传输至末端产生反射，反射信号与入射信号在探针始端发生干涉叠加形成驻波输入峰值检测电路5。由于不同体积含水量土壤对信号反射延迟时间不同，给定长度探针，只要改变信号频率检测最小驻波即可测出信号反射时间，根据高频信号传播时间与土壤含水量的相关性，再进一步测出土壤体积含水量。探针4的结构如图2所示，采用平行三针结构，探针间距20mm，直径5mm，长度300mm，材料为304不锈钢，直接焊接在PCB板上，图2只是构成探针4的一种实施例，并非只限于此，也可以是两针、单针、多针结构，长度可以是200-400mm，间距10_50mm。峰值检测电路5接收探针4始端的信号，检测信号的峰值，本文档来自技高网...

【技术保护点】
通过检测最小驻波测量土壤含水量的仪器，其特征在于，包括：扫频信号源，用来产生20？200MHz连续频率正弦高频信号；高频放大电路，用来放大扫频信号源输出的高频信号；阻抗匹配电路，实现与探针的阻抗匹配；峰值检测电路，连接阻抗匹配电路和探针，用来检测入射波与探针反射波干涉合成驻波信号的大小；微控制器，接收峰值检测电路的检测信号，产生控制信号作用于扫频信号源，使扫频信号源产生不同频率的高频信号输出；探针，与阻抗匹配电路连接，插入土壤，提供信号传播路径。

【技术特征摘要】
1.通过检测最小驻波测量土壤含水量的仪器，其特征在于，包括 扫频信号源，用来产生20-200MHZ连续频率正弦高频信号； 高频放大电路，用来放大扫频信号源输出的高频信号； 阻抗匹配电路，实现与探针的阻抗匹配； 峰值检测电路，连接阻抗匹配电路和探针，用来检测入射波与探针反射波干涉合成驻波信号的大小； 微控制器，接收峰值检测电路的检测信号，产生控制信号作用于扫频信号源，使扫频信号源产生不同频率的高频信号输出； 探针，与阻抗匹配电路连接，插入土壤，提供信...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱周洪，陈渝阳，陈华才，
申请(专利权)人：浙江托普仪器有限公司，
类型：实用新型
国别省市：