一种采用测时长技术测量土壤水含量的方法

一种采用测时长技术测量土壤水含量的方法
【专利摘要】本发明公开了测量土壤水含量领域的一种采用测时长技术测量土壤水含量的方法，用以解决目前测量土壤水含量领域研究中存在的问题。该方法包括：首先，准备好待测土壤，将双V型土壤探针插入其中；其次，向土壤探针发送一个高频电磁波，再次，通过比较发送端与接收端电磁波的相位差可以精准地计算出电磁波在探针中的传输时间，最后根据传输时间和土壤水含量关系的拟合公式计算得到土壤含水量。本发明克服了传统测量土壤水含量方法复杂、精确度不高、硬件电路实现比较困难等在实际应用中的局限性，有效实现了一种采用测时长技术测量土壤水含量的方法。
【专利说明】一种采用测时长技术测量土壤水含量的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及测量土壤水含量领域，特别涉及一种采用测时长技术测量土壤水含量的方法。
【背景技术】
[0002]目前国外土壤水含量测量方法最先进的且最为普及的方法是时域反射仪(Time-Domain Reflectometry, TDR)法，时域反射仪(TDR)是最具实时、快速和准确性的土壤水分测量技术。我国生产和科研单位目前使用的TDR仪主要从美国、加拿大和德国等进口。2006年中国农业大学“十一五”的863计划项目“土壤参数时域反射仪(TDR)关键技术研究”首次在国内研制和开发时域反射原理的土壤水分测试仪。并取得了突破性进展，但由于缺乏高精度、快速、集成度高的芯片，在硬件电路的实现上存在较大的困难，因此采用了一种替代的方法相位时域反射仪(Phase Time Domain Reflectometry, P-TDR)。
[0003]两种方法的特点和有限性:
[0004]ITDR:用方波做信号源，比较入射波与反射波的上升沿的时间差来确定含水量，土壤探针终端采用开路的，信号靠终端阻抗不匹配来反射信号再与入射波比较。实现方法采用大规模、高速、高精度的专用集成电路芯片实现。缺点:成本高、中国无法买到芯片。 [0005]2中国农业大学的P-TDR:用单频的正弦波替代脉冲方波，用“比较正弦波的相位差来精准地计算高频信号的传输时间差”的方法替代“比较方波的上升沿来计算时间差”。土壤探针终端也是采用开路的，信号靠终端阻抗不匹配来反射信号再与入射波比较。入射波与反射波用环形隔离器分割入射波与反射波，相位差是采用价格昂贵的鉴相电路芯片来提取相位差。缺点:高速的鉴相电路芯片也是对中国封锁的芯片且价格昂贵。

【发明内容】

[0006]本发明的目的在于，提出一种采用测时长技术测量土壤水含量的方法，用以解决目前测量土壤水含量技术研究中存在的问题。
[0007]为实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种采用测时长技术测量土壤水含量的方法，其特征是所述方法包括:
[0008]步骤1:准备好待测土壤，将双V型探针插入待测土壤中，并打开电源；
[0009]步骤2:高频振荡信号源产生500MHz正弦波信号S1 (t) = cos ω t，其中ω = 2 Ji f，f为信号频率，f = 500MHz, t表示时间；
[0010]步骤3:同时将信号S1⑴经过V型探针，得到信号S2 (t) = cos。(t+At)，其中Δt表不信号在双V型探针中的传输时间长度；
[0011]步骤4:将信号Sl(t)和S2 (t)都输入乘法电路，再经过低通滤波器，得到输出信号U = -€05ωΔ?,则可计算出信号在双V型探针中的传输时长At = arccos2u;
2ω
[0012]步骤5:对于信号在双V型探针中的传输时长At，令X = At，将其带入拟合公式y = Ax3+Bx2+Cx+D中，得到待测土壤的含水量y，其中X为测量值，即信号在双V型探针中的传输时长，A、B、C、D为系数常量。
[0013]所述拟合公式y = Ax3+Bx2+Cx+D通过标定实验确定。
[0014]所述采用测时长技术测量土壤水含量的装置由高频振荡信号源模块，双V型探针，乘法电路模块，低通滤波器模块和输出信号模块组成；
[0015]所述高频振荡信号源模块用于产生单一频率的高频正弦信号；
[0016]所述高频振荡信号源模块与所述双V型探针相连接；
[0017]所述高频振荡信号源模块、双V型探针分别与所述乘法电路模块相连接；
[0018]所述乘法电路模块、低通滤波器模块、输出信号模块依次串联，用于获得原信号和经过双V型探针的信号之间的相位差，最终计算信号在双V型探针中的传输时间。
[0019]所述待测土壤任何土壤。
[0020]所述双V型探针由第一探针、第二探针、第三探针、第四探针构成，其中，第一探针、第四探针对接短路构成外侧V字形状并且与电路板地线连接，第二探针、第三探针短路成V字形状是信号线，一端与高频振荡信号源模块的输出端相连，另一端与乘法电路模块的输入端相连。
[0021]本发明实现的是一种采用测时长技术测量土壤水含量的方法，其有益效果如下:
[0022]I测量结果稳定，不受其它环境因素干扰。
[0023]与测电压的方法相比，测量时间长度的方法很单纯，时间长度只与介电常数有关，而其它环境因素变化不会影响测量精度，因此测量结果稳定，不会漂移。
[0024]2采用双V型探针结构，消除末端信号反射。
[0025]该测量方法中土壤探针是作为传输线的一部分，而不是负载阻抗。因此，消除了阻抗不匹配引起的信号反射，从而减少了信号在传输过程中的衰耗。
【专利附图】

