本发明专利技术公开了一种基于频域反射法的管针式土壤含水率检测方法及装置，涉及土壤含水率检测技术领域。以高频信号作为激励信号，根据电磁波传输理论中阻抗匹配的原理，测量高频衰减信号幅值，以反映待测土壤和探头阻抗的变化；同时测量土壤的容积密度和温度，根据含水率与高频衰减信号幅值、温度和容积密度的函数关系或温度和容积密度对含水率的修正方法，精确地获得土壤的含水率。基于该方法的装置包括管针式土壤含水率探头、50Ω同轴连接线、高频信号激励电路、电压检测电路、温度传感器、质量传感器、电源模块、微处理器和显示模块。利用本发明专利技术可消除土壤温度和容积密度对土壤含水率测量的影响，实现土壤含水率的准确、快速测量，且成本低。
【技术实现步骤摘要】
一种基于频域反射法的管针式土壤含水率检测方法和装置
本专利技术涉及土壤含水率检测
，特别涉及一种基于频率反射法的管针式土壤含水率检测方法和装置。
技术介绍
土壤是农业生产的基本生产资料，也是为农作物提供养分的载体。土壤含水率对于农作物的生长非常重要。首先农作物必须要吸收足够的水分才能满足自身的生长需要；其次，水分将土壤中营养物质溶解成溶液，通过植物根部细胞内外的溶液浓度进行交换，完成营养的吸收；最后，水分的渗透作用可以将人工施加的肥料带入土壤内部，使土壤肥力提高。土壤含水率是了解农田状况以及农作物生长状况的一项重要指标。目前，土壤含水率检测装置所采用的方法主要有张力计法、电阻法、中子法、射线法、光学法和介电法。相比而言，通过土壤介电特性测量土壤含水率的介电法是一种快速、简单、有效的测量方法。1976年，Topp和Davis首先将时域反射法引入到土壤水分快速测量的研究中，并于1980年应用统计数学中数值逼近理论中的理论分类法找出了土壤含水率与介电常数间的多项式关系的经验方程，并在不同成分、类型的土壤条件下进行了试验，证明具有较高的测量精度。以此为基础，基于介电特性测量土壤含水率的方法得到了广泛的探索和应用。目前，在国内市场上基于介电法研发的土壤含水率传感器主要有时域反射法(TDR)和频域反射法(FDR)两种。其中时域反射法(TDR)是基于电磁波在不同介质中传播速度不同的原理，根据高频电磁波在土壤中发射波和反射波间的时间差来测定土壤含水率。由于电磁波传播速度很快，导致发射波与反射波的时间差极短，需要超高速延迟测量技术，因此，该技术的成本较高，较难应用于低成本的农业生产中。频域反射法(FDR)是根据土壤表观介电常数随土壤含水率变化而变化的原理测量土壤含水率。基于频域反射法(FDR)的土壤含水率检测仪器一般在几十到几百兆赫兹范围内工作，可以将介电常数的变化用电压或其他形式表现。频域反射法(FDR) 土壤含水率检测仪器的测量结果易受土壤的质地、温度和容重的影响。现有的频域法土壤含水率检测仪通过实验标定和引入温度传感器来克服土壤质地和环境温度的影响，而大多未考虑土壤容重的影响，导致测量精度不高。增加土壤紧实度传感器而设计的复合式土壤含水率传感器对于减小容重影响，提高含水率检测精度有重要的作用，但却使仪器成本增加，而且步进电机的使用又增加了传感器操作的复杂程度。因此，有必要开发快速、低成本、操作简便、精度较高的土壤含水率检测仪。本专利技术的目的:克服现有技术不足，提供一种基于频域反射法(FDR) 土壤水分快速、低成本、操作简便、精度高的测量方法和装置。本专利技术要解决的技术问题:(I)在频域反射法(FDR) 土壤水分测量技术基础上如何同时消除土壤温度、土壤容积密度对测量结果的影响，且测量速度快、操作方便、成本低、精度高；(2 )基于频域反射法(FDR)，设计一种测量探头及相关的测量辅助系统，实现对土壤水分测量时，能快速、方便、低成本地同时消除温度和容积密度对测量结果的影响，获得较高的测量精度。
技术实现思路
针对现有频域反射法(FDR) 土壤含水率仪器存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种一种基于频域反射法的管针式土壤含水率检测方法。其特征在于，以高频信号作为激励源，根据电磁波传输理论中阻抗匹配的原理，测量50Q同轴连接线与管针式土壤含水率探头相连处的高频电压的幅值，以反映待测土壤和探头阻抗的变化；利用土壤附着力以及管针式结构带出待测土壤，根据质量传感器测得的土壤质量和管针式结构探头带出土壤区域的体积获得土壤的容积密度，利用温度传感器测量土壤的温度，根据实验条件建立的土壤含水率与探头处的电压幅值、土壤温度和容积密度的函数关系或温度和容积密度对含水率的修正方法，精确地计算出土壤的含水率。此外，本专利技术的目的还在于提供一种结构简单、操作方便、可以快速测量土壤容积密度的基于频率反射法的管针式土壤含水率检测装置。