一种基于时域传输的土壤水分测量传感器及实现方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于时域传输的土壤水分测量传感器及实现方法，传感器包括：信号源、水分感知器、相移器和土壤探针；信号源用于产生三路高频正弦波信号，第三路高频信号送给土壤探针用于感知土壤水分信息，经探针回传后送至水分感知器与第一路高频信号进行相位比较得到与土壤水分值相关的相位差余旋信号。为了消除信号幅度衰减引起的干扰，测量传感器增加了一个相位差90度的正交支路，即第二路高频信号经相移器90度移相后作为正交参考信号与土壤探针回传信号相位比较得到相位差正旋信号，两路相位差信号送到单片机中处理显示测量值。本发明测量精度高、测量值稳定、易于实现且成本低，性能却达到国际先进水平，具有广泛的应用前景。
【专利说明】
一种基于时域传输的土壤水分测量传感器及实现方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种基于时域传输的土壤水分测量传感器及 实现方法。
【背景技术】
[0002] 目前国内外土壤水分测量主流技术是：时域反射(Time Domain Reflectrometry， 简称TDR)法、驻波率（Standing Wave Ratio,简称SWR)法、频域分解(Frequency Domain Decompos it ion，简称FD)法及时域传输（Time Domain Transmissometry，简称TDT)法。
[0003] 基于TDR原理的土壤水分传感器是目前土壤水分测量方法中普遍接受且应用最广 的仪器测量方法。测量精度高，响应速度快，测量范围宽，一般不需要标定，操作简便，野外 和室内都可使用，TDR测量结果受土壤盐度影响很小，在测量高有机质含量土壤、高粘土、矿 物含量土壤、容重特别高或特别低的土壤时，需要标定。TDR最大的缺点是电路复杂、成本 高，由于缺乏高精度、快速、集成度高的芯片，因此在硬件电路的实现上存在较大地困难。
[0004] FD法也是介电法的一种测量方法，是利用矢量电压测量技术，由于土壤的介电常 数￡是频率的复函数，其虚部与土壤的电导率有关，实部与土壤含水率有关。Π )方法的测量 结果受土质的影响比较大，成本也远比驻波比法高，而测量精度又不及TDR。
[0005] SWR法的优点是测量精度较高，响应速度快，对电磁干扰不敏感，成本低，可即时插 入使用也可长期埋入固定监测使用。缺点是精度尚不及TDR，且受土壤类型影响较大，对不 同土壤进行标定，测量值不稳定。
[0006] TDT法工作原理与TDR相比虽然都是通过测量电磁波在土壤介质中传播的时间差 测量土壤介电常数，但原理上却有很大不同。其一高频电磁波不同，TDR选用的是高频脉冲， 信号源中含有极丰富的谐波，各谐波在传输过程中幅度和相位都会发生不同程度的变化而 导致波形畸变，通过比较反射回来的信号上升沿畸变来确定土壤含水量信息。而TDT信号源 却是单一频率的正弦波，不是通过探针终端开路引起反射，而是通过信号完整的回路提取 包含在相位变化中的土壤水分值，因此可以通过分析其相位信息既可以确定土壤含水量信 息。其二不同的是TDR探头末端是开路的，信号因末端阻抗不匹配发生反射，而TDT的探头是 封闭的回路，信号不反射，由于从理论上消除了探针末端阻抗不匹配而引起的信号多次反 射、入射波与反射波互相干扰、信号衰耗等诸多影响测量精度、稳定度的因素，因此在对土 壤水分信息微小变化的检测与提取具有高精度、高可靠性、高灵敏度以及高稳定性。TDT的 优点是时间测量电路可以不依赖进口芯片也可以实现，设备成本低，测量精度和技术性能 与TDR相当。缺点是探头无法做成末端开路的针式结构，必须埋入土壤中测量，只能做固定 监测使用，而且埋入时对土壤扰动较大，破坏原状土壤的结构，也无法通过与探头连接的电 路直接测量土壤水分。
