專利名稱：通過檢測(cè)最小駐波測(cè)量土壤含水量的儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種介電法土壤水分測(cè)量儀器，具體為一種通過檢測(cè)最小駐波測(cè)量土壤含水量的儀器。
背景技術(shù)：
土壤水分測(cè)量技術(shù)經(jīng)過漫長的研究，形成的多種測(cè)量方法，主要有烘干法、中子法、近紅外反射法、介電法等。利用土壤的介電特性來測(cè)量土壤含水率是一種非常有效、快速、簡(jiǎn)單、可靠的方法。最先對(duì)土壤介電特性做出系統(tǒng)研究的是前蘇聯(lián)學(xué)者Cheryak，他在1964年出版了《濕土介電特性研究一書》引起世界的關(guān)注。以此為基礎(chǔ)，土壤介電特性迅速應(yīng)用于土壤水分測(cè)量中，實(shí)現(xiàn)方法也各有不同，主要有頻域分解法、駐波率法、時(shí)域反射法(TDR)0 1992年荷蘭Wageningen農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)者HiIhorst通過大量的研究提出了頻域分解法，利用矢量電壓技術(shù)，在某一理想的測(cè)試頻率下將土壤的介電常數(shù)進(jìn)行實(shí)部與虛部的分解，從而得到土壤電導(dǎo)率與含水率，他還從實(shí)驗(yàn)中得出理想的測(cè)試頻率在20-30MHZ，但在這個(gè)頻段土壤的介電常數(shù)受土質(zhì)的影響非常大，測(cè)量結(jié)果不可避免的受到土質(zhì)的影響，后來Heimovaara的研究也證實(shí)了上述的說法。駐波法測(cè)量土壤水分含量是1995年由Gaskin和Miller共同提出的，利用微波理論中的駐波比來測(cè)量土壤水分含量，他們從實(shí)驗(yàn)研究得出土壤介電常數(shù)改變能引起傳輸線上駐波比的改變，以此為依據(jù)來測(cè)量土壤水分含量，此種測(cè)量方法雖然比頻域分解法有所改進(jìn)，且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但測(cè)量精度與傳感器互換性上不及時(shí)域反射法。影響測(cè)量精度的主要問題是探針的阻抗計(jì)算，在土壤水分含量高的時(shí)候探針可以看成是短線即集中常數(shù)器件，但水分含量低的時(shí)候，信號(hào)在探針上傳播速度加快，波長變短，此時(shí)探針無法再看成是集中常數(shù)器件，影響土壤水分測(cè)試的線性。時(shí)域反射法是介電測(cè)量中的一種高速技術(shù)，是在1969年以Feidegg等人關(guān)于許多液體介電常數(shù)的研究為基礎(chǔ)發(fā)展而來的。到了 1975年，Topp和Davis將其引入到土壤水分的研究，根據(jù)電磁波在不同介電常數(shù)介質(zhì)中傳播速度的改變提出了時(shí)域反射法(TimeDomain Reflectometry),簡(jiǎn)稱TDR測(cè)量方法。時(shí)域反射法測(cè)量土壤水分的基本原理是IOOMHz的電磁脈沖在同軸線上的傳播速度依賴于其傳播介質(zhì)介電特性與損耗，在損耗較小時(shí)主要依賴于介電常數(shù)實(shí)部。TDR 土壤水分測(cè)試儀主要由脈沖信號(hào)發(fā)生器，同軸傳輸線，探頭及高頻示波器組成。高頻脈沖發(fā)生器產(chǎn)生IOOMHz的高頻脈沖，并將其通過50歐同軸傳輸線傳至探頭。由于同軸傳輸線與探針阻抗、探針阻抗與土壤阻抗的不同造成信號(hào)的反射，測(cè)量兩次反射之間的時(shí)間差即可測(cè)量土壤水分含量。時(shí)域反射法測(cè)量土壤水分含量得到了大家普遍的認(rèn)可，許多學(xué)者對(duì)TDR測(cè)量土壤含水率的測(cè)量敏感區(qū)域，土質(zhì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，TDR探頭幾何結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響等方面做了大量研究。