该装置包括:管针式土壤含水率探头1、50Q同轴连接线2、高频信号激励电路3、电压检测电路4、温度传感器5、质量传感器6、电源模块7、微处理器8和显示模块9 ； 所述管针式土壤含水率探头I包括测量探针10、测量管11和测量手柄12 ;测量探针10位于测量管11中心，测量探针10和测量管11固定在测量手柄12上；所述温度传感器5嵌入安装于管针式土壤含水率探头I测量管11外侧；所述质量传感器6安装于管针式土壤含水率探头I的测量手柄12下端，质量传感器6的下端面为一个平面，可保证管针式土壤含水率探头(I)及其上附属部件以此平面为支撑倒立站稳；测量手柄12上对称布置有手把19，与管针式土壤含水率探头1、温度传感器5以及质量传感器6相连的电缆20从一侧手把19中心穿出； 所述50 Q同轴连接线2的中心导线的一端与管针式土壤含水率探头I的测量探针10相连，其屏蔽金属网线与管针式土壤含水率探头I的测量管11相连；50Q同轴连接线2中心导线的另一端连接高频信号激励电路3 ； 所述高频信号激励电路3包括高频信号发生芯片16、差分处理电路17和放大电路18，用于产生管针式土壤含水率探头I所适用的高频信号； 所述电压检测电路4包括高频滤波13、高频检波14和信号处理15模块，用于检测50 Q同轴连接线2与管针式土壤含水率探头I相连处的高频电压的幅值，以反映待测土壤和探头阻抗的变化；所述温度传感器5和质量传感器6分别用于采集所测土壤样品的温度和质量; 所述微处理器8分别与电压检测电路4、温度传感器5和质量传感器6相连，用于处理电压检测电路4输出信号、温度传感器5输出信号和质量传感器6输出信号，计算土壤含水率； 所述显示模块9与微处理器8相连，用于显示微处理器8输出的土壤含水率计算结果；所述电源模块7分别与高频信号激励电路3、电压检测电路4、温度传感器5、质量传感器6和微处理器8相连，为它们提供电源。本专利技术提出的一种基于频域反射法的土壤含水率检测装置的检测方法包括以下步骤: 51:将管针式土壤含水率探头I插入待测土壤，启动测量； 52:由高频信号激励电路3产生高频信号，并通过50 Ω同轴连接线2将其传输到管针式土壤含水率探头1，由于管针式土壤含水率探头I与50 Ω同轴连接线2阻抗不匹配，将产生低于高频信号激励电路3输出电压幅值的高频衰减信号； 53:电压检测电路4对检测到的高频衰减信号进行高频滤波13、高频检波14和信号处理15，得到未修正土壤含水率信号； 54:由温度传感器5测量待测土壤的温度，得到土壤温度； 55:将管针式土壤含水率探头I拔出，管针式土壤含水率探头I利用土壤附着力将待测土壤带出； 56:将管针式土壤含水率探头I垂直倒立在一个水平面上，测量探针10在上，测量手柄12在下，由质量传感器6测量管针式土壤含水率I和带出土壤总质量，根据土壤质量计算土壤容积密度的方法为:本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于频域反射法的管针式土壤含水率检测方法，其特征在于，以高频信号作为激励信号，根据电磁波传输理论中阻抗匹配的原理，测量50Ω同轴连接线与管针式土壤含水率探头相连处的高频电压的幅值，以反映待测土壤和探头阻抗的变化；利用土壤附着力以及管针式结构带出待测土壤，根据质量传感器测得的土壤质量和管针式土壤含水率探头的测量探针和测量管内侧之间可容纳土壤的体积获得土壤的容积密度，利用温度传感器测量土壤的温度，根据实验条件建立的土壤含水率与50Ω同轴连接线与管针式土壤含水率探头相连处的高频电压的幅值、土壤温度和容积密度的函数关系或温度和容积密度对含水率的修正方法，精确地计算出土壤的含水率。
【技术特征摘要】
1.一种基于频域反射法的管针式土壤含水率检测方法，其特征在于，以高频信号作为激励信号，根据电磁波传输理论中阻抗匹配的原理，测量50 Ω同轴连接线与管针式土壤含水率探头相连处的高频电压的幅值，以反映待测土壤和探头阻抗的变化；利用土壤附着力以及管针式结构带出待测土壤，根据质量传感器测得的土壤质量和管针式土壤含水率探头的测量探针和测量管内侧之间可容纳土壤的体积获得土壤的容积密度，利用温度传感器测量土壤的温度，根据实验条件建立的土壤含水率与50 Ω同轴连接线与管针式土壤含水率探头相连处的高频电压的幅值、土壤温度和容积密度的函数关系或温度和容积密度对含水率的修正方法，精确地计算出土壤的含水率。2.一种基于频域反射法的管针式土壤含水率检测装置，其特征在于，包括管针式土壤含水率探头(I)、50 Ω同轴连接线(2)、高频信号激励电路(3)、电压检测电路(4)、温度传感器(5)、质量传感器(6)、电源模块(7)、微处理器(8)和显示模块(9)； 所述管针式土壤含水率探头(I)包括测量探针(10)、测量管(11)和测量手柄(12);测量探针(10)位于测量管(11)中心，测量探针(10)和测量管(11)固定在测量手柄(12)上；所述温度传感器(5 )嵌入安装于管针式土壤含水率探头(I)测量管(11)外侧；所述质量传感器(6)安装于管针式土壤含水率探头(I)的测量手柄(12)下端，质量传感器(6)的下端面为一个平面，可保证管针式土壤含水率探头(I)及其上附属部件以此平面为支撑倒立站稳；测量手柄(12)上对称布置有手把(19)，与管针式土壤含水率探头(I)、温度传感器(5)以及质量传感器(6)相连的电缆(20)从一侧手把(19)中心穿出； 所述50Ω同轴连接线(2)的中心导线的一端与管针式土壤含水率探头(I)的测量探针(10)相连，其屏蔽金属网线与管针式土壤含水率探头(I)的测量管(11)相连；50 Ω同轴连接线(2)中心导线的另一端连接高频信号激励电路(3)； 所述高频信号激 励电路(3)包括高频信号发生芯片(16)...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭文川，宋克鑫，韩文霆，
申请(专利权)人：西北农林科技大学，
类型：发明
国别省市：
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