【发明内容】
[0007] 由于国内现有的土壤水分测量方法无法同时满足测量电路容易实现，成本低，测 量精度高，测量值稳定及即插即用的问题，本发明提出一种基于时域传输的土壤水分测量 传感器及实现方法。
[0008] 第一方面，本发明提出一种基于时域传输的土壤水分测量传感器，包括:高频信号 源、水分感知器、相移器和土壤探针；
[0009] 所述信号源用于产生三路高频信号并分别与所述水分感知器、所述相移器和所述 土壤探针分别连接，将第一路高频信号发送至所述水分感知器作为同相参考信号，第二路 高频信号发送至所述相移器，第三路高频信号发送至所述土壤探针；
[0010] 所述相移器与所述水分感知器连接，用于对所述第二路高频信号进行90度相移处 理作为正交参考信号发送至所述水分感知器；
[0011]所述土壤探针与所述水分感知器连接，用于接收所述第三路高频信号，并经所述 土壤探针小板上的水分感知信号线路传输，以感知土壤水分信息，再将土壤探针回传回来 的所述土壤水分感知信号送至所述水分感知器；
[0012] 所述水分感知器用于对所述同相参考信号、所述正交参考信号和所述探针回传的 包含土壤水分信息的土壤水分感知信号进行相位比较分析，得到与土壤水分值相关的的相 位差ig号。
[0013] 优选地，所述信号源包括高频振荡器和缓冲放大器；
[0014] 所述高频振荡器通过耦合电容与所述缓冲放大器连接，用于产生三路200MHz的高 频正弦波；
[0015] 所述缓冲放大器同时与所述乘法器、所述相移器和所述土壤探针连接，用于输出 所述三路200MHz的高频正弦波信号，并输出第一路高频信号作为所述同相参考信号至所述 乘法器，所述第二路高频信号至所述相移器，以及所述第三路高频信号至所述土壤探针。
[0016] 优选地，所述水分感知器包括乘法器、低通滤波器；
[0017] 所述乘法器同时与所述信号源、所述相移器、所述土壤探针和所述低通滤波器连 接，用于对接收的所述同相参考信号和所述土壤探针回传的包含水分信息的高频信号进行 相乘，同时对接收的所述正交参考信号和所述土壤探针回传信号进行相乘，再经过所述低 通滤波器;分别得到包含水分信息的相位差的余旋信号以及正弦信号，
[0018] 优选地，还包括:可变增益仪表放大器；
[0019]所述可变增益仪表放大器用于对接收的所述土壤水分含量相关的相位差信号增 益进行放大处理。
[0020] 第二方面，本发明还提出一种基于时域传输的土壤水分测量实现方法，包括：
[0021] 高频电磁波在土壤探针传输线上传播时，由于传输线周围包裹了土壤介质（土壤 介电常数ε，介于水和空气的介电常数），其传播速度变慢，与在空气中相比相当于增加了一 个时延，即高频电磁波在土壤中传播增加了一个相位差。该相位差是土壤含水量的函数。本 发明采用相位解调的方法提取高频电磁波中的相位差，即相干解调的方法。为了保证精度， 采用双路解调，即两路分别解调相位差的同相分量、正交分量，然后两路结果作比较以排除 幅度衰减引起的对相位差的干扰。
[0022]信号源产生三路幅度和相位相同的高频信号，并将第一路的同相参考信号发送至 水分感知器，第二路高频信号发送至相移器，第三路高频信号发送至土壤探针；
[0023]所述相移器对所述第二路高频信号进行90度相移处理，得到正交参考信号，并将 所述正交参考信号发送至所述水分感知器；
[0024]所述土壤探针接收所述第三路高频信号，经探针小板上的水分感知信号线路传 输，以采集土壤水分信息并将土壤探针回传回来的所述土壤水分感知信号送至所述水分感 知器；
[0025]所述水分感知器对所述同相参考信号、所述正交参考信号和所述土壤水分感知信 号进行处理后，得到包含土壤水分信息的相位差信号值。
[0026]优选地，所述信号源分别由三组LC高频振荡电路与缓冲放大器构成，每一路的高 频振荡电路是由集电极LC谐振回路输出频率纯净的200MHz的正弦波，通过电容耦合到缓冲 放大器，缓冲放大器是由电压跟随器构成；
