專利名稱：一種同步實時測量土壤水分與電導率的方法及傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測量土壤水分與電導率的方法及傳感器，尤其涉及一種基于介電理論、基于頻域方法的同時測量土壤水分與電導率的方法及傳感器。
背景技術：
土壤水是保證農(nóng)作物生長的命脈，土壤中所發(fā)生的一系列反應，能量與物質交換均與水分有關，它直接關系著作物產(chǎn)量與品質。土壤電導率是另一個重要的土壤物理參數(shù)，它是土壤鹽分，水分，有機質含量，土壤質地結構等的綜合反映，對于農(nóng)田作業(yè)，環(huán)境污染等研究與應用有著相當重要的作用。當前相關的傳感背景技術從三個方面介紹一、基于介電理論的土壤水分快速測量當前實時測量土壤含水率主要手段是基于介電物理方法。例如TDR(TimeDomain Reflectrometer)，F(xiàn)D(Frequency Decomposition)。從本質上看這些測量方法都是根據(jù)已知土壤相對介電常數(shù)(Permitivitity)在3～5之間，空氣相對介電常數(shù)為1，水的相對介電常數(shù)為80，通過測量土壤—水—空氣混合物質的介電常數(shù)間接確定土壤含水率。主要有TDR和FD兩種方法。
自從加拿大學者Dr.Topp應用TDR方法測量土壤水分并提出著名的Topp公式后，TDR測量土壤水分逐步成為土壤水分測量的主要方式。TDR方法是測量電磁波沿著插入含水土土壤探針的傳輸時間來估計土壤的含水率。入射的電磁波有兩種形式，一種是階躍信號，以Tecktronic公司的1502型電纜測試儀和SoilMoisture公司的Trase土壤水分測試儀為主要代表；另外一種是針型脈沖，在結構上相對簡單，以德國IMKO公司的TRIME土壤水分測試儀為代表，主要特點是1.測量精度高，特別是階躍信號方式；2.測量范圍0-100％；3.實現(xiàn)難度大，價格高；4.一次測量需要較長的時間，至少20秒。
FD方法是測量一定頻率下插入含水土壤探頭導納來確定含水土壤的介電常數(shù)，進而估計土壤水分。傳統(tǒng)的電容法、SWR法是兩種典型的傳感電路方式。FD方法的主要特點1.測量精度相對低，受鹽分影響大，但成本低，性能也能夠滿足大多數(shù)的應用需求；2.FD方法的探頭結構靈活，便于根據(jù)實際需要確定探頭幾何結構，如針式，環(huán)式與錐式都有應用；3.現(xiàn)有傳感方法的實時性好，能夠輸出連續(xù)信號。
二、土壤電導率的快速測量方法專用于土壤電導率測量的方法主要有四端法與電磁感應法。四端法的測量原理、數(shù)學模型與實際應用已經(jīng)相對成熟，商品化的產(chǎn)品有定點式的EC-PROBE土壤鹽度計與車載式Veris 3000(Veris Technol.，Salina，KS)。電磁感應法的代表產(chǎn)品是EM38(Geonics Limited，Mississauga，ON，Canada)。車載式的Veris3000與EM38各有優(yōu)缺點，EM38在使用前需要用戶進行全面的標定過程，空氣溫度，濕度等環(huán)境的變化都會影響測量的穩(wěn)定度。相反，Veris 3000系統(tǒng)包括所有必要的組成，使用前不需要用戶標定，操作也很簡單，然而EM38系統(tǒng)很輕，只需要少的動力并有可能采集濕或軟的土壤信息。
