一種土壤水分測量儀器及方法

2023-05-18 20:56:31 4

專利名稱：一種土壤水分測量儀器及方法
技術領域：
本發明涉及高頻測量領域，具體涉及一種土壤水分測量儀器及方法。
背景技術：
在農業生產過程中，土壤不僅對植物的生長提供物理支撐，也是 植物生長的營養庫。水是保證農作物生長的命脈，土壤中所發生的一 系列反應，能量與物質交換均與水分有關，它直接關係著作物產量與品質。TOPP ( 1980)通過實驗給出的土壤介電常數與土壤含水率之 間的近似關係式，稱為TOPP公式，實踐證明該實驗公式可以在不同 類型、成分的土壤條件下取得較高的精度(0.022m3m-3， Jacobsen和 Schjonning, 1994)。因此基於土壤介電特性的土壤含水率測量方法研 究引起了 土壤科學工作者的廣泛關注與重視。時域反射方法(TDR, time domain reflectometer )、頻域方法(FD, Frequency Domain)是土壤水分的介電測量理論的兩個主要實現方 法。TDR方法的產生源於電纜的故障定位診斷。上世紀80年代初期加 拿大學者TOPP等率先將此方法成功用於土壤水分測量。但是由於土 壤探針長度通常不超過20cm,因此以土壤水分為對象的、基於TDR 測量原理的反射時間差遠小於電纜故障診斷定位反射時間差，常規反 射測量技術無法實現土壤水分儀器化設計。目前為止TDR原理的土壤 水分測量儀器基本上都是以陡峭前沿的階躍脈衝作為激勵信號，測量 反射時差的關鍵技術還不成熟，無法實現土壤水分儀器化設計。發明內容本發明的目的是提供 一種土壤水分測量儀器及方法，本發明簡化 了確定反射時間差的算法，利用該設備和方法可以在3 4秒時間內快速完成土壤樣品含水率的測量，且精度高，低成本，易於批量化生產。 為達上述目的， 一方面，本發明提出了一種基於時域反射原理(TDR)的土壤水分測量儀器，該儀器包括脈衝信號發生器，用於 產生第一脈衝信號，並通過同軸傳輸線將其傳輸到測量探針；所述測量探針，與所述脈衝信號發生器連接，插入待測土壤中，用於在接收 所述脈衝信號後在其始端和末端進行反射，分別產生兩路脈衝反射信號；脈衝檢測電路，與所述測量探針連接，用於對所述測量探針產生 的兩路脈衝反射信號進行檢波和釆樣，得到釆樣後的兩路脈衝反射信 號；微控制單元，與所述脈衝檢測電路連接，用於根據釆樣後的兩路 脈衝反射信號得到土壤的單位容積含水率。該儀器中，其中所述脈衝檢測電路包括延時電路，與所述微控 制單元連接，由微控制單元控制輸出固定延時信號；脈衝發生電路， 與所述延時電路連接，用於將所述固定延時信號觸發後產生第二脈衝 信號，所述第二脈衝信號與所述測量探針產生的兩路脈衝反射信號分 別疊加，得到疊加後的兩路脈衝信號；檢波電路，與所述脈衝發生電 路連接，用於對疊加後的兩路脈衝信號進行檢波，得到檢波後的兩路 脈衝信號；釆樣保持電路，與所述檢波電路連接，在所述延時電路產 生固定延時信號的同時，對檢波後的兩路脈衝信號進波釆樣，得到釆 樣後的兩路脈衝信號。該儀器還包括與所述微控制單元連接的數據顯示電路，用於顯示 微控制單元得到的土壤的單位容積含水率數據。該儀器還包栝與所述微控制單元連接的數據傳輸電路，用於接收 所述微控制單元發送的數據，並將所述數據傳輸到與該數據傳輸電路 連接的設備。該儀器還包括連接在所述微控制單元和脈衝信號發生器之間的 觸發電路，所述觸發電路由所述微控制單元控制，向所述脈衝信號發 生器發送觸發信號。該儀器還包括連接在所述脈衝檢測電路和微控制單元之間的 A/D轉換電路，所述A/D轉換電路將釆樣後的兩路脈衝反射信號進 行模/數轉換後，發送到所述微控制單元。該儀器還包括電源單元，用於向所述微控制單元、脈衝信號發生 器和脈衝檢測電路供電。其中，所述脈衝信號發生器為開關電晶體。