[0027]信号源的第一高频信号作为同相参考信号发送至水分感知器，第二路高频信号发 送至相移器，第三路高频信号发送至土壤探针。
[0028]优选地，所述水分感知器对所述同相参考信号、所述正交参考信号和所述土壤水 分感知信号进行处理后，得到土壤水分信息的相位差信号值，进一步包括：
[0029] 所述水分感知器的乘法器对接收的所述同相参考信号和所述土壤水分感知信号 进行相乘，同时对接收的所述正交参考信号和所述土壤水分感知信号进行相乘，并分别经 过滤波器滤除高频分量得到相位差的余弦分量和正弦分量；
[0030] 所述相位差的余弦分量和正弦分量分别送到传感器的数字显示电路中的单片机 中去运算，得到土壤水分含量值。
[0031] 优选地，所述相位差的余弦分量和正弦分量分别送到传感器的数字显示电路中的 单片机中去运算，得到土壤水分含量值之后，还包括：
[0032] 可变增益仪表放大器对接收的包含土壤水分信息的相位差信号进行放大处理。
[0033] 由上述技术方案可知，本发明通过信号源产生三路高频振荡信号，其中一路信号 通过土壤探针回传后感知了土壤水分信息，另外两路分别作为相干解调的同相参考信号和 正交参考信号，进一步通过水分感知器对信号处理得到待测土壤的水分含量，电路采用国 内通用器件即可实现，成本低，测量精度高，同时测量值稳定，性能达到国外TDR的先进水 平，但价格大大低于国外同类产品价格，使得国内土壤水分测量传感器不再依赖进口，同时 电路可以选用国内市场上通用器件来实现，便于大力推广。
【附图说明】
[0034] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些图获得其他的附图。
[0035] 图1为本发明一实施例提供的一种基于时域传输的土壤水分测量传感器的结构及 信号流图；
[0036] 图2为本发明一实施例提供的另一种基于时域传输的土壤水分测量传感器的结构 及信号流图；
[0037]图3为本发明一实施例提供的一种基于时域传输的土壤水分测量方法的原理图；
[0038]图4为本发明一实施例提供的一种基于时域传输的土壤水分测量方法的电路图；
[0039] 图5为本发明一实施例提供的一种水分感知电路的上支路电压与水含量关系曲线 图；
[0040] 图6为本发明一实施例提供的一种水分感知电路的上支路相位差与水含量关系曲 线图；
[0041] 图7为本发明一实施例提供的一种基于时域传输的土壤水分测量实现方法的流程 示意图。
【具体实施方式】
[0042] 下面结合附图，对发明的【具体实施方式】作进一步描述。以下实施例仅用于更加清 楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0043]图1示出了本实施例提供的一种基于时域传输的土壤水分测量传感器的结构及信 号流图，结构包括:信号源41、水分感知器42、相移器43和土壤探针44;
[0044]所述信号源41用于产生三路高频信号并分别与所述水分感知器42、所述相移器43 和所述土壤探针44分别连接，将第一路高频信号作为同相参考信号发送至所述水分感知器 42，第二路高频信号发送至所述相移器43，第三路高频信号发送至所述土壤探针44;
[0045]所述相移器43与所述水分感知器42连接，用于对所述第二路高频信号进行90度相 移处理作为正交参考信号，并将所述正交参考信号发送至所述水分感知器42;
[0046]所述土壤探针44与所述水分感知器42连接，用于接收所述第三路高频信号，并经 所述土壤探针小板上的水分感知信号线路传输，以感知土壤水分信息，再送至所述水分感 知器42;
[0047]所述水分感知器42用于将三路信号汇聚，用从土壤探针回传回来的所述土壤水分 感知信号分别与所述同相参考信号、所述正交参考信号进行相位比较分析，从而提取包含 土壤水分信息的相位差信号值。