理論和實(shí)驗(yàn)研究表明基于TDR方法的土壤水分測(cè)試儀能夠滿足快速實(shí)時(shí)測(cè)量的要求。但對(duì)于土壤這種復(fù)雜的多孔介質(zhì)對(duì)象，含水率的變化引起信號(hào)在探針上傳輸時(shí)間的改變?cè)?-9 ns之間，為了達(dá)到一定測(cè)量精度就要求TDR對(duì)時(shí)間測(cè)量的分辨率達(dá)到O. I ns。要對(duì)如此短的時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，難度極大。目前世界上掌握此測(cè)量技術(shù)的只有美國、加拿大、德國等少數(shù)國家，因此TDR 土壤水分測(cè)試儀的成本也很高，如美國的Trase 土壤水分測(cè)試系統(tǒng)價(jià)格高達(dá)I萬美元。因此TDR 土壤水分測(cè)試儀只有在極少的高等院校，科研機(jī)構(gòu)中使用，無法大量應(yīng)用于農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測(cè)。

實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本實(shí)用新型的目的在于提供一種通過檢測(cè)最小駐波測(cè)量土壤含水量的儀器的技術(shù)方案，通過檢測(cè)電磁波信號(hào)在探針上的傳播時(shí)間，根據(jù)高頻信號(hào)傳播時(shí)間與土壤含水量的相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)土壤含水量的快速檢測(cè)。所述的通過檢測(cè)最小駐波測(cè)量土壤含水量的儀器，其特征在于，包括掃頻信號(hào)源，用來產(chǎn)生20-200MHZ連續(xù)頻率正弦高頻信號(hào)；高頻放大電路，用來放大掃頻信號(hào)源輸出的高頻信號(hào)；阻抗匹配電路，實(shí)現(xiàn)與探針的阻抗匹配；峰值檢測(cè)電路，連接阻抗匹配電路和探針，用來檢測(cè)入射波與探針反射波干涉合成駐波信號(hào)的大??；微控制器，接收峰值檢測(cè)電路的檢測(cè)信號(hào)，產(chǎn)生控制信號(hào)作用于掃頻信號(hào)源，使掃頻信號(hào)源產(chǎn)生不同頻率的高頻信號(hào)輸出；探針，與阻抗匹配電路連接，插入土壤，提供信號(hào)傳播路徑。所述的通過檢測(cè)最小駐波測(cè)量土壤含水量的儀器，其特征在于所述的掃頻信號(hào)源采用直接數(shù)字合成頻率技術(shù)DDS來實(shí)現(xiàn)。所述的通過檢測(cè)最小駐波測(cè)量土壤含水量的儀器，其特征在于所述的探針采用長度為20-40厘米，間距1-5厘米的多針平行結(jié)構(gòu)。所述的通過檢測(cè)最小駐波測(cè)量土壤含水量的儀器，其特征在于所述的探針采用3針平行結(jié)構(gòu)，探針間距20mm，直徑5mm，長度300mm，材料為304不銹鋼，其直接焊接在PCB板上。本實(shí)用新型通過掃頻檢測(cè)探針入射波與探針反射波干涉合成的最小駐波信號(hào)，計(jì)算出信號(hào)在探針上的傳播時(shí)間，再根據(jù)傳播時(shí)間計(jì)算出土壤的介電常數(shù)，最后通過介電常數(shù)與土壤含水量的正相關(guān)關(guān)系，通過定標(biāo)，可以直接測(cè)量出土壤的含水量，比現(xiàn)有的依據(jù)直接脈沖反射測(cè)量時(shí)間間隔更方便快捷，電路實(shí)現(xiàn)上也更加簡(jiǎn)單，且精度高。

圖I為本實(shí)用新型原理框圖；圖2為本實(shí)用新型探針結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型的測(cè)量流程圖；圖中1_掃頻信號(hào)源，2-高頻放大電路，3-阻抗匹配電路，4-探針，5-峰值檢測(cè)電路，6-微控制器。