另一方面，本發明提出了一種基於時域反射原理(TDR)的土壤 水分測量方法，該方法包括以下步驟Sl:將測量探針插入待測土壤中，啟動測量；S2:由脈衝信號發生器產生脈衝信號，並通過同軸傳輸線將其傳 輸到測量探針，該脈衝信號在測量探針的始端和末端進行反射，分別 產生兩路脈衝反射信號；S3:將所述兩路脈衝反射信號輸出到脈衝檢測電路進行檢波和釆 樣，得到釆樣後的兩路脈衝反射信號；S4:將釆樣後的兩路脈衝反射信號發送到微控制單元，所述微控 制單元根據釆樣後的兩路脈衝反射信號求出其傳輸時間差，由傳輸時 間差得到待測土壤的介電常數，根據所述介電常數得到土壤的單位容 積含水率。該方法中，在步驟S4中，由傳輸時間差得到待測土壤的介電常 數的方法為根據公式《a = (W/2L )2求出待測土壤的介電常數尺"，其中c為 光速，^為脈衝在測試探針(5)中的傳播時間，L為測試探針(5) 的長度。本發明的設備利用脈衝發生裝置產生脈衝信號作為激勵源，根據 已知的電磁波傳輸理論，測量鏡像反射波的時間差，可定量獲取"探 頭-介質(土壤)"傳輸線的相對介電常數，進而根據實驗室環境特 定樣本下獲取的介電常數與含水率標定曲線，即可得知被測土壤實際對應的單位容積含水率，利用本發明的設備和方法測試速度快，且精 度高，成本低，易於批量化生產。


圖1為本發明土壤水分測量儀器的電路組成框圖； 圖2為本發明土壤水分測量儀器的外觀示意圖； 圖3為本發明土壤水分測量儀器的電源管理示意圖； 圖4為本發明土壤水分測量儀器中脈衝檢測電路的原理框圖； 圖5為本發明土壤水分測量方法的流程圖。 圖中1、脈衝信號發生器；2、觸發電路；3、脈衝檢測電路；4、 同軸傳輸線；5、測量探針；6、同軸連接器；7、微控制單元；8、 A/D轉換電路；9、顯示電路；10、數字傳輸電路；11、 LCD顯示模塊； 12、測量按鈕；13、串口； 14、開關；15、復位按鍵；16、充電接口； 17、延時電路；18、脈衝發生電路；19、檢波電路；20、釆樣保持電 路。
具體實施方式
以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。 本發明的理論基礎是將土壤和插入土壤的測量探針看作一段傳 輸線，根據窄脈衝信號在測量探針中傳播速度與介質(這裡為土壤) 的介電常數的關係，確定出介質(這裡為土壤)的介電常數，根據該 介電常數，再由TOPP公式計算出介質(這裡為土壤)的單位容積含 水率。本實施例就是應用上述理論來進行測量土壤中的單位容積含水 率，本實施例中上述的介質為土壤，土壤水分測量儀器利用脈衝發生 器產生一個皮秒級上升沿脈衝，當該脈衝作用於插入土壤類多孔介質 中的測量探頭時，由於測量探頭具有一定的波導阻抗，根據已知的電 磁波傳輸理論，該脈衝信號將在傳感器測量探頭的始端與末端產生因 阻抗不匹配而形成時域反射，以專用的脈衝檢測電路測量並記錄反射波形，測量兩路鏡像反射波的時間差，可定量獲取"探頭-介質(土 壤)"傳輸線的相對介電常數。進而根據實驗室環境特定樣本下獲取 的介電常數與含水率標定曲線，即可得知被測土壤實際對應的單位容 積含水率。本實施例中基於時域反射原理(TDR)的土壤水分測量儀器和測 量方法詳述如下如圖1所示為本發明土壤水分測量儀器的電路組成框圖，該儀器 的內部電路包括脈衝信號發生器l，與同軸傳輸線4連接後接入測量探針5，在接 收觸發電路2發送的觸發信號後，產生上升時間和下降時間在皮秒量 級的脈衝信號；觸發電路2，與脈衝信號發生器l和微控制單元(MCU) 7連接， 由微控制單元7控制，向觸發脈衝信號發生器發送觸發信號，該觸發 信號觸發脈衝信號發生器l產生脈衝信號；同軸傳輸線4，連接在同軸連接器6上，用於傳輸脈衝信號；測量探針5，與所述脈衝信號發生器l連接，被插入到待測土壤樣 品中，構成"探頭-介質(土壤)"傳輸線，根據傳輸線相關理論，所 述脈衝信號將由於阻抗的不匹配，在其始端和末端進行反射，分別產 生兩路脈衝反射信號；同軸連接器6，用於分插多根同軸傳輸線4，控制同軸傳輸線4中 