[0048]本实施例通过信号源产生三路高频振荡信号，其中一路作为同相参考信号直接输 入到水分感知器，第二路信号通过相移器进行90度相移处理作为正交参考信号，第三路信 号通过土壤探针感知土壤水分信息回传给水分感知器，进一步通过水分感知器对信号处理 得到待测土壤的水分含量，电路采用国内通用器件即可实现，成本低，测量精度高，同时测 量值稳定，性能达到国际同类产品的先进水平，但价格大大低于国外同类产品价格，使得国 内土壤水分测量传感器不再依赖进口，同时电路可以选用国内市场上通用器件来实现，便 于大力推广。
[0049] 作为本实施例的可选方案，如图2所示，其中信号源51(图2中未画出）、水分感知器 52(图2中未画出）、相移器53和土壤探针54与上述实施例相同，本实施例不再赘述。
[0050] 所述信号源51包括高频振荡器511和缓冲放大器512;
[00511 所述高频振荡器511和所述缓冲放大器512连接，用于产生三路200MHz的高频正弦 波；
[0052] 所述缓冲放大器512同时与所述乘法器521、所述相移器53和所述土壤探针54连 接，用于输出所述三路200MHz的高频正弦波信号，并输出所述同相参考信号至所述乘法器 521，所述第二路高频信号至所述相移器53,以及所述第三路高频信号至所述土壤探针54。 [0053]信号源要同时产生三路200MHz高频信号分别供给水分感知器作为相位解调的同 相参考信号、正交参考信号及探针输入信号，且对三路信号要求幅度相同、相位严格同步。 此外还要求信号频率纯净单一、波形不能畸变、输出幅度达到2V左右。为了满足以上条件信 号源由LC高频振荡器与缓冲放大器两级组成。
[0054] 所述水分感知器52包括乘法器521和低通滤波器522;
[0055] 所述乘法器521同时与所述信号源51、所述相移器53、所述土壤探针54和所述低通 滤波器522连接，用于对接收的所述同相参考信号和所述土壤水分感知信号进行相乘，经过 所述低通滤波器522后得到包含土壤水分信息的相位差的余弦信号，同时对接收的所述正 交参考信号和所述土壤水分感知信号进行相乘，经过所述低通滤波器后得到包含土壤水分 信息的相位差的正弦信号；
[0056] 通过乘法器对信号进行相乘处理，通过低通滤波器对信号进行滤波得到待测土壤 水分值，电路容易实现，成本低，测量精度高，同时测量值稳定，便于大力推广。
[0057] 进一步地，还包括:可变增益仪表放大器55;
[0058]所述可变增益仪表放大器55与所述低通滤波器522连接用于对接收的所述包含土 壤水分值的信号进行放大处理。
[0059] 通过对包含土壤水分值的信号进行放大处理，能够便于后续处理和显示。
[0060] 更进一步优选地，还包括:显示器56;
[0061]所述显示器56用于接收放大后的包含土壤水分值的信号，并显示土壤水分值。 [0062] 通过显示器显示土壤水分值，能够便于用于直观获取土壤水分值。
[0063]为了更进一步说明本实施例提供的基于时域传输的土壤水分测量传感器，以下对 土壤水分测量原理进行描述：
[0064] 土壤水分测量的依据是电磁波沿探针传播的速度与探针周围土壤的介电常数的 平方根成反比，因此可以根据电磁波传播的速度来测量土壤的介电常数。Topp依此方法测 得了土壤中气一固一液混合物的介电常数ε，进而利用数值回归分析方法找出了不同类型 土壤的含水量与介电常数之间的经验公式：
[0065] W=-5.3X10-2+2·92*10-2ε-5·5Χ10-4ε 2+4·3Χ10-6ε3 (I)
