一种探头可替换的土壤水分传感器及其测量方法技术

本发明专利技术公开了一种探头可替换的土壤水分传感器及其测量方法，该传感器包括传感器探头、传感器探头接口、信号驱动模块、高频信号源、匹配阻抗、高频检波模块和调理模块，传感器探头与传感器探头接口连接，高频信号源、信号驱动模块、匹配阻抗以及传感器探头接口形成检测回路，匹配阻抗两端的电压经过高频检波和差分处理后输出到调理模块，信号经调理后输出。该方法是根据替换前探头所建立的传感器输出电压、土壤水分、溶液介电常数均方根两两之间的线性关系，通过调理模块，使替换后的探头在同样已知的溶液中的输出和替换前探头输出值相等，经调理后的传感器即可直接用于检测。本发明专利技术具有结构简单、操作简便、稳定可靠和功耗较低的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及农田土壤信息采集领域，特别涉及。
技术介绍
土壤中的水不仅是作物生长的重要物质，也为作物与土壤的各种营养和能量交换提供重要途径。因此对农田中的水分进行测量具有重要意义。目前检测农田中水分的传感器有很多种，其中较常用的有一种基于介电理论的土壤水分传感器，该类传感器通常采用时域反射法(Time Domain Reflectometry,TDR)和频域法(Frequency Domain,FD)这两种技术手段来实现，TDR方法是通过测量电磁波脉冲沿着土壤介质中已知长度传输线传播所需时间，然后估计含水土壤的混合介电常数进而获得水分含量信息。FD方法是通过直接测量土壤探头阻抗的变化，从而确定土壤含水量。CN101216439公开了一种基于TDR方法的土壤水分测量仪器及方法，该方法通过脉冲信号在传感器探针始端和终端的反射时间差，从而测量土壤含水量。该类方法传感器每次测量需要一个各态历经的过程，所需时间通常在数秒甚至20秒以上，实时性较差。CN101281152公开了一种基于FD方法的土壤水分传感器，该传感器通过土壤探针发出20KHz脉冲方波激励信号并接收其两端充电电压的峰值信号，进而获得土壤水分信息。该方法由于激励信号频率较低，受土壤中电导率影响较大。在已有的基于FD方法的土壤水分传感器中，探头均是固定不动的，即探头的长度和直径是事先安装好的，所测量土壤水分信息是探头所处区域的平均结果。在对不同根系长度的作物水分运移、墒情控制等研究应用中，通常需要作物根系范围总体或局部土壤水分信息，显然现有的装置和方法已不能完全满足其要求。因此，研究一种可根据测量需要对传感器探头进行替换的传感器具有极大的应用价值。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种探头可替换的土壤水分传感器，该传感器基于介电原理，在传统的FD检测方法基础上进行改进，探头的长度和直径可以根据实际测量需要进行替换，例如可以根据不同作物根系长度选择对应长度的探头，从而可以测量根系范围土壤水分信息，具有测量准确的优点。本专利技术的另一目的在于提供一种基于上述探头可替换的土壤水分传感器的测量方法。本专利技术的目的通过以下的技术方案实现一种探头可替换的土壤水分传感器，包括传感器外壳、传感器探头、置于传感器外壳内部的输入输出接口、传感器探头接口以及检测电路，所述检测电路包括电源模块、信号驱动模块、高频信号源、匹配阻抗、高频检波模块和调理模块，其中输入输出接口分别与电源模块和调理模块连接，外部电源通过输入输出接口供电给电源模块，电源模块为检测电路中的各模块提供工作电压；在测量时根据测量需要预先选定的传感器探头与传感器探头接口连接，高频信号源、信号驱动模块、匹配阻抗以及传感器探头接口依次连接，形成检测回路，高频检波模块对匹配阻抗两端的电压进行高频检波和差分处理后输出到调理模块，信号经调理后通过输入输出接口输出到外部处理器。优选的，所述匹配阻抗为感性元件。优选的，所述传感器探头由三根规格相同的不锈钢探针组成，探针的长度根据测量需要在以下约束条件下确定权利要求1.一种探头可替换的土壤水分传感器，其特征在于，包括传感器外壳、传感器探头、置于传感器外壳内部的输入输出接口、传感器探头接口以及检测电路，所述检测电路包括电源模块、信号驱动模块、高频信号源、匹配阻抗、高频检波模块和调理模块，其中输入输出接口分别与电源模块和调理模块连接，外部电源通过输入输出接口供电给电源模块，电源模块为检测电路中的各模块提供工作电压；在测量时根据测量需要预先选定的传感器探头与传感器探头接口连接，高频信号源、信号驱动模块、匹配阻抗以及传感器探头接口依次连接，形成检测回路，高频检波模块对匹配阻抗两端的电压进行高频检波和差分处理后输出到调理模块，信号经调理后通过输入输出接口输出到外部处理器。