管式土壤水分測量傳感器及測量方法
2023-05-22 10:44:31 1
專利名稱：管式土壤水分測量傳感器及測量方法
技術領域：
本發明屬於土壤水分測量領域，尤其涉及一種對土壤剖面進行測量的管式土壤剖 面水分測量傳感器及測量方法。
背景技術：
土壤水分監測技術廣泛應用於農業、水利、氣象、林業和生態等重要的監測項目 中。土壤水分測量技術是節水抗旱實施的重要的技術保障。而管式土壤水分測量傳感器和 測量儀器則是實現變量灌溉和墒情(旱情)監測的重要技術手段。隨著高新技術的不斷發展，土壤水分檢測技術包括TDR(Time Domain Reflectometry)時域反身寸技術禾口 FDR(Frequency Domain Reflectometry)頻域反身寸技術， 這兩種技術在土壤水分測定中得到了廣泛的應用。早期的TDR技術在土壤中插入探針，通 過測定探針發出電磁波在土壤中的傳播時間來實現土壤含水量的測定；FDR技術是通過探 針感應電磁波在土壤中的傳導和衰減來分析土壤含水量的。傳統的土壤水分測量儀器利用探針直接與土壤接觸的方式檢測土壤的含水量，這 種測量方式操作比較簡單，但這種檢測方式主要有缺點在於必須挖開土壤剖面才能進行 傳感器的分層埋設，檢測時費時、費力，並且中國地域廣闊土壤類複雜，國外的管式土壤水 分測量傳感器給不出在中國各類土壤中的標定特性，往往測量精度得不到保證，加上價格 較高，技術保護不及時等，不宜在中國廣泛推廣應用。
發明內容
本發明克服了上述缺點，提供了一種利用駐波原理、技術先進、電路簡單、適合在 中國大陸使用的管式土壤剖面水分測量傳感器及其檢測方法。為了解決上述問題，本發明採取以下技術方案一種管式土壤水分測量傳感器，包 括探測管，高頻信號發射器、傳輸線等效網絡電路、檢波電路、信號放大電路、雙圓環探頭， 所述傳輸線等效網絡電路的信號接收端與高頻信號發射器的信號發射端連接；傳輸線等效 電路的信號傳輸線連接雙圓環探頭；所述兩個檢波電路信號輸入端分別連接在傳輸線等效 網絡電路的兩端，所述信號放大電路與所述檢波電路的檢測波輸出端相連；所述探測管埋 設於待測土壤中，所述雙圓環探頭與探測管內壁接觸。優選的，所述傳輸線等效網絡電路包括順次並聯的第一電容器、第二電容器和第 三電容器，所述第一電容器輸入端與所述高頻信號源輸出端電連接，所述第三電容器的輸 出端與傳感器探頭的末端電連接，其中第一電容器和第二電容器連接點接地。優選的，所述信號放大電路為差動放大電路，所述差動放大電路的兩路信號輸入 端分別與所述檢波電路檢測波輸出端連接。優選的，所述傳感器雙圓環探頭由兩個同軸的不鏽鋼圓環組成，所述兩個不鏽鋼 圓環分為正極圓環和負極圓環，所述負極圓環的中心與傳輸線等效電路的信號傳輸線連 接，所述正極圓環中心處與通過負極圓環中心的傳輸線等效電路的信號傳輸線連接。
一種基於管式土壤水分測量傳感器的土壤含水量測量方法，包括將雙圓環探頭伸入探測管，在探測管內移動雙圓環探頭，高頻信號發射器通過雙 圓環發射電磁波；在信號放大電路信號輸出端檢測傳輸線等效網絡電路產生駐波時，傳輸線等效網 絡電路兩端的電位差；根據所述檢測的電位差計算被測土壤的介電常數； 根據介電常數與土壤容積含水量的函數關係計算獲得土壤容積含水量。優選的，所述電磁波通過雙圓環探頭的正極圓環發射到外界。本發明利用被測介質中介電常數隨土壤含水量變化而變化這一原理採用駐波原 理測定土壤含水量。管式土壤水分測量傳感器通過所述高頻信號發射器發出高頻信號， 由檢波電路將介電常數的變化轉換為直流電壓輸出，輸出的直流電壓在寬廣的工作範圍內 (0-100% Vol)與土壤含水量的確定數學關係，實現土壤容積含水量的精確測量，測量精度 為士2%。本發明傳感器探頭採用雙圓環金屬探頭，將探測管埋設在待測土壤中，測量時只 需要將雙圓環金屬探頭伸入探測管內進行測量即可，對被觀測的土壤剖面擾動小，檢測方 便，而且電路相對簡單，價格低於國外土壤水分測試儀，調試方便，適合在中國的廣大地域 中使用。
