一种同步实时测量土壤水分与电导率的方法及传感器技术

本发明专利技术公开了一种基于介电理论、基于频域方法的同时测量土壤水分与电导率的方法及传感器。本发明专利技术基于探针导纳计算方法的数学模型，采用多频率导纳分解法直接测量探头的导纳，进而分解探头导纳的实部与虚部，通过探头导纳实部与介电损耗的关系得出介质电导率，探头导纳虚部与介电常数的关系得出介质含水率；温度检测一方面提供介质基本的温度信息，同时可用来校准温度对电导率的影响。本发明专利技术具有能够分解各参数相互间的影响、测量精度高、能够连续输出测量结果、电导率测量范围大、传感器结构紧凑等优点，可广泛用于农田作业或研究等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种测量土壤水分与电导率的方法及传感器，尤其涉及一种基于介电理论、基于频域方法的同时测量土壤水分与电导率的方法及传感器。
技术介绍
土壤水是保证农作物生长的命脉，土壤中所发生的一系列反应，能量与物质交换均与水分有关，它直接关系着作物产量与品质。土壤电导率是另一个重要的土壤物理参数，它是土壤盐分，水分，有机质含量，土壤质地结构等的综合反映，对于农田作业，环境污染等研究与应用有着相当重要的作用。当前相关的传感
技术介绍
从三个方面介绍一、基于介电理论的土壤水分快速测量当前实时测量土壤含水率主要手段是基于介电物理方法。例如TDR(TimeDomain Reflectrometer)，FD(Frequency Decomposition)。从本质上看这些测量方法都是根据已知土壤相对介电常数(Permitivitity)在3～5之间，空气相对介电常数为1，水的相对介电常数为80，通过测量土壤—水—空气混合物质的介电常数间接确定土壤含水率。主要有TDR和FD两种方法。自从加拿大学者Dr.Topp应用TDR方法测量土壤水分并提出著名的Topp公式后，TDR测量土壤水分逐步成为土壤水分测量的主要方式。TDR方法是测量电磁波沿着插入含水土土壤探针的传输时间来估计土壤的含水率。入射的电磁波有两种形式，一种是阶跃信号，以Tecktronic公司的1502型电缆测试仪和SoilMoisture公司的Trase土壤水分测试仪为主要代表；另外一种是针型脉冲，在结构上相对简单，以德国IMKO公司的TRIME土壤水分测试仪为代表，主要特点是1.测量精度高，特别是阶跃信号方式；2.测量范围0-100％；3.实现难度大，价格高；4.一次测量需要较长的时间，至少20秒。FD方法是测量一定频率下插入含水土壤探头导纳来确定含水土壤的介电常数，进而估计土壤水分。传统的电容法、SWR法是两种典型的传感电路方式。FD方法的主要特点1.测量精度相对低，受盐分影响大，但成本低，性能也能够满足大多数的应用需求；2.FD方法的探头结构灵活，便于根据实际需要确定探头几何结构，如针式，环式与锥式都有应用；3.现有传感方法的实时性好，能够输出连续信号。二、土壤电导率的快速测量方法专用于土壤电导率测量的方法主要有四端法与电磁感应法。四端法的测量原理、数学模型与实际应用已经相对成熟，商品化的产品有定点式的EC-PROBE土壤盐度计与车载式Veris 3000(Veris Technol.，Salina，KS)。电磁感应法的代表产品是EM38(Geonics Limited，Mississauga，ON，Canada)。车载式的Veris3000与EM38各有优缺点，EM38在使用前需要用户进行全面的标定过程，空气温度，湿度等环境的变化都会影响测量的稳定度。相反，Veris 3000系统包括所有必要的组成，使用前不需要用户标定，操作也很简单，然而EM38系统很轻，只需要少的动力并有可能采集湿或软的土壤信息。三、土壤含水率与电导率同时测量方法的研究现状土壤含水率与电导率同时测量方法目前主要有三种，分别是TDR分解法；FD定频率分解法；自从Topp(1980)发表了用TDR测土壤水分及著名Topp公式后，Dalton(1984)首先进行了基于TDR方法的土壤水分盐分同时测量实验研究。基本方法是通过发射的阶跃信号沿着插入土壤探头的传输过程来测量的。一方面通过传输时间来测量土壤的水分，另外一方面通过电磁波的幅度衰减来估计土壤的电导率。荷兰Hilhorst在固定频率下利用同步检波技术测量探头端口导纳的幅值与相角进而同时获取土壤水分、电导率。这两种方法均存在如下不足1.在高电导率的条件下，TDR方法因为信号衰减过大，无法测量土壤水分；而FD定频率分解法则因为相角太小，无法准确得到水分与电导率。