2.根据权利要求I所述的探头可替换的土壤水分传感器，其特征在于，所述匹配阻抗为感性元件。3.根据权利要求I所述的探头可替换的土壤水分传感器，其特征在于，所述传感器探头由三根规格相同的不锈钢探针组成，探针的长度根据测量需要在以下约束条件下确定 其中，L为探针的长度，ε为含水土壤的等效介电常数，f为激励信号频率，c为电磁波在真空中的传播速度； 所述探针直径要小于探针之间的间距。4.根据权利要求I所述的探头可替换的土壤水分传感器，其特征在于，所述外部电源通过输入输出接口供给电源模块的电压范围为4. 2^16伏直流电。5.根据权利要求4所述的探头可替换的土壤水分传感器，其特征在于，所述电源模块产生±Vd两种工作电压，其中高频检波模块的工作电压为-Vd ;调理模块的工作电压为土 Vd，高频信号源、信号驱动模块的工作电压为+vd。6.根据权利要求5所述的探头可替换的土壤水分传感器，其特征在于，所述传感器中电源模块产生的工作电压Vd为±4伏直流电。7.根据权利要求I所述的探头可替换的土壤水分传感器，其特征在于，所述高频信号源采用频率为IOOMHz的无源晶振并产生正弦波高频信号； 所述匹配阻抗和探头阻抗的幅值在相同或相邻数量级； 所述调理模块对经过高频检波模块后的输出电压进行零点调整和增益调整，在不同的输出信号损耗要求下，使传感器测量结果以电压或电流形式输出。8.根据权利要求7所述的探头可替换的土壤水分传感器，其特征在于，高频信号源产生的正弦波高频信号经信号驱动模块为探头阻抗提供峰-峰值在O. 9-1. IV之间的激励信号。9.一种基于权利要求1-8任一项所述的探头可替换的土壤水分传感器的测量方法，其特征在于，包括以下步骤 (I)首先在满足以下约束条件下确定一组探针的长度和直径，其中L为探针的长度，ε为含水土壤的等效介电常数，f为激励信号频率，c为电磁波在真空中的传播速度；10.根据权利要求9所述的探头可替换的土壤水分传感器的测量方法，其特征在于，所述步骤(5)中，在选择已知的有机溶液进行调理时，选择介电常数最大时所对应的有机溶液。全文摘要本专利技术公开了，该传感器包括传感器探头、传感器探头接口、信号驱动模块、高频信号源、匹配阻抗、高频检波模块和调理模块，传感器探头与传感器探头接口连接，高频信号源、信号驱动模块、匹配阻抗以及传感器探头接口形成检测回路，匹配阻抗两端的电压经过高频检波和差分处理后输出到调理模块，信号经调理后输出。该方法是根据替换前探头所建立的传感器输出电压、土壤水分、溶液介电常数均方根两两之间的线性关系，通过调理模块，使替换后的探头在同样已知的溶液中的输出和替换前探头输出值相等，经调理后的传感器即可直接用于检测。本专利技术具有结构简单、操作简便、稳定可靠和功耗较低的优点。文档编号G01N27/22GK102914568SQ201210380340公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月9日 优先权日2012年10月9日专利技术者罗锡文, 曾庆猛, 臧英, 周志艳 申请人:华南农业大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种探头可替换的土壤水分传感器，其特征在于，包括传感器外壳、传感器探头、置于传感器外壳内部的输入输出接口、传感器探头接口以及检测电路，所述检测电路包括电源模块、信号驱动模块、高频信号源、匹配阻抗、高频检波模块和调理模块，其中输入输出接口分别与电源模块和调理模块连接，外部电源通过输入输出接口供电给电源模块，电源模块为检测电路中的各模块提供工作电压；在测量时根据测量需要预先选定的传感器探头与传感器探头接口连接，高频信号源、信号驱动模块、匹配阻抗以及传感器探头接口依次连接，形成检测回路，高频检波模块对匹配阻抗两端的电压进行高频检波和差分处理后输出到调理模块，信号经调理后通过输入输出接口输出到外部处理器。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：罗锡文，曾庆猛，臧英，周志艳，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：