三、土壤含水率與電導率同時測量方法的研究現(xiàn)狀土壤含水率與電導率同時測量方法目前主要有三種，分別是TDR分解法；FD定頻率分解法；自從Topp(1980)發(fā)表了用TDR測土壤水分及著名Topp公式后，Dalton(1984)首先進行了基于TDR方法的土壤水分鹽分同時測量實驗研究。基本方法是通過發(fā)射的階躍信號沿著插入土壤探頭的傳輸過程來測量的。一方面通過傳輸時間來測量土壤的水分，另外一方面通過電磁波的幅度衰減來估計土壤的電導率。荷蘭Hilhorst在固定頻率下利用同步檢波技術測量探頭端口導納的幅值與相角進而同時獲取土壤水分、電導率。這兩種方法均存在如下不足1.在高電導率的條件下，TDR方法因為信號衰減過大，無法測量土壤水分；而FD定頻率分解法則因為相角太小，無法準確得到水分與電導率。
2.不能連續(xù)輸出信號，TDR一次測量需要1分鐘左右，而FD定頻率分解法至少需要30秒。
3.探頭結構主要是針式，還沒有其它結構的應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有FD方法測量土壤水分受電導率的影響與電導率測量受水分影響的不足，提出一種同步實時測量土壤水分、電導率的多頻率導納分解的方法；還提出一種具有土壤水分、電導率測量范圍大，探頭適應性強，能夠連續(xù)輸出信號的測量傳感器，同時該傳感器集成溫度檢測功能，一方面提供土壤基本的溫度信息，同時用來校準溫度對電導率的影響。
為了達到上述目的，本發(fā)明采取的技術方案如下一種同步實時測量土壤水分與電導率的方法，該方法通過同步測量兩個頻率下的探頭導納幅值，進而分解探頭導納的實部與虛部，利用探頭導納實部與介電損耗的關系得出土壤電導率，探頭導納虛部與介電常數(shù)的關系得出土壤含水率，實現(xiàn)土壤水分、與電導率的實時測量，消除兩者間相互影響，提高每個參數(shù)的測量精度。該方法包括以下步驟1.用至少兩種頻率信號發(fā)生器實時發(fā)出信號，經(jīng)過各自的取樣元件與帶通濾波器，在探頭處混合，受探頭導納特性影響后的混合信號再經(jīng)過各自的帶通濾波器返回；2.從不同頻率取樣元件兩端檢波；3.檢波后的信號經(jīng)過模數(shù)轉換，存儲數(shù)據(jù)；4.對采集到的信號進行處理，采用多頻率頻域分解法分解探頭導納的實部和虛部；5.通過探頭導納實部與介電損耗的關系，得出土壤電導率值；通過探頭導納虛部與介電常數(shù)的關系，得出土壤含水率。
一種同步實時測量土壤水分與電導率的傳感器，包括多頻率導納測量電路，與之相連接的探頭和溫度敏感元件14。
所述探頭結構采用針式探頭，如圖1(a)、(b)所示，圖中外圍探針相連，為地極，中間針為激勵極，形成一端口網(wǎng)絡，其阻抗用ZL表示，針的長短，間距可以根據(jù)應用調節(jié)；所述探頭結構還可以是其它典型結構的探頭，如錐式探頭或環(huán)式探頭。所述探頭與土壤或其它多孔介質接觸，感應土壤的介電特性。土壤介電特性的不同引起探頭端口導納的變化；所述探頭阻抗ZL可用如圖2所示的電導G、電容C并聯(lián)電路等效；其中，電導G反映土壤的介電損耗，直接與土壤電導率相關；C反映土壤的介電常數(shù)，直接于土壤水分相關。
所述的多頻率導納測量電路，如圖3所示，包括至少兩個不同頻率信號發(fā)生源，第一信號發(fā)生源Sw1和第二信號發(fā)生源Sw2分別與探頭ZL相連接，上述三者的另一端是共同接地的；第一精密取樣元件Zr1和第二精密取樣元件Zr2分別處于第一信號發(fā)生源Sw1和第二信號發(fā)生源Sw2所在的電路；更具體地說，第一精密取樣元件Zr1串聯(lián)在第一信號發(fā)生源Sw1和探頭ZL之間，第二精密取樣元件Zr2串聯(lián)在第二信號發(fā)生源Sw2和探頭ZL之間；第一特定頻率帶通濾波器Fw1串聯(lián)在第一信號發(fā)生源Sw1、第一精密取樣元件Zr1