圖1為本發明電路原理框圖；圖2為本發明的傳輸線等效網絡電路圖；圖3為本發明的管式土壤水分測量傳感器等效電路圖。
具體實施例方式為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實 施方式對本發明作進一步詳細的說明。本發明的電路原理框圖如圖1中所示，包括高頻信號發射器11、傳輸線等效網絡 電路12、兩個檢波電路13、差動放大電路14、雙圓環探頭15。其中高頻信號發射器11發 出100MHZ的高頻正弦電磁波信號，此信號經過傳輸線等效網絡電路12傳輸至雙圓環探 頭15，所述雙圓環探頭15由兩個同軸的不鏽鋼圓環組成，兩個圓環套在PVC材料的圓柱軸 上，所述不鏽鋼圓環直徑為42mm，長度為220mm ；所述探測管材料是國產PVC工程塑料，內 徑為42mm，外徑為44. 3mm,管長lm、2m或3m。兩個不鏽鋼的圓環中心處與傳輸線等效網 絡電路12的信號傳輸線連接，高頻正弦電磁波信號通過中心雙圓環探頭的正極圓環發射 到外界，電磁波透過探測管管壁在周圍待測土壤傳播，並被環形圓環負極接收，由於傳輸線 等效網絡電路的阻抗與探頭阻抗不匹配，部分電磁波在探頭與傳輸線等效電路連接處沿信 號傳輸線反射回到傳輸線等效電路，在傳輸線等效電路上入射波和反射波疊加形成駐波， 在形成駐波時的入射波和反射波分別經過檢波電路13將高頻電磁波信號轉化為直流電 壓信號，輸入給信號放大電路，經信號放大電路的調零和放大後，產生0-2. 5V的差分直流 電壓輸出信號，檢測電壓輸出信號，利用壤土中的土壤容積含水量與傳感器輸出電壓的關 系(即標定方程)建立土壤容積含水量與傳感器輸出電壓之間的三次多項式，即為θν =0. 0438V3-0. 1334V2+0. 278V-0. 0306本發明正是通過測量傳輸線等效網絡電路上的駐波率 來測量土壤水分的。參見圖1，駐波時的入射波和反射波分別經過連接在傳輸線等效網絡電路12兩端 的檢波電路13(檢波電路採用國外最先進的解調器集成電路晶片)產生直流信號，輸入給 信號放大電路14，經過所述信號放大電路14的調零和放大後，產生0-2. 5V的差分直流電 壓信號輸出，本發明利用輸出的差分直流信號經過管式土壤水分測量傳感器在土壤中的標 定，建立了土壤體積含水量與傳感器輸出電壓之間的三次多項式關係，即為θ v = 0. 0438V3 -0. 1334V2+0. 278V-0. 0306。圖2為傳輸線等效網絡電路。傳輸線等效網絡電路原理上可用一電感電容網絡等 效。L、C為等效傳輸線參數，C1S傳輸線的輸入電容，C2為傳輸線負載。元件數值的選擇是 在工作頻點上，LC串聯諧振，LC1並聯諧振。根據此原則可確定L值，C的取值根據傳感器 的類型和雙圓環探頭的外部結構通過試驗確定。
傳輸線等效網絡電路12可等效為一段均勻的同軸傳輸線。將任意一段均勻的同 軸傳輸線劃分成許多的微分段dz，對於均勻傳輸線而言，由於其分布參數是沿線均勻分布 的，且由於線元dz的長度極短，故可將看成一個集總參數電路，並用一個Γ型網絡來等效， 其等效電路如圖3中所示，當所述等效同軸傳輸線的長度等于波長λ的四分之一時，駐波的波峰與波谷恰 在等效同軸傳輸線的兩端，等效同軸傳輸線長度通過試驗確定，必須保證在其上產生駐波， 兩端的電位差為
Z — Z(J 廠(J0=IAp =
乙 L + Zr上式中，Zc為傳輸線的特性阻抗，Zl管式土壤水分測量傳感器探頭的特徵阻抗，A 的數值取決於高頻振蕩器的振幅，為恆定值。故在A恆定的情況下傳輸兩端的電位差正比 於反射係數P，而在傳輸線理論中P又可用駐波率表示成Γ =--
1 + Ρ因此本發明要實現的土壤水分測量方法就可以基於駐波率原理的測量方法來實 現。管式土壤水分測量傳感器的探頭屬於規則傳輸線，本發明研究表明管式土壤水分 測量傳感器探頭的特徵阻抗\如下式
「60, RZ1 =~T^ln-
^is r因為傳感器的探頭結構為同軸圓環式結構，由幾何形狀分析它的特性滿足不等 式:ZS > ZL > ZC ；