[0066] 其中W为土壤体积含水量，ε为土壤表观介电常数。由于探针周围的介质是土壤和 水的混合物，其介电常数介于空气和水之间（空气中介电常数为1，水中接近80)，如果土壤 是完全干燥的，那么ε将会是2到4,如果土壤体积的25%是水，那么ε将近11~12。对农业土 壤来说，ε的大小主要取决于土壤的体积含水量。土壤水分测量方法的原理图如图3所示，由 信号源产生一个高频正弦波信号Ci(i) = AcosCa>et+i^)，其中A为高频信号的幅度，ω。为角 频率，％为初相，三个参量均为常量，为了简单起见也可以假设初始相位你=0。从土壤探针A 端输入，探针插入待测土壤，探针末端不是开路的，高频电磁波沿探针回路到探针B端输出。 假设探针物理长度为L，则高频电磁波在探针中的路径长度为2L，传输时间为At。因此，电 磁波在B点的相位比A点增加了一个相位延时&，，幅度衰减为B，此时B点的高频信号为：
[0067]
( 2 )
[0068] 高频电磁波在探针中的传播时间为：
[0069] (3 )
[0070]其中V为电磁波在土壤中传播的速度，c为电磁波在真空中传播的速度(3 X 108m/ s)，ε为土壤混合物的表观介电常数。
[0071]
(4)
[0072] 由Topp公式知道土壤的介电常数与含水量有关，因此Δ辦可以表示为含水量的函 数，即Apf (W),带入式⑵得到：
[0073]
(.5,)
[0074]由式(5)可以看出在B点处的高频信号由于相位中包含土壤水分信息。参照通信技 术的相位调制，式(5)可看出高频信号uA(t)经过土壤中的探针后水分信息被加载到了高频 信号的相位上了，因此通过提取相位差可以获取土壤水分信息。
[0075] 采用差分相位解调的方法，即uB(t)与其相同频率的载波(此处就是信号源产生的 高频信号UA(t)相乘：
[0076]
[0077]经过低通滤波器得到：
[0078] U1., = 1< cost Αφ) ( 6 )
[0079] 其中，k为幅度衰减系数，对确定的水含量k是常量，因此通过测量低通滤波器输出 便能求出Δ，是直流信号，从而得到水分值。
[0080] 其中，在图2中信号经过水分感知器的乘法器和低通滤波器后不仅有个相位差而 且幅度也有衰减，衰减因子是k，虽然是常量，但如果要计算相位差Δ炉必须要知道衰减因子 k。因此实际电路在设计时需要增加一路测量电路且是移相90度的。信号源是为土壤水分感 知器提供三路高频电磁波信号，用于提取土壤水分信息。主要由晶振产生一个200MHz的高 频振荡信号分成三路，分别经过一个200MHz的选频网络产生一个频率纯净的正弦波，一路 给土壤探针，另外两路中有一路要经过90度相移。
[0081] 本实施例对应的电路图如图4所示，信号源要同时产生三路200MHz高频信号分别 供给水分感知器作为相位解调的同相参考信号、正交参考信号及探针输入信号，且对三路 信号要求幅度相同、相位严格同步。此外还要求信号频率纯净单一、波形不能畸变、输出幅 度达到2V左右。为了满足以上条件信号源电路由LC振荡电路与缓冲放大电路两级组成。第 一级晶体三极管Tl为200MHz的高频振荡器，集电极回路由LI、C4、C5构成LC谐振回路作为负 载以保证输出信号频率调谐在200MHz，起振信号是由200MHz有源晶振产生经过。第一级振 荡输出经耦合电容输出到第二级缓冲放大器，T2为跟随器，为使200MHz频率更加纯净，发射 极也采用了 LC回路选频网络。Rl 5、R16为偏置电阻，输出由C9耦合输出。
[0082]本实施例通过对TDT 土壤水分测量方法的多种硬件电路实现，并进行了大量研发 对比实验进行方案的验证。即测量采用了通信技术中相位调制、解调方法:高频电磁波在土 壤探针传输过程中，土壤水分信息通过含水土壤介质加载到了高频信号的相位中，可以看 成相位调制过程，因此从采用相位解调方法能够完整提取相位中包含的水分信息。这种测 量方法与综述中其它方法不同在于:其它方法是找出土壤水分含量与探针阻抗的关系，探 针阻抗一般是复阻抗，因此在实际测量时为了物理可实现忽略阻抗虚部，其结果导致提取 的水分值会丢失部分信息。本实施例采用相位解调来提取水分信息，解调出来的相位信息 包含了全部水分信息，因此精度高。在硬件实现上按照相位解调电路设计测量硬件电路，信 号源采用了三路两级三极管放大电路，多次选频调谐，保证了三路输出一致性好、频率纯净 单一;水分感知器采用双路相位比较克服了 TDT方法中单路相位比较中高频信号幅度衰减 与相位延时纠缠一起无法确定相位变化;采用了国内通用器件来实现硬件电路，大大降低 了研发成本，且易于实现成果转化和产品推广。