和探頭ZL所在的電路中；第二特定頻率帶通濾波器Fw2串聯(lián)在第二信號發(fā)生源Sw2、第二精密取樣元件Zr2和探頭ZL所在的電路中；更具體地說，第一特定頻率帶通濾波器Fw1串聯(lián)在第一精密取樣元件Zr1和探頭ZL之間；第二特定頻率帶通濾波器Fw2串聯(lián)在第二精密取樣元件Zr2和探頭ZL之間；在第一精密取樣元件Zr1和第二精密取樣元件Zr2的兩端分別有兩個檢波電路10來提取信號，所述檢波電路10與A/D轉換器11、信號分解芯片12、數(shù)字接口輸出電路13順序連接；該多頻率導納測量電路通過測量兩個特定頻率的下探頭導納幅值來分解G與C，進而分解出土壤水分與電導率。
所述信號分解芯片12包括一微處理器(CPU)，該微處理器的串行接口用作數(shù)據(jù)輸出與參數(shù)輸入接口。
所述檢波電路10由檢波二極管、低通濾波電路串聯(lián)組成，把交流信號幅值轉化為直流信號。
所述A/D轉換器11也可與微處理器集成，把檢波輸出的直流信號轉化為數(shù)字信號。
所述精密取樣元件Zw1和Zw2根據(jù)頻率的不同可采用合適阻值的電阻、電容、電感或其組合。
所述特定頻率帶通濾波器Fw1和Fw2是采用電容、電感與電阻實現(xiàn)的無源帶通濾波器，在通過頻率為W1或W2的信號時，相應的特定頻率帶通濾波器Fw1或Fw2沒有衰減，而對其它頻率特別是雙頻中的另外一個頻率信號衰減為0，從而實現(xiàn)W1和W2頻率測量電路物理上直接連接與信號上相互隔離，不需要開關切換，能夠連續(xù)輸出信號。
所述溫度敏感元件采用PN極、熱敏電阻、熱電偶或鉑電阻，把被測土壤的溫度信息通過AD轉換器11傳遞給信號分解芯片12，一方面用來消除溫度對電導率的影響，同時提供土壤的溫度信息。
該傳感器的工作過程如下當土壤水分或電導率發(fā)生變化時，精密取樣元件Zw1和Zw2兩端信號幅度隨之改變，四路信號幅值經(jīng)過檢波電路進入A/D轉換器11變?yōu)橄鄳臄?shù)字信號，信號分解芯片12運用分解算法處理四路數(shù)字信號，得出探頭等效電路參數(shù)電阻R、電容C，信號分解芯片12融合溫度敏感元件的溫度檢測信號，通過數(shù)字接口輸出電路13輸出土壤水分、電導率與溫度；其中，微處理器的程序流程如圖4所示。
本發(fā)明的測量對象除土壤外，也可為溫室生產(chǎn)中應用的基質、建筑中應用的沙石或混凝土、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的顆粒狀產(chǎn)品等多孔介質。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點主要包括(1)能夠同時測量水分、電導率與溫度三參數(shù)信號，并分解相互間的影響，提高各自測量精度；(2)能夠連續(xù)輸出測量結果；(3)電導率測量范圍大；(4)內嵌微處理器，實現(xiàn)探頭、電路、信號處理一體化，結構緊湊。


圖1為本發(fā)明傳感器針式結構探頭；圖2為探頭阻抗ZL等效電路模型；圖3為本發(fā)明傳感器的電路原理圖；圖4為本發(fā)明微處理器程序流程5為本發(fā)明w1頻率對應等效電路原理圖；圖6為本發(fā)明w1頻率對應簡化等效電路原理圖；具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述本發(fā)明的理論基礎為基于探針導納計算方法的數(shù)學模型，采用多頻率導納分解法直接測量探頭的導納，進而分解探頭導納的實部與虛部，通過探頭導納實部與介電損耗的關系得出多孔介質電導率，探頭導納虛部與介電常數(shù)的關系得出多孔介質含水率。同時溫度檢測一方面提供多孔介質基本的溫度信息，同時可用來校準溫度對電導率的影響。本發(fā)明的分解算法通過測量原理的描述來方面。本發(fā)明的測量原理描述如下土壤等多孔介質的復介電常數(shù)ε可表示為ε＝ε′-jε″ (1)這里，復介電常數(shù)的實部ε′反映了總體的離子極化。對于含水土壤，空氣的ε′為1，相應的水分ε′為80左右，固體物質為3-5。因此ε′可以用來測量土壤水分。