2.不能连续输出信号，TDR一次测量需要1分钟左右，而FD定频率分解法至少需要30秒。3.探头结构主要是针式，还没有其它结构的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有FD方法测量土壤水分受电导率的影响与电导率测量受水分影响的不足，提出一种同步实时测量土壤水分、电导率的多频率导纳分解的方法；还提出一种具有土壤水分、电导率测量范围大，探头适应性强，能够连续输出信号的测量传感器，同时该传感器集成温度检测功能，一方面提供土壤基本的温度信息，同时用来校准温度对电导率的影响。为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案如下一种同步实时测量土壤水分与电导率的方法，该方法通过同步测量两个频率下的探头导纳幅值，进而分解探头导纳的实部与虚部，利用探头导纳实部与介电损耗的关系得出土壤电导率，探头导纳虚部与介电常数的关系得出土壤含水率，实现土壤水分、与电导率的实时测量，消除两者间相互影响，提高每个参数的测量精度。该方法包括以下步骤1.用至少两种频率信号发生器实时发出信号，经过各自的取样元件与带通滤波器，在探头处混合，受探头导纳特性影响后的混合信号再经过各自的带通滤波器返回；2.从不同频率取样元件两端检波；3.检波后的信号经过模数转换，存储数据；4.对采集到的信号进行处理，采用多频率频域分解法分解探头导纳的实部和虚部；5.通过探头导纳实部与介电损耗的关系，得出土壤电导率值；通过探头导纳虚部与介电常数的关系，得出土壤含水率。一种同步实时测量土壤水分与电导率的传感器，包括多频率导纳测量电路，与之相连接的探头和温度敏感元件14。所述探头结构采用针式探头，如图1(a)、(b)所示，图中外围探针相连，为地极，中间针为激励极，形成一端口网络，其阻抗用ZL表示，针的长短，间距可以根据应用调节；所述探头结构还可以是其它典型结构的探头，如锥式探头或环式探头。所述探头与土壤或其它多孔介质接触，感应土壤的介电特性。土壤介电特性的不同引起探头端口导纳的变化；所述探头阻抗ZL可用如图2所示的电导G、电容C并联电路等效；其中，电导G反映土壤的介电损耗，直接与土壤电导率相关；C反映土壤的介电常数，直接于土壤水分相关。所述的多频率导纳测量电路，如图3所示，包括至少两个不同频率信号发生源，第一信号发生源Sw1和第二信号发生源Sw2分别与探头ZL相连接，上述三者的另一端是共同接地的；第一精密取样元件Zr1和第二精密取样元件Zr2分别处于第一信号发生源Sw1和第二信号发生源Sw2所在的电路；更具体地说，第一精密取样元件Zr1串联在第一信号发生源Sw1和探头ZL之间，第二精密取样元件Zr2串联在第二信号发生源Sw2和探头ZL之间；第一特定频率带通滤波器Fw1串联在第一信号发生源Sw1、第一精密取样元件Zr1和探头ZL所在的电路中；第二特定频率带通滤波器Fw2串联在第二信号发生源Sw2、第二精密取样元件Zr2和探头ZL所在的电路中；更具体地说，第一特定频率带通滤波器Fw1串联在第一精密取样元件Zr1和探头ZL之间；第二特定频率带通滤波器Fw2串联在第二精密取样元件Zr2和探头ZL之间；在第一精密取样元件Zr1和第二精密取样元件Zr2的两端分别有两个检波电路10来提取信号，所述检波电路10与A/D转换器11、信号分解芯片12、数字接口输出电路13顺序连接；该多频率导纳测量电路通过测量两个特定频率的下探头导纳幅值来分解G与C，进而分解出土壤水本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种同步实时测量土壤水分与电导率的方法，包括以下步骤：１）用至少两种频率信号发生器实时发出信号，经过各自的取样元件与带通滤波器，在探头处混合，受探头导纳特性影响后的混合信号再经过各自的带通滤波器返回；２）从不同频率取样元件两 端检波；３）检波后的信号经过模数转换，存储数据；４）对采集到的信号进行处理，分解探头导纳的实部和虚部；５）通过探头导纳实部与介电损耗的关系，得出待测介质的电导率值；通过探头导纳虚部与介电常数的关系，得出待测介质的含水 率。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙宇瑞，马道坤，汪懋华，曾庆猛，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]