[0083]本实施例提供的基于时域传输的土壤水分测量传感器能够同时产生三路频率纯 净单一、幅度相位失真度小的高频正弦波信号，且三路信号幅度、相位一致性要非常好;水 分感知器能同时检测出经过土壤探针后的高频信号幅度衰减及相位延时;高性能的高频硬 件电路采用了国内常用的分立元器件，电路可以实现且非常实用，成本也较低，不依赖进口 元器件、易于加工制造、易于推广应用；普通时域传输TDT 土壤探针测量时须借助其它工具 把土壤挖开将传感器探针埋入土壤里再进行测量，本实施例与专为其设计的特殊的尖刀型 可插入式土壤探针配套使用可以即插即用、方便快捷，且能够有效的屏蔽双向高频电磁波 的相互干扰，消除探针末端阻抗不匹配而引起的信号多次反射、入射波与反射波互相干扰、 信号衰耗等众多影响测量精度、稳定度的因素，因此在对土壤水分信息微小变化的检测与 提取具有高精度、高灵敏度以及高稳定性。同时在高频硬件电路上采用多个措施保证了高 频信号的稳定、可靠。
[0084] 为了测量本实施例提供的基于时域传输的土壤水分测量传感器的测量精度，以下 通过实验进行验证：
[0085] 高频电磁波在土壤探针的时间I ε是相对介电常数，在空气中 是1，在水中是80儿是探针长度120cm。当探针放在水里传输时间会因为介电常数变大而延 长。
[0086] 实验过程：
[0087]将探针插入满刻度500ml的烧杯里并且固定不动，逐渐往烧杯加水，第一次50ml， 以后每次增加10ml，由于探针在水里的长度逐渐增加，高频信号传输时间也逐渐增加，即高 频信号的相位差逐渐变大，每次加水l〇ml，测量电路中的放大器AD623第6管脚输出电压如 表1。
[0088]
[0089]
L〇〇92」数据处理：
[0093] 上支路输出电压值=tc〇S(A#，由于这个电压值包含幅度衰减，所以计算其相 位值需要首先归一化处理，即电压值除于最大值1054,使电压值在-1~1之间。然后对归一 化进行反余弦运算，在计算相位值时要注意其相位连续性，因此在之后的相位计算式应该 是 2 ;r-arc cos Δρ。
[0094] 数据处理结果如图5和6所示，分别为上支路电压与水含量关系曲线图和上支路相 位差与水含量关系曲线图。
[0095]测量结果分析：
[0096] 将上面数据处理相位与水含量关系曲线拟合，得到拟合函数：
[0097] y = 3Ε-08χ6-4Ε-06χ5+0 · OOOlx4-O · 0023χ3+0 · 0165χ2-0 · 0455χ+1 · 8981
[0098] 其中，y是相位差，χ是含水量。该拟合曲线将作为今后相位差与水含量的关系曲 线，测量时根据测量电压来反演水含量值。
[0099]将测量值与拟合曲线计算 [0100]相关系数R:
[mm]
(7)
[0102] 其中，η是用于回归分析的测量样点数;X1是在第i个样点测得的土含水量j是所 有样点测量值的平均 ;yi是根据回归方程由在第i个样点测得的信号相位差计算得到的水 含量预p佶.￥县靳右垤占雨侧佶的平均。
[0103]
[0104] 相关系数R(有时也用R2代替)反映了回归方程与测量数据之间的相关性，R2的值越 接近1，说明回归方程与测量数据之间的相关性越好。R 2无量纲，其取值范围在〇~1之间。
[0105] 均方根误差RMSE:
[0106]
[0107] 计算得R2 = 0.9948，RMSE = 0.011，说明测量精度达到了期望值。