復介電常數(shù)的虛部ε″是總體的能量消耗，包括介電損耗εd″和離子電導引起的損耗關系如下ϵ′′=ϵd′′+σωϵ0···(2)]]>式中，σ是含水土壤的離子電導，ω是外電場的角頻率，ε0為真空下的介電常數(shù)，等于8.85×10-12F/m。
在電路上不同結構探頭可等效為電容C與電阻R(或電導G)的并聯(lián)，如圖2所示.等效阻抗ZL或導納Y為ZL=1Y=1jwC+G···(3)]]>由電路理論存在下列關系式Y＝jωεε0k (4)其中，k為幾何系數(shù)，它取決于測量傳感器的幾何形狀，由標定確定。
把公式(1)帶入公式(4)得到Y＝ωε″ε0k+jωε″ε0k(5)公式(3)與公式(5)比較可得ϵ′=Cϵ0k···(6)]]>ϵ′′=Gωϵ0κ···(7)]]>
實際應用中一般用土壤原位電導率σb表示，即σb=Gκ···(8)]]>從上述介電測量理論分析可知，只要能夠測量出介電探頭的等效電容與電阻值，便能獲取含水土壤復介電常數(shù)的ε′與ε″，進而得到土壤的含水率與電導率。
如圖3所示的測量原理圖中，對W1頻率信號分析，電路可以簡化為圖5所示，其中Z12是Fw2帶通濾波器在w1頻率下對應的阻抗；當頻率W1與W2相差較大時，Z12與探頭阻抗相比明顯大，可以忽略，電路進一步簡化為如圖6所示。W1頻率下，探頭阻抗與檢波電壓的關系|ZLw1|=1|jw1*C+G|=|Zr1|*Vw12Vw11-Vw12···(9)]]>式中，|Zr1|是取樣阻抗的模值，Vw11，Vw12是檢波電路輸出的測量點信號的幅值。去除絕對值號后得到G2+wl2*C2=(Vw11-Vw12|Zr1|*Vw12)2···(10)]]>同理對W2頻率分析，可得G2+w22*C2=(Vw21-Vw22|Zr2|*Vw22)2···(11)]]>式中，|Zr2|是取樣阻抗的模值，Vw21，Vw22是檢波電路輸出的測量點信號的幅值。
公式(10)與(11)相減得到C=(Vw11-Vw12|Zr1|*Vw12)2-(Vw21-Vw22|Zr2|*Vw22)2w12-w22···(12)]]>把式(12)帶回到式(10)得到G=(Vw11-Vw12|Zr1|*Vw12)2*w22w12-w22+(Vw21-Vw22|Zr2|*Vw22)2*w12w12-w22...(13)]]>由于電導率受溫度的影響十分明顯，一般可用式(14)描述
ECs=σb*f(t)=Gκ*f(t)···(14)]]>式中ECs表示25℃下的土壤電導率，f(t)是溫度影響函數(shù)。因此為了把不同環(huán)境溫度下的電導率轉化為標準25℃對應的電導率，本發(fā)明集成了溫度測量功能。
在上述測量原理分析的基礎上，給出一種硬件的具體實施方式
。
本實施例的同步實時測量土壤水分與電導率的傳感器，特別是測量土壤水分與電導率的傳感器，包括多頻率導納測量電路，與之相連接的探頭和溫度敏感元件14。
探頭結構采用典型的針式探頭，如圖1(a)所示，圖中外圍三個探針相連，為地極，中間針為激勵極，形成一端口網(wǎng)絡，其阻抗用ZL表示，針的長短，間距還可以根據(jù)應用調節(jié)；測量時，探頭插入土壤或其它多孔介質接觸，感應土壤的介電特性，土壤介電特性的不同引起探頭端口導納的變化；探頭阻抗ZL用如圖2所示的電導G、電容C并聯(lián)電路等效；其中，電導G反映土壤的介電損耗，直接與土壤電導率相關；C反映土壤的介電常數(shù)，直接于土壤水分相關。