60 , RZc為同軸電纜的特性阻抗，Zr 二了In —
ν ε 廠
^ 120, RZs為雙軸電纜的特性阻抗，Zs. = 了In —
Λ ε r其中R為外導體半徑，r*內導體半徑，ε為電纜內絕緣物質的介電常數。
根據夾逼關係原理，可確定K的取值範圍為2 > K > 1。設同軸電纜內的介電常數為ε γ(1，探頭內介質的介電常數為ε，即得到 因選定的探頭為不鏽鋼材料，ε γ0 = 1，則 其中ε為土壤、水和空氣混合物的相對介電常數。因此通過檢測傳輸線等效網絡電路兩端的電壓差即可測出土壤的介電常數
ε，最後再根據土壤容積含水量與土壤介電常數的函數關係確定出土壤容積含水量。因此，本項發明的技術性範圍並不局限於說明書上的內容，還有很多根據其權利 要求確定的具體的技術性應用方案。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於 本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和 潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
一種管式土壤水分測量傳感器，其特徵在於，包括探測管，高頻信號發射器、傳輸線等效網絡電路、檢波電路、信號放大電路、雙圓環探頭，所述傳輸線等效網絡電路的信號接收端與高頻信號發射器的信號發射端連接；傳輸線等效電路的信號傳輸線連接雙圓環探頭；所述兩個檢波電路信號輸入端分別連接在傳輸線等效網絡電路的兩端，所述信號放大電路與所述檢波電路的檢測波輸出端相連；所述探測管埋設與待測土壤中，所述雙圓環探頭於探測管內壁接觸。
2.根據權利要求1所述的管式土壤水分測量傳感器，其特徵在於所述傳輸線等效網 絡電路包括順次並聯的第一電容器、第二電容器和第三電容器，所述第一電容器輸入端與 所述高頻信號源輸出端電連接，所述第三電容器的輸出端與傳感器探頭的末端電連接，其 中第一電容器和第二電容器連接點接地。
3.根據權利要求1所述的管式土壤水分測量傳感器，其特徵在於所述信號放大電路 為差動放大電路，所述差動放大電路的兩路信號輸入端分別與所述檢波電路檢測波輸出端 連接。
4.根據權利要求1所述的管式土壤水分測量傳感器，其特徵在於所述傳感器雙圓環 探頭由兩個同軸的不鏽鋼圓環組成，所述兩個不鏽鋼圓環分為正極圓環和負極圓環，所述 負極圓環的中心與傳輸線等效電路的信號傳輸線連接，所述正極圓環中心處與通過負極圓 環中心的傳輸線等效電路的信號傳輸線連接。
5.一種基於管式土壤水分測量傳感器的土壤含水量測量方法，其特徵在於，包括將雙圓環探頭伸入探測管，在探測管內移動雙圓環探頭，高頻信號發射器通過雙圓環 發射電磁波；在信號放大電路信號輸出端檢測傳輸線等效網絡電路產生駐波時，傳輸線等效網絡電 路兩端的電位差；根據所述檢測的電位差計算被測土壤的介電常數；根據介電常數與土壤容積含水量的函數關係計算獲得土壤容積含水量。
6.根據權利要求5所述土壤含水量檢測方法，其特徵在於，所述電磁波通過雙圓環探 頭的正極圓環發射到外界。
全文摘要
本發明提供了一種管式土壤水分測量傳感器及測量方法，包括探測管，高頻信號發射器、傳輸線等效網絡電路、檢波電路、信號放大電路、雙圓環探頭，所述傳輸線等效網絡電路的信號接收端與高頻信號發射器的信號發射端連接；傳輸線等效電路的信號傳輸線連接雙圓環探頭；所述兩個檢波電路信號輸入端分別連接在傳輸線等效網絡電路的兩端，所述信號放大電路與所述檢波電路的檢測波輸出端相連；測量時只需要將雙圓環金屬探頭伸入探測管內將雙圓環探頭伸入埋設在土壤中的探測管內，利用駐波原理檢測計算土壤的含水量即可，對被觀測的土壤剖面擾動小，檢測方便，而且電路相對簡單，價格低於國外土壤水分測試儀，調試方便，適合在中國的廣大地域中使用。
文檔編號G01N27/02GK101858878SQ20091013267
公開日2010年10月13日 申請日期2009年4月7日 優先權日2009年4月7日
發明者王一鳴 申請人:王一鳴