[0108] 图7示出了本发明一实施例提供的一种基于时域传输的土壤水分测量实现方法的 流程示意图，包括：
[0109] S101、信号源产生三路幅度和相位相同的高频信号，并将第一路的同相参考信号 发送至水分感知器，第二路高频信号发送至相移器，第三路高频信号发送至土壤探针；
[0110] S102、所述相移器对所述第二路高频信号进行90度相移处理作为正交参考信号， 并将所述正交参考信号发送至所述水分感知器；
[0111] S103、所述土壤探针接收所述第三路高频信号，经探针小板上的水分感知信号线 路传输，以采集土壤水分信息并将土壤探针回传回来的所述土壤水分感知信号送至所述水 分感知器，所述土壤水分感知信号中包含土壤水分信息；
[0112] S104、所述水分感知器对所述同相参考信号、所述正交参考信号和所述土壤水分 感知信号进行处理后，得到包含土壤水分信息的相位差信号值。
[0113] 作为本实施例的可选方案，步骤S104进一步包括：
[0114] S1041、所述水分感知器的乘法器对接收的所述同相参考信号和所述土壤水分感 知信号进行相乘，同时对接收的所述正交参考信号和所述土壤水分感知信号进行相乘，并 分别经过滤波器滤除高频分量得到相位差的余弦分量和正弦分量；
[0115] S1042、所述相位差的余弦分量和正弦分量分别送到传感器的数字显示电路中的 单片机中去运算，得到土壤水分信息的相位差的正弦信号。
[0116] 具体地，
[0117] 所述信号源分别由三组LC高频振荡电路与缓冲放大器构成，每一路的高频振荡电 路是由集电极LC谐振回路输出频率纯净的200MHz的正弦波，通过电容耦合到缓冲放大器， 缓冲放大器是由电压跟随器构成；
[0118] 信号源的第一组电路产生的高频信号作为同相参考信号发送至水分感知器，第二 路高频信号发送至相移器，第三路高频信号发送至土壤探针。
[0119] 进一步地，还包括：
[0120] S105、可变增益仪表放大器对接收的包含土壤水分信息的相位差信号进行放大处 理。
[0121] 更进一步地，还包括：
[0122] S106、显示器接收放大后的包含土壤水分值的信号，并显示土壤水分值。
[0123] 本实施例所述的基于时域传输的土壤水分测量方法可以用于执行上述传感器实 施例，其原理和技术效果类似，此处不再赘述。
[0124] 本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实例可以在 没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术， 以便不模糊对本说明书的理解。
【主权项】
1. 一种基于时域传输的土壤水分测量传感器，其特征在于，包括:信号源、水分感知器、 相移器和土壤探针； 所述信号源用于产生三路高频信号并分别与所述水分感知器、所述相移器及所述土壤 探针分别连接，将第一路高频信号作为同相参考信号发送至所述水分感知器，第二路高频 信号发送至所述相移器，第三路高频信号发送至所述土壤探针； 所述相移器与所述水分感知器连接，用于对所述第二路高频信号进行90度相移处理作 为正交参考信号，并将所述正交参考信号发送至所述水分感知器； 所述土壤探针与所述水分感知器连接，用于接收所述第三路高频信号并经所述土壤探 针小板上的水分感知信号线路传输，以感知土壤水分信息，再将土壤探针回传回来的所述 土壤水分感知信号送至所述水分感知器； 所述水分感知器用于将三路信号汇聚，用从土壤探针回传回来的所述土壤水分感知信 号分别与所述同相参考信号、所述正交参考信号进行相位比较分析，从而提取包含土壤水 分信息的相位差信号值。2. 