所述的多頻率導納測量電路，如圖3所示，包括兩個不同頻率的第一信號發(fā)生源Sw1和第二信號發(fā)生源Sw2分別與探頭ZL相連接，上述三者的另一端是共同接地的；第一精密取樣元件Zr1串聯(lián)在第一信號發(fā)生源Sw1和探頭ZL之間，第二精密取樣元件Zr2串聯(lián)在第二信號發(fā)生源Sw2和探頭ZL之間；第一特定頻率帶通濾波器Fw1串聯(lián)在第一精密取樣元件Zr1和探頭ZL之間；第二特定頻率帶通濾波器Fw2串聯(lián)在第二精密取樣元件Zr2和探頭ZL之間；在第一精密取樣元件Zr1和第二精密取樣元件Zr2的兩端分別有兩個檢波電路10來提取信號，所述檢波電路10與A/D轉換器11、信號分解芯片12、數(shù)字接口輸出電路13順序連接；該多頻率導納測量電路通過測量兩個特定頻率的下探頭導納幅值來分解G與C，進而分解出土壤水分與電導率。其中，信號源SW1和SW2分別提供100MHz和150Hz的頻率信號，作為W1和W2，如此大頻率差異，有利于帶通濾波器的實現(xiàn)與算法分解，同時實現(xiàn)兩對輸出信號的盡可能的正交，簡化分解過程，提高測量精度。高頻信號W1主要對水分變化敏感，而低頻信號W2主要對電導率的變化敏感。Zr1選擇精度較高的電感與電容并聯(lián)，Zr2由于頻率低，選用精密電阻。特定頻率帶通濾波器FW1和FW2選用由常規(guī)電路組成的π型無源帶通濾波器，檢波電路10采用檢波二極管與RC低通濾波器實現(xiàn)。A/D轉換器11與信號分解芯片12復合，采用智能CPU實現(xiàn)，該芯片內置24位A/D轉換器。數(shù)字接口輸出電路13為標準或TTL電平RS232串口，485接口或SDI-12接口。溫度敏感元件14采用熱敏二極管，輸出模擬信號也通過24位A/D轉換器11變?yōu)閿?shù)字量，標定后精度達到±0.3℃，即提供了土壤的溫度信息，同時作為電導率的補償參數(shù)。CPU的程序流程如圖4所示。
以上器件均采用市場所售的常規(guī)芯片或模塊。
最后所應說明的是以上實施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術方案，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解對本發(fā)明電路或方法進行修改或者等同替換，如用增加或改變測量頻率、用開關切換代替帶通濾波，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種同步實時測量土壤水分與電導率的方法，包括以下步驟1)用至少兩種頻率信號發(fā)生器實時發(fā)出信號，經(jīng)過各自的取樣元件與帶通濾波器，在探頭處混合，受探頭導納特性影響后的混合信號再經(jīng)過各自的帶通濾波器返回；2)從不同頻率取樣元件兩端檢波；3)檢波后的信號經(jīng)過模數(shù)轉換，存儲數(shù)據(jù)；4)對采集到的信號進行處理，分解探頭導納的實部和虛部；5)通過探頭導納實部與介電損耗的關系，得出待測介質的電導率值；通過探頭導納虛部與介電常數(shù)的關系，得出待測介質的含水率。
2.一種同步實時測量土壤水分與電導率的傳感器，包括探頭及與之相連的測量電路；其特征在于，所述測量電路是一多頻率導納測量電路，該多頻率導納測量電路包括至少兩個不同頻率的信號發(fā)生源。