【附图说明】
[0026]图1是一种采用测时长技术测量土壤水含量的方法的系统框图。
[0027]图2是双V型探针的结构示意图。图中，1-第一探针，2-第二探针，3-第三探针，4-第四探针。
[0028]图3是以砂土为例，砂土含水量随信号传输时间变化的曲线图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0030]本发明解决问题的思路是:首先，准备好待测土壤，将双V型土壤探针插入其中；其次，向土壤探针发送一个高频电磁波，再次，通过比较发送端与接收端电磁波的相位差可以精准地计算出电磁波在探针中的传输时间，最后根据传输时间和土壤水含量关系的拟合公式计算得到土壤含水量。图1是一种采用测时长技术测量土壤水含量的方法的电路图。
[0031]所述采用测时长技术测量土壤水含量的装置由高频振荡信号源模块，双V型探针，乘法电路模块，低通滤波器模块和输出信号模块组成；
[0032]所述高频振荡信号源模块用于产生单一频率的高频正弦信号；[0033]所述高频振荡信号源模块与所述双V型探针相连接；
[0034]所述高频振荡信号源模块、双V型探针分别与所述乘法电路模块相连接，；
[0035]所述乘法电路模块、低通滤波器模块、输出信号模块依次串联，用于获得原信号和经过双V型探针的信号之间的相位差，最终计算信号在双V型探针中的传输时间。
[0036]本发明中的待测土壤为任何土壤。无论何种土质，都可以通过多组土壤含水量I和信号在双V型探针中的传输时长Λ t的对应关系(Λ t，y)，得到拟合公式y =Ax3+Bx2+Cx+D，其中X为信号在双V型探针中的传输时长，y为土壤含水量，A、B、C、D为系数常量，只是对于不同的土质，系数常量A、B、C、D的值不同。因此，虽然实施例中只以砂土为待测土壤，进行实验，但是该方法适用于任何待测土壤。对于新的未知土壤，只需进行标定实验以确定该土壤水含量与传输时长之间的测量公式的系数。
[0037]下面结合【专利附图】

【附图说明】本发明的具体实现方式。
[0038]步骤1:准备好待测土壤，将双V型探针插入待测土壤中，并打开电源。
[0039]图2是双V型探针的结构示意图，图中包括第一探针1，第二探针2，第三探针3，第四探针4。双V型探针由第一探针1、第二探针2、第三探针3、第四探针4构成，其中，第一探针1、第四探针4对接短路构成外侧V字形状并且与电路板地线连接，第二探针2、第三探针3短路成V字形状是信号线，一端与高频振荡信号源模块的输出端相连，另一端与乘法电路模块的输入端相连。
[0040]步骤2:高频振荡信号源产生500MHz正弦波信号S1 (t) = cos ω t，其中ω = 2 Ji f，f为信号频率，f = 500MHz, t表示时间；
[0041]步骤3:同时将信号S1⑴经过V型探针，得到信号S2 (t) = cose) (t+At)，其中Δt表不信号在双V型探针中的传输时间长度；
[0042]步骤4:将信号S1⑴和S2⑴都输入乘法电路，再经过低通滤波器，得到输出信号
U =玉COS(I)At,则可计算出彳目号在双V型探针中的传输时长
【权利要求】
1.一种采用测时长技术测量土壤水含量的方法，其特征是所述方法包括: 步骤1:准备好待测土壤，将双V型探针插入待测土壤中，并打开电源； 步骤2:高频振荡信号源产生500MHz正弦波信号S1 (t) =COS on，其中ω = 2 Ji f, f为信号频率，f = 500MHz, t表示时间； 步骤3:同时将信号S1⑴经过V型探针，得到信号S2 (t) = cos ω (t+ Λ t)，其中Λ t表示信号在双V型探针中的传输时间长度； 步骤4:将信号Sl(t)和s3(t)都输入乘法电路，再经过低通滤波器，得到输出信号u = icoso^t,则可计算出信号在双V型探针中的传输时长
2.根据权利要求1所述的一种采用测时长技术测量土壤水含量的方法，其特征是所述拟合公式y = Ax3+Bx2+Cx+D通过标定实验确定。
3.根据权利要求1所述的一种采用测时长技术测量土壤水含量的方法，其特征是所述采用测时长技术测量土壤水含量的装置由高频振荡信号源模块，双V型探针，乘法电路模块，低通滤波器模块和输出信号模块组成； 所述高频振荡信号源模块用于产生单一频率的高频正弦信号； 所述高频振荡信号源模块与所述双V型探针相连接； 所述高频振荡信号源模块、双V型探针分别与所述乘法电路模块相连接； 所述乘法电路模块、低通滤波器模块、输出信号模块依次串联，用于获得原信号和经过双V型探针的信号之间的相位差，最终计算信号在双V型探针中的传输时间。
4.根据权利要求1所述的一种采用测时长技术测量土壤水含量的方法，其特征是所述待测土壤为任何土壤。
5.根据权利要求1或3所述的一种采用测时长技术测量土壤水含量的方法，其特征是所述双V型探针为由第一探针(I)、第二探针(2)、第三探针(3)、第四探针(4)构成，其中，第一探针(I)、第四探针(4)对接短路构成外侧V字形状并且与电路板地线连接，第二探针(2)、第三探针(3)短路成V字形状是信号线，一端与高频振荡信号源模块的输出端相连，另一端与乘法电路模块的输入端相连。
【文档编号】G01N23/00GK104007128SQ201410241004
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】石庆兰, 冯磊, 徐云, 董乔雪, 孙明, 高万林, 杨丽丽 申请人:中国农业大学