脈衝信號的傳輸方向，使經測量探針5後反射脈衝信號被傳輸到脈衝 檢測電路3;脈衝檢測電路3，與測量探針5連接，用於接收經測量探針5後兩 路脈衝反射信號，對其分別進行檢波和釆樣，得到採樣後的兩路脈衝 反射信號，並輸出到A/D轉換電路8;所述A/D轉換電路8，用於將脈衝檢測電路3發送的釆樣後的兩路 脈衝反射信號進行模/數轉換，轉換後得到釆樣後的兩路脈衝反射信號的數位訊號，並將其發送到微控制單元7;微控制單元7，該控制單元作為整個儀器的控制核心，分別與觸 發電路2、 A/D轉換電路8、顯示電路9和數據傳輸電路10連接，與觸 發電路2連接用於向觸發電路2發送控制信號，使其觸發脈衝信號發生 器l產生脈衝，與A/D轉換電路8連接用於接收A/D轉換電路8發送的採 樣後的兩路脈衝反射信號的數位訊號，根據該數位訊號求出兩路脈衝 信號的傳輸時間差，該傳輸時間差為脈衝信號在測量探針5中傳輸時 間的1/2,由傳輸時間差得到土壤的介電常數，根據該介電常數得到 土壤的單位容積含水率，與顯示電路9連接用於將得到的土壤的單位 容積含水率輸出顯示，與數據傳輸電路10連接，通過該數據傳輸電路 IO與其它設備連接後相互通信傳輸數據；電源單元ll,為該設備供電，分別與脈衝信號發生器l、觸發電 路2、脈衝檢測電路3和微控制單元7連接，提供這些電路所需的電源， 本實施例也可以通過外接電源供電。如圖2為本發明土壤水分測量儀器的外觀示意圖，該儀器面板上 設置了與微控制單元(MCU) 7連接的測量按鍵12和復位按鍵15， 用於向微控制單元7發送啟動測量信號和系統復位信號，可以手動啟 動測量和復位儀器。側面板備有與電源單元連接的充電接口 16,可 以使用配套充電設備對電池進行充電。該儀器的面板上部還設有與顯 示電路9連接的LCD顯示模塊11，在儀器內部完成了土壤含水率的 計算，將結果以數值方式通過LCD顯示模塊ll顯示。該儀器的面板 上部的串口 13與數據傳輸電路10連接，具有數據傳送功能，可以將 測得的原始波形數據通過通用串行接口傳送出去，方便用戶自行開發 後續的應用程式。該儀器的微控制單元7集成了相關的數據和控制命 令傳送協議，可以按照相應的命令格式對儀器進行軟體啟動測量設 置，另外，該儀器的面板上部設有電源開關14。如圖3所示為本發明土壤水分測量儀器的電源管理示意圖，本實施例中的土壤水分測量儀整機釆用12V蓄電池供電，方便田間作業。 為降低功耗，整機釆取了一些措施對電源進行管理，當系統處於待機狀態時，僅微控制單元7處於活動狀態，而脈衝檢測電路3和脈衝發 生器l均處於斷電狀態，此時系統工作電流約50mA;當系統啟動測 量時，由微控制單元7控制電源單元向脈衝檢測電路3和脈衝發生器 l供電，直到一次測量完成，測量過程中工作電流約220mA。根據用 戶需求，儀器可以選配不同容量的電池，從而在整機的連續工作時間 和輕便程度上取得平衡。如圖4所示為本發明土壤水分測量儀器中脈衝檢測電路的原理 框圖，本實施例中脈衝檢測電路3包括精密延時電路17、脈衝發 生電路18、檢波電路19和釆樣保持電路20，其中精密延時電路17分別與微控制單元7、釆樣保持電路20連接， 由微控制單元7直接控制，使其產生一固定延時脈衝，將其發送到脈 衝發生電路18中；脈衝發生電路18分別與精密延時電路17、測量探針5、檢波電 路19連接，由接收的固定延時脈衝觸發脈衝發生電路18,脈衝發生 電路18同樣產生一個皮秒級脈衝，為區別於脈衝信號發生器1產生 的脈衝信號，將脈衝信號發生器1產生的脈衝信號稱為第一脈衝信 號，將脈衝發生電路18產生的脈衝信號稱為第二脈衝信號，該第二 脈衝信號與從測量探針5接收的兩路反射脈衝波形分別疊加，將疊加 後的兩路波形發送到檢波電路19;檢波電路19，與釆樣保持電路20連接，對接收的疊加後的兩路 波形進行檢波，將檢波後的兩路波形發送到釆樣保持電路20進行釆 樣；釆樣保持電路20，與A/D轉換電路8連接，用於將釆樣後的兩 路波形信號發送至A/D轉換電路8。