3.根據(jù)權利要求2所述的同步實時測量土壤水分與電導率的傳感器，其特征在于，所述的多頻率導納測量電路，包括至少兩個不同頻率的第一信號發(fā)生源(Sw1)和第二信號發(fā)生源(Sw2)分別與所述探頭(ZL)相連接，上述三者的另一端共同接地；第一精密取樣元件(Zr1)和第二精密取樣元件(Zr2)分別串聯(lián)于第一信號發(fā)生源(Sw1)和第二信號發(fā)生源(Sw2)所在的電路；第一特定頻率帶通濾波器(Fw1)串聯(lián)在第一信號發(fā)生源(Sw1)、第一精密取樣元件(Zr1)和探頭(ZL)所在的電路中；第二特定頻率帶通濾波器(Fw2)串聯(lián)在第二信號發(fā)生源(Sw2)、第二精密取樣元件(Zr2)和探頭(ZL)所在的電路中；在第一精密取樣元件(Zr1)和第二精密取樣元件(Zr2)的兩端分別有兩個檢波電路(10)來提取信號，所述檢波電路(10)與A/D轉換器(11)、信號分解芯片(12)、數(shù)字接口輸出電路(13)順序連接。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的同步實時測量土壤水分與電導率的傳感器，其特征在于，還包括一溫度敏感元件(14)與所述多頻率導納測量電路相連接。
5.根據(jù)權利要求4所述的同步實時測量土壤水分與電導率的傳感器，所述溫度敏感元件(14)采用PN極、熱敏電阻、熱電偶或鉑電阻把被測土壤的溫度信息通過A/D轉換器(11)傳遞給信號分解芯片(12)。
6.根據(jù)權利要求3所述的同步實時測量土壤水分與電導率的傳感器，其特征在于，所述信號分解芯片(12)包括一微處理器。
7.根據(jù)權利要求3所述的同步實時測量土壤水分與電導率的傳感器，其特征在于，所述檢波電路(10)由檢波二極管、低通濾波電路串聯(lián)組成。
8.根據(jù)權利要求3所述的同步實時測量土壤水分與電導率的傳感器，其特征在于，所述第一精密取樣元件(Zw1)和第二精密取樣元件(Zw2)采用電阻、電容、電感或其組合。
9.根據(jù)權利要求3所述的同步實時測量土壤水分與電導率的傳感器，其特征在于，所述第一特定頻率帶通濾波器(Fw1)和第二特定頻率帶通濾波器(Fw2)是采用電容、電感與電阻實現(xiàn)的無源帶通濾波器，在通過第一頻率或第二頻率的信號時，相應的特定頻率帶通濾波器對該頻率信號沒有衰減，而對其它頻率特別是雙頻中的另外一個頻率信號衰減為0。
10.根據(jù)權利要求6所述的同步實時測量土壤水分與電導率的傳感器，其特征在于，所述A/D轉換器(11)與所述微處理器集成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于介電理論、基于頻域方法的同時測量土壤水分與電導率的方法及傳感器。本發(fā)明基于探針導納計算方法的數(shù)學模型，采用多頻率導納分解法直接測量探頭的導納，進而分解探頭導納的實部與虛部，通過探頭導納實部與介電損耗的關系得出介質電導率，探頭導納虛部與介電常數(shù)的關系得出介質含水率；溫度檢測一方面提供介質基本的溫度信息，同時可用來校準溫度對電導率的影響。本發(fā)明具有能夠分解各參數(shù)相互間的影響、測量精度高、能夠連續(xù)輸出測量結果、電導率測量范圍大、傳感器結構緊湊等優(yōu)點，可廣泛用于農(nóng)田作業(yè)或研究等。
文檔編號G01R27/00GK1719245SQ20051008900
公開日2006年1月11日 申請日期2005年8月2日 優(yōu)先權日2005年8月2日
發(fā)明者孫宇瑞, 馬道坤, 汪懋華, 曾慶猛 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學