具體實(shí)施方式
[0023]下面結(jié)合說明書附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明圖I是本實(shí)用新型測(cè)試儀器的一種實(shí)施例，包括掃頻信號(hào)源1，高頻放大電路2，阻抗匹配電路3，探針4，峰值檢測(cè)電路5及微控制器6。掃頻信號(hào)源I與高頻放大電路2、微控制器6相連，受微控制器6控制產(chǎn)生20-200MHZ高頻正弦波信號(hào)，經(jīng)高頻放大電路2與阻抗匹配電路3輸送到探針4，作為土壤水分測(cè)試的入射信號(hào)。掃頻信號(hào)源I由AD9910構(gòu)成，可以產(chǎn)生0-400MHZ的正弦波信號(hào)，掃頻信號(hào)源也可以是由壓控振蕩器構(gòu)成。高頻放大電路2連接在掃頻信號(hào)源I與阻抗匹配電路3之間，用于放大掃頻信號(hào)源I輸出的高頻正弦波信號(hào)，且實(shí)現(xiàn)均衡的作用，使不同頻率信號(hào)的輸出電壓幅值相同。高頻放大電路2由射頻運(yùn)放UPC1658構(gòu)成，帶寬大于1GHz，增益大于18dB，高頻放大電路也可以由其他射頻運(yùn)放構(gòu)成，不只限于UPC1658。阻抗匹配電路3連接高頻放大電路2與探針4，使信號(hào)傳輸回路阻抗匹配，避免信 號(hào)發(fā)生二次反射，提高測(cè)量精度，阻抗匹配電路3由電阻構(gòu)成，也可以是同軸電纜線，也可以是電容電感構(gòu)成的匹配電路。探針4同時(shí)連接阻抗匹配電路3與峰值檢測(cè)電路5，測(cè)量時(shí)插入土壤中為高頻信號(hào)提供傳輸通道，信號(hào)傳輸至末端產(chǎn)生反射，反射信號(hào)與入射信號(hào)在探針始端發(fā)生干涉疊加形成駐波輸入峰值檢測(cè)電路5。由于不同體積含水量土壤對(duì)信號(hào)反射延遲時(shí)間不同，給定長度探針，只要改變信號(hào)頻率檢測(cè)最小駐波即可測(cè)出信號(hào)反射時(shí)間，根據(jù)高頻信號(hào)傳播時(shí)間與土壤含水量的相關(guān)性，再進(jìn)一步測(cè)出土壤體積含水量。探針4的結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用平行三針結(jié)構(gòu)，探針間距20mm，直徑5mm，長度300mm，材料為304不銹鋼，直接焊接在PCB板上，圖2只是構(gòu)成探針4的一種實(shí)施例，并非只限于此，也可以是兩針、單針、多針結(jié)構(gòu)，長度可以是200-400mm，間距10_50mm。峰值檢測(cè)電路5接收探針4始端的信號(hào)，檢測(cè)信號(hào)的峰值，并將峰值信息反饋給微控制器6，微控制器6根據(jù)反饋信號(hào)控制掃頻信號(hào)源I改變信號(hào)頻率，直至找到最小峰值時(shí)的信號(hào)頻率。峰值檢測(cè)電路5采用單個(gè)射頻鍺檢波二極管2AP31與電阻構(gòu)成，其中射頻檢波二極管也可以是其它射頻檢波二極管，并非只限于2AP31。微控制器6接收來自峰值檢測(cè)電路5的信息，產(chǎn)生控制信號(hào)作用于掃頻信號(hào)源1，產(chǎn)生不同頻率高頻信號(hào)輸出，并記下最小峰值時(shí)的信號(hào)頻率，并計(jì)算信號(hào)在探針上傳播時(shí)間，通過標(biāo)定進(jìn)一步計(jì)算土壤體積含水量。本實(shí)施例微控制器6由MSP430單片機(jī)構(gòu)成，但并不僅限于此，也可以是其它單片機(jī)。