一種應用低頻微波波段現場快速測量土壤含水含鹽量方法及裝置與流程
2023-10-18 04:32:39
本發明涉及一種基於低頻微波波段土壤含水含鹽量快速檢測方法及相關裝置，安裝在農業物聯網中。
背景技術：
土壤鹽度檢測的傳統方法基於常規室內化學定量分析方法，檢測土樣需要作前處理，且需要昂貴的專用儀器，導致費時費工、分析成本高而難以得到及時和普遍的應用。
近年來，基於地物光譜特性的多光譜及高光譜遙感技術獲得了迅猛發展，使得實時、快速、精確、大範圍監測提供了新的技術手段和方法，從而為基於微波技術進行土壤鹽漬化實時監測和快速診斷提供了理論基礎。至今，廣大學者圍繞土壤鹽度監測的農學和微波檢測機理開展了大量研究，獲得了許多可喜的成果，但也面臨一些亟待解決的科學問題。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種快捷、具有足夠靈敏度、可重複使用、結構簡單、成本低廉的土壤含水含鹽量檢測方式及裝置。
土壤含水含鹽量檢測按以下步驟進行：
一、土樣進行風乾，過1毫米的篩，去除土壤中動植物殘體和微生物體及其分解和合成的物質，烘乾或加溼，分多個樣本，將傳感器完全浸沒土樣中。
二、微處理器根據土壤種類，選取待測土壤種類，(1.沙土2.壤土3.黏土)。本系統在低頻波段10hz～120mhz建立了針對這三種土壤的鹽度檢測的已預先設定的一系列特徵頻率點。
三、微處理器通過信號發生模塊產生一系列不同頻率數量的正弦電壓信號，作為傳感器的激勵信號。
四、傳感器部分在10hz～120mhz頻率範圍內同時測量電容和電導參數。
五、通過振幅相位檢測模塊，根據不同的信號等待時間，在不同時間間隔下連續測量並記錄振幅和相位的偏差值，並存儲在flash中。
六、微處理器通過fft算法，將頻率響應特徵，即振幅和相位的偏移值，在時域上轉移，通過瞬態和穩態時間響應，建立了一個多階的多項式經驗方程式，將土壤介電常數(ε0)和用頻率激勵測定的振幅和相位的偏差值與土壤含水量(χ)和含鹽量(ρ)聯繫起來。
檢測算法描述如下：
針對傳感器端，vout作為待測電壓，vin是信號發生模塊產生的激勵電壓，建立測量關係，
r1、r2、r3、r4表徵土壤和電極之間的接觸電阻；表徵相鄰電極之間土壤的阻抗；zv表示電壓測量模塊的輸入阻抗，xc表示傳感器的電容性阻抗。系統的幅頻特性和相頻特性定義為：
測量的
測量的振幅增益：gain(db)＝201g|g(jω)|
測量的相位差：phase(degree)＝φ(ω)·(180/π)
基於頻率響應的土壤介電係數表徵為
通過瞬態和穩態時間響應建立了一個多階的多項式經驗方程式，將土壤介電常數(ε0)和用頻率激勵測定的振幅和相位的偏差值與土壤含水量(χ)和含鹽量(ρ)聯繫起來。
沙土含水量的頻率響應經驗公式：
χ＝0.718χ10hz+0.311χ50hz+0.3χ100hz+0.51χ200hz+0.767χ500hz+0.877χ1mhz
+0.96χ2mhz+0.432χ5mhz+0.178χ10mhz+0.91χ50mhz+0.512χ75mhz+0.311χ100mhz
沙土含鹽量的頻率響應經驗公式：
ρ＝0.211ρ10hz+0.412ρ50hz+0.514ρ100hz+0.761ρ200hz+0.523ρ500hz+0.632ρ1mhz
+0.12ρ2mhz+0.238ρ5mhz+0.933ρ10mhz+0.62ρ50mhz+0.539ρ75mhz+0.937ρ100mhz
壤土含水量的頻率響應經驗公式：
χ＝0.637χ50hz+0.485χ100hz+0.12χ200hz+0.633χ500hz+0.348χ1mhz+0.48χ5mhz
+0.527χ10mhz+0.349χ35mhz+0.82χ50mhz+0.242χ75mhz+0.824χ100mhz+0.932χ120mhz
