一种基于测时长法的土壤水分测试仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了测量土壤水含量领域的一种基于测时长法的土壤水分测试仪，用以解决目前测量土壤水含量领域研究中存在的问题。该装置由传感器电路模块和数字显示电路模块组成，其中传感器电路模块与数字显示电路模块相连接；传感器电路模块包括高频振荡信号源、自动增益控制、双V型探针、乘法电路、低通滤波器和输出信号，其中高频振荡信号源、自动增益控制和双V型探针串联，高频振荡信号源、双V型探针分别与乘法电路相连接，乘法电路、低通滤波器和信号输出依次串联。本实用新型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，有效实现了一种基于测时长法的土壤水分测试仪。
【专利说明】一种基于测时长法的土壤水分测试仪
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及测量土壤水含量领域，特别涉及一种基于测时长法的土壤水分测试仪。
【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。
实用新型内容
[0006]本实用新型的目的在于，提出一种基于测时长法的土壤水分测试仪，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，本实用新型提出的技术方案是，一种基于测时长法的土壤水分测试仪，其特征是所述测试仪由传感器电路模块和数字显示电路模块组成；
[0008]所述传感器电路模块与所述数字显示电路模块相连接；
[0009]所述传感器电路模块由高频振荡信号源，自动增益控制,双V型探针，乘法电路，低通滤波器和输出信号组成；
[0010]所述高频振荡信号源、自动增益控制与所述双V型探针依次串联连接；
[0011]所述高频振荡信号源、双V型探针分别与所述乘法电路相连接；
[0012]所述乘法电路、低通滤波器、输出信号依次串联，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。
[0013]所述数字显示电路模块由微处理器、模数转换电路、实时时钟、电源电路、FLASH存储器、键盘管理电路、LCD显示模块和通讯接口电路组成；
[0014]所述微处理器分别与所述模数转换电路、实时时钟、电源电路、FLASH存储器、键盘管理电路、LCD显示模块、通讯接口电路相连接，用于处理数据和显示数据；
[0015]所述通讯接口电路还与上位PC机相连接。
[0016]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的输出端相连，另一端与乘法电路的输入端相连。
[0017]本实用新型实现的是一种基于测时长法的土壤水分测试仪，其有益效果如下:
[0018]I测量结果稳定，不受其它环境因素干扰。
[0019]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。
[0020]2采用双V型探针结构，消除末端信号反射。
[0021]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】
[0022]图1是一种基于测时长法的土壤水分测试仪的系统框图。
[0023]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。
【具体实施方式】
[0024]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，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。
[0025]图1是一种基于测时长法的土壤水分测试仪的系统框图。一种基于测时长法的土壤水分测试仪由传感器电路模块和数字显示电路模块组成；
[0026]其中，传感器电路模块用于测量信号经过双V型探针的时长；
[0027]数字显示电路模块用于处理获得的时长数据，并测量土壤水含量，最终通过显示器显示土壤中的含水量；
[0028]传感器电路模块中的输出信号模块与数字显示电路模块中的模数转换电路部分相连接，用于将传感电路模块输出的模拟信号转换为数字信号，并通过数字显示电路模块处理数据、显示数据。
[0029]所述传感器电路模块由高频振荡信号源，自动增益控制,双V型探针,乘法电路，低通滤波器和输出信号组成；
[0030]所述高频振荡信号源用于产生单一频率的高频正弦信号；
[0031]所述自动增益控制用于稳定高频振荡信号源输出信号的幅度，使得最终的测量结果更加精确；
[0032]所述高频振荡信号源、自动增益控制与所述双V型探针依次串联连接；
[0033]所述高频振荡信号源、双V型探针分别与所述乘法电路相连接；
[0034]所述乘法电路、低通滤波器、输出信号依次串联，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。
[0035]所述数字显示电路模块由微处理器、模数转换电路、实时时钟、电源电路、FLASH存储器、键盘管理电路、LCD显示模块和通讯接口电路组成；
[0036]所述微处理器分别与所述模数转换电路、实时时钟、电源电路、FLASH存储器、键盘管理电路、LCD显示模块、通讯接口电路相连接，用于处理数据和显示数据；
[0037]所述通讯接口电路还与上位PC机相连接。
[0038]图2是双V型探针的结构示意图。
[0039]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的输出端相连，另一端与乘法电路的输入端相连。
[0040]图2中的感知及显示电路部分的实物为一个六边形柱体，材料为PVC。它包括图1中的传感器电路模块和数字显示电路模块。传感器电路模块中的双V型探针固定于六边形柱体底部外侧，模块中的其他部分都内置于柱体中。数字显示电路模块中的键盘部分和LCD显不嵌在柱体的一个面上，模块的其他部分都内置于柱体中。
[0041]本实用新型相位提取采用高频振荡电路、乘法电路和低通滤波器实现，乘法电路和低通滤波器取代了高速鉴相器电路。土壤探针终端不是采用开路的，而是闭合回路，探针只是传输线的一部分，这种设计避免使用环形隔离器，且减少了末端阻抗不匹配带来的信号衰耗，大大提高了测量精度。此外，高频振荡电路、乘法电路和低通滤波器在国内市场是很常用的芯片，价钱也很便宜。
[0042]以上所述，仅为本实用新型较佳的【具体实施方式】，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种基于测时长法的土壤水分测试仪，其特征是所述测试仪由传感器电路模块和数字显示电路模块组成； 所述传感器电路模块与所述数字显示电路模块相连接； 所述传感器电路模块由高频振荡信号源，自动增益控制，双V型探针，乘法电路，低通滤波器和输出信号组成； 所述高频振荡信号源、自动增益控制与所述双V型探针依次串联连接； 所述高频振荡信号源、双V型探针分别与所述乘法电路相连接； 所述乘法电路、低通滤波器、输出信号依次串联，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。
2.根据权利要求1所述的一种基于测时长法的土壤水分测试仪，其特征是所述数字显示电路模块由微处理器、模数转换电路、实时时钟、电源电路、FLASH存储器、键盘管理电路、IXD显示模块和通讯接口电路组成； 所述微处理器分别与所述模数转换电路、实时时钟、电源电路、FLASH存储器、键盘管理电路、LCD显示模块、通讯接口电路相连接，用于处理数据和显示数据； 所述通讯接口电路还与上位PC机相连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于测时长法的土壤水分测试仪，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的输出端相连，另一端与乘法电路的输入端相连。
【文档编号】G01N22/04GK203838078SQ201420288686
【公开日】2014年9月17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