根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述信号源包括高频振荡器和缓冲放大 器； 所述高频振荡器通过耦合电容与所述缓冲放大器连接，用于产生三路200MHz的高频正 弦波； 所述缓冲放大器同时与所述乘法器、所述相移器和所述土壤探针连接，用于输出所述 三路200MHz的高频正弦波信号，并输出第一路高频信号作为所述同相参考信号至所述乘法 器，所述第二路高频信号至所述相移器，以及所述第三路高频信号至所述土壤探针。3. 根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述水分感知器包括乘法器和低通滤波 器； 水分感知器采用差分相干解调的方法来提取高频信号中包含土壤水分信息的相位差； 所述乘法器与所述信号源、所述相移器、所述土壤探针和所述低通滤波器分别连接，用 于对接收的所述同相参考信号和所述土壤水分感知信号进行相乘，经过所述低通滤波器后 滤出高频分量得到包含土壤水分信息的相位差的余弦信号，同时对接收的所述正交参考信 号和所述土壤水分感知信号进行相乘，经过所述低通滤波器后滤出高频分量得到土壤水分 信息的相位差的正弦信号。4. 根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，还包括:可变增益仪表放大器； 所述可变增益仪表放大器与所述低通滤波器连接，用于对接收的信号进行功率放大处 理。5. -种基于权利要求1-4任一项所述的土壤水分测量传感器的实现方法，其特征在于， 包括： 信号源产生三路幅度和相位相同的高频信号，并将第一路高频信号作为同相参考信号 发送至水分感知器，第二路高频信号发送至相移器，第三路高频信号发送至土壤探针； 所述相移器对所述第二路高频信号进行90度相移处理作为正交参考信号，并将所述正 交参考信号发送至所述水分感知器； 所述土壤探针接收所述第三路高频信号，经探针小板上的水分感知信号线路传输，以 感知土壤水分信息并将土壤探针回传回来的所述土壤水分感知信号送至所述水分感知器； 所述水分感知器对所述同相参考信号、所述正交参考信号和所述土壤水分感知信号进 行处理后，得到包含土壤水分信息的相位差信号值。6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述信号源分别由三组LC高频振荡电路与 缓冲放大器构成，每一路的高频振荡电路是由集电极LC谐振回路输出频率纯净的200MHz的 正弦波，通过电容耦合到缓冲放大器，缓冲放大器是设计为电压跟随器； 信号源的第一高频信号作为同相参考信号发送至水分感知器，第二路高频信号发送至 相移器，第三路高频信号发送至土壤探针。7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述水分感知器对所述同相参考信号、所 述正交参考信号和所述土壤水分感知信号进行处理后，得到包含土壤水分信息的相位差信 号值，进一步包括： 乘法器对接收的所述同相参考信号和所述土壤水分感知信号进行相乘，同时对接收的 所述正交参考信号和所述土壤水分感知信号进行相乘，并分别经过滤波器滤除高频分量得 到相位差的余弦分量和正弦分量； 所述相位差的余弦分量和正弦分量分别送到传感器的数字显示电路中的单片机中去 运算，得到土壤水分信息的相位差的正弦信号。8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述相位差的余弦分量和正弦分量分别送 到传感器的数字显示电路中的单片机中去运算，得到土壤水分信息的相位差的正弦信号之 后，还包括： 可变增益仪表放大器对接收的包含土壤水分信息的相位差信号进行放大处理。
【文档编号】G01N23/00GK105842261SQ201610230213
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月13日
【发明人】石庆兰, 高万林, 董乔雪, 冯磊, 陈飞, 陈一飞, 杜尚丰, 徐云, 杨卫中, 孙明, 杨丽丽
【申请人】中国农业大学