同時精密延時電路17控制採樣保持電路20的接通。疊加後的波形信號經過檢波電路19檢波後，再經過A/D轉換電路8得到對應的 數位訊號。本實施例中的脈衝信號發生器1釆用高速開關電晶體製成，其上 升和下降時間均為皮秒量級。本實施例中的儀器測量探針5由兩根平行不鏽鋼棒組成，間距為 12mm，鋼棒直徑3mm,長度可選20cm或者15cm。當然，兩根平行 不繡鋼的間距、直徑和長度不限於以上數值，可根據需要在其鄰近範 圍內作出改變，以能實現測量出兩路反射波的時間差為基準。本實施 例中的同軸傳輸線4由中心導體和屏蔽金屬網組成，兩根鋼棒分別與 同軸傳輸線4的中心導體和屏蔽金屬網連接。本實施例中的同軸傳輸線4為50歐姆標準同軸電纜。 如圖5所示，本實施例中利用該儀器測量土壤單位容積含水率的 方法為脈衝發生器l產生上升時間和下降時間在皮秒量級脈衝，該脈衝 通過同軸傳輸線4加載在測量探針5上，由於測量探針5與同軸傳輸 線4的阻抗存在差異，因此該脈衝在測量探針5的始端和末端均會產 生反射，因此存在傳輸時間差，該傳輸時間差則為脈衝在探針中傳播 的往返時間。兩個反射脈衝經過脈衝檢測電路3進行檢波和採樣後發 送到A/D轉換電路8, A/D轉換電路8將其轉換為數位訊號傳遞給微 控制單元7進行數據處理、傳輸和顯示；微控制單元7根據A/D轉換模塊獲得的波形數據進行計算分析， 根據公式^-(W/2L)2計算得到介質(土壤)的介電常數《"，其中 c為光速，f為脈衝在探針中的傳播時間，即傳輸時間差的一半，L為 探針長度；再根據TOPP公式(9產國5.3 . 10國2 + 2.92 . 10-2 x Ka畫5.5 10隱4 x《"2 + 4.3.i(r6 x《y，其中i^為土壤的相對介電常數，計算出土壤的單位容積含水率 ；計算完成後將結果以數值形式在LCD顯示屏上顯示出來。同時， 微控制單元7還將獲得的未處理的波形數據通過串口同步發送出去，可以使用PC機或者其他通訊終端來接收波形數據，以方便進行後續的數據處理工作。該儀器基於脈衝檢測電路3模擬反射電磁波的各態歷經，各態歷經是控制理論涉及隨機過程的一個基本概念，並伴有明確的數學定義，其英文專業字彙為"ergodic"，它並非特指某種技術，因此作為 術語為本領域人員所公知，本實施例中第二脈衝信號通過微控制單元 7設定的一系列固定延時後與第一脈衝信號在一系列相繼的時刻產生 疊加，疊加後的信號經過採樣保持與模/數轉換電路形成數位訊號傳 遞給微控制單元7。調整並設置需要產生疊加的時間點，使得模/數轉 換的輸出信號序列覆蓋第一脈衝信號的兩次反射波，則微控制單元7 得到的序列信號即反應了這一時間段內的第一脈衝信號的變化趨勢 與過程，進而實現重構反射電磁波的波形，最終確定反射時間。其實 現過程在3-5秒以內即可完成。雖然本發明是集體結合以上優選實施例示出和說明的，但是熟悉 該技術領域的人員可以理解，其中無論在形式上還是在細節上都可以 做出各種改變，這並不背離本發明的精神實在和專利保護範圍。
權利要求
1、一種土壤水分測量儀器，其特徵在於，該儀器包括脈衝信號發生器(1)，用於產生第一脈衝信號，並通過同軸傳輸線(4)將其傳輸到測量探針(5)；所述測量探針(5)，與所述脈衝信號發生器(1)連接，插入待測土壤中，用於在接收所述脈衝信號後在其始端和末端進行反射，分別產生兩路脈衝反射信號；脈衝檢測電路(3)，與所述測量探針(5)連接，用於對所述測量探針(5)產生的兩路脈衝反射信號進行檢波和採樣，得到採樣後的兩路脈衝反射信號；微控制單元(7)，與所述脈衝檢測電路(3)連接，用於根據採樣後的兩路脈衝反射信號得到土壤的單位容積含水率。