壤土含鹽量的頻率響應經驗公式：
ρ＝0.139ρ50hz+0.872ρ100hz+0.32ρ200hz+0.94ρ500hz+0.638ρ1mhz+0.328ρ5mhz
+0.832ρ10mhz+0.493ρ35mhz+0.843ρ50mhz+0.439ρ75mhz+0.683ρ100mhz+0.923ρ120mhz
黏土含水量的頻率響應經驗公式：
χ＝0.823χ100hz+0.283χ500hz+0.433χ1mhz+0.383χ2mhz+0.283χ5mhz+0.633χ10mhz
+0.843χ30mhz+0.743χ50mhz+0.672χ70mhz+0.947χ90mhz+0.943χ100mhz+0.128χ120mhz
黏土含鹽量的頻率響應經驗公式：
ρ＝0.428ρ100hz+0.527ρ500hz+0.281ρ1mhz+0.393ρ2mhz+0.294ρ5mhz+0.583ρ10mhz
+0.483ρ30mhz+0.743ρ50mhz+0.538ρ70mhz+0.732ρ90mhz+0.538ρ100mhz+0.633ρ120mhz
檢測裝置包括微處理模塊、信號產生模塊、檢波模塊和檢測算法。微處理器採用stm32晶片，用於控制模塊進行接受指令、解讀指令、發送指令和監管、協調的作用，以及接受數據、處理數據的作用。信號產生模塊由集成的dds晶片及其外部驅動電路組成，其合成信號的參數由外部參考時鐘、頻率控制字k、自身屬性共同決定。信號處理模塊起到信號去噪的功能，採用濾波方式執行。檢波模塊由集成的檢波晶片及其外部驅動電路組成，起到檢測ad9854模塊產生的模擬信號並將信號儲存到stm32模塊中。
附圖說明
圖1表示基於頻率響應的土壤含水含鹽量的數據反演模型。
圖2表示一種基於頻率響應的土壤含水含鹽量裝置模塊組成。
具體實施方式
本發明技術方案不局限於以下所列舉具體實施方式，還包括各具體實施方案任意結合。
具體實施方式一：本實施方式土壤含水含鹽量檢測按以下步驟進行：
一、土樣進行風乾，過1毫米的篩，去除土壤中動植物殘體和微生物體及其分解和合成的物質，烘乾，分多個樣本，將傳感器完全浸沒土樣中。
二、微處理器根據土壤種類，選取待測土壤種類，(1.沙土2.壤土3.黏土)。本系統在低頻波段10hz～120mhz建立了針對這三種土壤的鹽度檢測的已預先設定的一系列特徵頻率點。
三、微處理器通過信號發生模塊產生一系列不同頻率數量的正弦電壓信號，作為傳感器的激勵信號。
四、傳感器部分在10hz～120mhz頻率範圍內同時測量電容和電導參數。
五、通過振幅相位檢測模塊，根據不同的信號等待時間，在不同時間間隔下連續測量並記錄振幅和相位的偏差值，並存儲在flash中。
六、微處理器通過fft算法，將頻率響應特徵，即振幅和相位的偏移值，在時域上轉移，通過瞬態和穩態時間響應，建立了一個多階的多項式經驗方程式，將土壤介電常數(ε0)和用頻率激勵測定的振幅和相位的偏差值與土壤含水量(χ)和含鹽量(ρ)聯繫起來。
具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一的不同點是：步驟一中的烘乾過篩處理後的土壤樣本，放入水深3釐米的量杯吸水6小時，其他步驟及參數與實施方式一相同。
具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二的不同點是：步驟一土壤的風乾樣 品過篩後，加入蒸餾水攪拌均勻，蒸餾水與土壤樣品的質量比為1∶1，其他步驟及參數與實施方式一相同。
具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一或二或三的不同點是：步驟一土壤的風乾樣品過篩後，加入蒸餾水攪拌均勻，蒸餾水與土壤樣品的質量比為5∶1，其他步驟及參數與實施方式一相同。