利用本實(shí)用新型的儀器進(jìn)行土壤含水量測(cè)試的方法如下I)掃頻信號(hào)源產(chǎn)生從20-200MHZ頻率連續(xù)變化的正弦波信號(hào)，輸送至高頻放大電路；2)高頻放大電路將信號(hào)放大并將信號(hào)輸送至阻抗匹配電路，阻抗匹配電路連接探針實(shí)現(xiàn)阻抗匹配與信號(hào)輸出，且連接峰值檢測(cè)電路；3)峰值檢測(cè)電路檢測(cè)入射波與探針反射波干涉合成駐波信號(hào)的大小，并記下該信號(hào)為最小時(shí)掃頻信號(hào)源的頻率；4)根據(jù)電磁波傳輸線理論，此時(shí)信號(hào)的波長A為探針長度L的4倍，再根據(jù)步驟3)測(cè)出的信號(hào)頻率/，可得信號(hào)在探針上傳播的時(shí)間t，由信號(hào)在介電常數(shù)力S的介質(zhì)中傳播速度
權(quán)利要求1.通過檢測(cè)最小駐波測(cè)量土壤含水量的儀器，其特征在于，包括 掃頻信號(hào)源，用來產(chǎn)生20-200MHZ連續(xù)頻率正弦高頻信號(hào)； 高頻放大電路，用來放大掃頻信號(hào)源輸出的高頻信號(hào)； 阻抗匹配電路，實(shí)現(xiàn)與探針的阻抗匹配； 峰值檢測(cè)電路，連接阻抗匹配電路和探針，用來檢測(cè)入射波與探針反射波干涉合成駐波信號(hào)的大?。? 微控制器，接收峰值檢測(cè)電路的檢測(cè)信號(hào)，產(chǎn)生控制信號(hào)作用于掃頻信號(hào)源，使掃頻信號(hào)源產(chǎn)生不同頻率的高頻信號(hào)輸出； 探針，與阻抗匹配電路連接，插入土壤，提供信號(hào)傳播路徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的通過檢測(cè)最小駐波測(cè)量土壤含水量的儀器，其特征在于所述的掃頻信號(hào)源采用直接數(shù)字合成頻率技術(shù)DDS來實(shí)現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的通過檢測(cè)最小駐波測(cè)量土壤含水量的儀器，其特征在于所述的探針采用長度為20-40厘米，間距1-5厘米的多針平行結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的通過檢測(cè)最小駐波測(cè)量土壤含水量的儀器，其特征在于所述的探針采用3針平行結(jié)構(gòu)，探針間距20mm，直徑5mm，長度300mm，材料為304不銹鋼，其直接焊接在PCB板上。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種介電法土壤水分測(cè)量儀器，具體為一種通過檢測(cè)最小駐波測(cè)量土壤含水量的儀器。包括掃頻信號(hào)源，用來產(chǎn)生20-200MHz連續(xù)頻率正弦高頻信號(hào)；高頻放大電路，用來放大掃頻信號(hào)源輸出的高頻信號(hào)；阻抗匹配電路，實(shí)現(xiàn)與探針的阻抗匹配；峰值檢測(cè)電路，連接阻抗匹配電路和探針，用來檢測(cè)入射波與探針反射波干涉合成駐波信號(hào)的大?。晃⒖刂破?，接收峰值檢測(cè)電路的檢測(cè)信號(hào)，產(chǎn)生控制信號(hào)作用于掃頻信號(hào)源，使掃頻信號(hào)源產(chǎn)生不同頻率的高頻信號(hào)輸出；探針，與阻抗匹配電路連接，插入土壤，提供信號(hào)傳播路徑。通過檢測(cè)電磁波信號(hào)在探針上的傳播時(shí)間，根據(jù)高頻信號(hào)傳播時(shí)間與土壤含水量的相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)土壤含水量的快速檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N23/00GK202471618SQ20122006928
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月29日
發(fā)明者朱周洪, 陳華才, 陳渝陽 申請(qǐng)人:浙江托普儀器有限公司