2、 如權利要求l所述的土壤水分測量儀器，其特徵在於，所述脈 衝檢測電路(3)包括延時電路(17),與所述微控制單元(7)連接，由微控制單元(7)控制輸出固定延時信號；脈衝發生電路(18),與所述延時電路(17)連接，用於將所述固定延時信號觸發後產生第二脈衝信號，所述第二脈衝信號與所述測 量探針(5)產生的兩路脈衝反射信號分別疊加，得到疊加後的兩路 脈衝信號；檢波電路(19)，與所述脈衝發生電路(18)連接，用於對疊加後的兩路脈衝信號進行檢波，得到檢波後的兩路脈衝信號；釆樣保持電路(20),與所述檢波電路(19)連接，在所述延時 電路(17)產生固定延時信號的同時，對檢波後的兩路脈衝信號進行 釆樣，得到採樣後的兩路脈衝信號。
3、 如權利要求2所述的土壤水分測量儀器，其特徵在於，該儀 器還包括與所述微控制單元(7)連接的數據顯示電路(9),用於顯示微控制單元得到的土壤的單位容積含水率數據。
4、 如權利要求3所述的土壤水分測量儀器，其特徵在於，該儀 器還包括與所述微控制單元(7)連接的數據傳輸電路(10)，用於接 收所述微控制單元(7)發送的數據，並將所述數據傳輸到與該數據傳輸電路(10)連接的設備。
5、 如權利要求4所述的土壤水分測量儀器，其特徵在於，該儀 器還包括連接在所述微控制單元(7)和脈衝信號發生器(1 )之間的 觸發電路(2),所述觸發電路(2)由所述微控制單元(7)控制，向 所述脈衝信號發生器(1 )發送觸發信號。
6、 如權利要求5所述的土壤水分測量儀器，其特徵在於，該儀 器還包括連接在所述脈衝檢測電路(3)和微控制單元(7)之間的 A/D轉換電路(8)，所述A/D轉換電路(8)將釆樣後的兩路脈衝反 射信號進行模/數轉換後，發送到所述微控制單元(7)。
7、 如權利要求6所述的土壤水分測量儀器，其特徵在於，該儀 器還包括電源單元(11),用於向所述微控制單元(7)、脈衝信號發 生器(1)和脈衝檢測電路(3)供電。
8、 如權利要求1至7任一項所述的土壤水分測量儀器，其特徵 在於，所述脈衝信號發生器(1)為開關電晶體。
9、 一種土壤水分測量方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟 Sl:將測量探針(5)插入待測土壤中，啟動測量；S2:由脈衝信號發生器(1)產生脈衝信號，並通過同軸傳輸線 (4)將其傳輸到測量探針(5),該脈衝信號在測量探針(5)的始端 和末端進行反射，分別產生兩路脈衝反射信號；S3-.將所述兩路脈衝反射信號輸出到脈衝檢測電路(3)進行檢 波和釆樣，得到採樣後的兩路脈衝反射信號；S4:將釆樣後的兩路脈衝反射信號發送到微控制單元(7)，所述 微控制單元(7 )根據採樣後的兩路脈衝反射信號求出其傳輸時間差，由傳輸時間差得到待測土壤的介電常數，根據所述介電常數得到土壤 的單位容積含水率。
10、如權利要求9所述的土壤水分測量方法，其特徵在於，在步驟S4中，由傳輸時間差得到待測土壤的介電常數的方法為根據公式《a = ("/2L )2求出待測土壤的介電常數《a,其中c為 光速，/為脈衝在測試探針(5)中的傳播時間，L為測試探針(5) 的長度。
全文摘要
本發明涉及一種土壤水分測量儀器及方法，該儀器包括脈衝信號發生器，產生脈衝信號並將其傳輸到測量探針；測量探針，在接收脈衝信號後在其始端和末端進行反射，分別產生兩路脈衝反射信號；脈衝檢測電路，對測量探針產生的兩路脈衝反射信號進行檢波和採樣，得到採樣後的兩路脈衝反射信號；微控制單元，根據採樣後的兩路脈衝反射信號得到土壤的單位容積含水率，該方法利用脈衝信號將在測量探頭的始端與末端產生因阻抗不匹配而形成時域反射，測量鏡像反射波的時間差，進而得知被測土壤實際對應的單位容積含水率。本發明具有測量速度快、精度高、低成本、易於批量化生產等優點。
文檔編號G01N23/00GK101216439SQ20081005648
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月18日 優先權日2008年1月18日
發明者孫宇瑞, 張慧娟, 曄 楊, 汪懋華, 王聰穎, 馬道坤 申請人:中國農業大學