本發(fā)明專利技術(shù)公開了測量土壤水含量領(lǐng)域的一種采用測時長技術(shù)測量土壤水含量的方法，用以解決目前測量土壤水含量領(lǐng)域研究中存在的問題。該方法包括：首先，準(zhǔn)備好待測土壤，將雙V型土壤探針插入其中；其次，向土壤探針發(fā)送一個高頻電磁波，再次，通過比較發(fā)送端與接收端電磁波的相位差可以精準(zhǔn)地計(jì)算出電磁波在探針中的傳輸時間，最后根據(jù)傳輸時間和土壤水含量關(guān)系的擬合公式計(jì)算得到土壤含水量。本發(fā)明專利技術(shù)克服了傳統(tǒng)測量土壤水含量方法復(fù)雜、精確度不高、硬件電路實(shí)現(xiàn)比較困難等在實(shí)際應(yīng)用中的局限性，有效實(shí)現(xiàn)了一種采用測時長技術(shù)測量土壤水含量的方法。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及測量土壤水含量領(lǐng)域，特別涉及。
技術(shù)介紹
目前國外土壤水含量測量方法最先進(jìn)的且最為普及的方法是時域反射儀(Time-Domain Reflectometry, TDR)法，時域反射儀(TDR)是最具實(shí)時、快速和準(zhǔn)確性的土壤水分測量技術(shù)。我國生產(chǎn)和科研單位目前使用的TDR儀主要從美國、加拿大和德國等進(jìn)口。2006年中國農(nóng)業(yè)大學(xué)“十一五”的863計(jì)劃項(xiàng)目“土壤參數(shù)時域反射儀(TDR)關(guān)鍵技術(shù)研究”首次在國內(nèi)研制和開發(fā)時域反射原理的土壤水分測試儀。并取得了突破性進(jìn)展，但由于缺乏高精度、快速、集成度高的芯片，在硬件電路的實(shí)現(xiàn)上存在較大的困難，因此采用了一種替代的方法相位時域反射儀(Phase Time Domain Reflectometry, P-TDR)。兩種方法的特點(diǎn)和有限性:ITDR:用方波做信號源，比較入射波與反射波的上升沿的時間差來確定含水量，土壤探針終端采用開路的，信號靠終端阻抗不匹配來反射信號再與入射波比較。實(shí)現(xiàn)方法采用大規(guī)模、高速、高精度的專用集成電路芯片實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn):成本高、中國無法買到芯片。 2中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的P-TDR:用單頻的正弦波替代脈沖方波，用“比較正弦波的相位差來精準(zhǔn)地計(jì)算高頻信號的傳輸時間差”的方法替代“比較方波的上升沿來計(jì)算時間差”。土壤探針終端也是采用開路的，信號靠終端阻抗不匹配來反射信號再與入射波比較。入射波與反射波用環(huán)形隔離器分割入射波與反射波，相位差是采用價格昂貴的鑒相電路芯片來提取相位差。缺點(diǎn):高速的鑒相電路芯片也是對中國封鎖的芯片且價格昂貴。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于，提出，用以解決目前測量土壤水含量技術(shù)研究中存在的問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)提出的技術(shù)方案是，，其特征是所述方法包括:步驟1:準(zhǔn)備好待測土壤，將雙V型探針插入待測土壤中，并打開電源；步驟2:高頻振蕩信號源產(chǎn)生500MHz正弦波信號S1 (t) = cos ω t，其中ω = 2 Ji f，f為信號頻率，f = 500MHz, t表示時間；步驟3:同時將信號S1⑴經(jīng)過V型探針，得到信號S2 (t) = cos。(t+At)，其中Δt表不信號在雙V型探針中的傳輸時間長度；步驟4:將信號Sl(t)和S2 (t)都輸入乘法電路，再經(jīng)過低通濾波器，得到輸出信號U = -€05ωΔ?,則可計(jì)算出信號在雙V型探針中的傳輸時長At = arccos2u;2ω步驟5:對于信號在雙V型探針中的傳輸時長At，令X = At，將其帶入擬合公式y(tǒng) = Ax3+Bx2+Cx+D中，得到待測土壤的含水量y，其中X為測量值，即信號在雙V型探針中的傳輸時長，A、B、C、D為系數(shù)常量。所述擬合公式y(tǒng) = Ax3+Bx2+Cx+D通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)確定。所述采用測時長技術(shù)測量土壤水含量的裝置由高頻振蕩信號源模塊，雙V型探針，乘法電路模塊，低通濾波器模塊和輸出信號模塊組成；所述高頻振蕩信號源模塊用于產(chǎn)生單一頻率的高頻正弦信號；所述高頻振蕩信號源模塊與所述雙V型探針相連接；所述高頻振蕩信號源模塊、雙V型探針分別與所述乘法電路模塊相連接；所述乘法電路模塊、低通濾波器模塊、輸出信號模塊依次串聯(lián)，用于獲得原信號和經(jīng)過雙V型探針的信號之間的相位差，最終計(jì)算信號在雙V型探針中的傳輸時間。所述待測土壤任何土壤。所述雙V型探針由第一探針、第二探針、第三探針、第四探針構(gòu)成，其中，第一探針、第四探針對接短路構(gòu)成外側(cè)V字形狀并且與電路板地線連接，第二探針、第三探針短路成V字形狀是信號線，一端與高頻振蕩信號源模塊的輸出端相連，另一端與乘法電路模塊的輸入端相連。本專利技術(shù)實(shí)現(xiàn)的是，其有益效果如下:I測量結(jié)果穩(wěn)定，不受其它環(huán)境因素干擾。與測電壓的方法相比，測量時間長度的方法很單純，時間長度只與介電常數(shù)有關(guān)，而其它環(huán)境因素變化不會影響測量精度，因此測量結(jié)果穩(wěn)定，不會漂移。2采用雙V型探針結(jié)構(gòu)，消除末端信號反射。該測量方法中土壤探針是作為傳輸線的一部分，而不是負(fù)載阻抗。因此，消除了阻抗不匹配引起的信號反射，從而減少了信號在傳輸過程中的衰耗。【附圖說明】圖1是的系統(tǒng)框圖。圖2是雙V型探針的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1-第一探針，2-第二探針，3-第三探針，4-第四探針。圖3是以砂土為例，砂土含水量隨信號傳輸時間變化的曲線圖。【具體實(shí)施方式】下面結(jié)合附圖，對優(yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本專利技術(shù)的范圍及其應(yīng)用。本專利技術(shù)解決問題的思路是:首先，準(zhǔn)備好待測土壤，將雙V型土壤探針插入其中；其次，向土壤探針發(fā)送一個高頻電磁波，再次，通過比較發(fā)送端與接收端電磁波的相位差可以精準(zhǔn)地計(jì)算出電磁波在探針中的傳輸時間，最后根據(jù)傳輸時間和土壤水含量關(guān)系的擬合公式計(jì)算得到土壤含水量。圖1是的電路圖。所述采用測時長技術(shù)測量土壤水含量的裝置由高頻振蕩信號源模塊，雙V型探針，乘法電路模塊，低通濾波器模塊和輸出信號模塊組成；所述高頻振蕩信號源模塊用于產(chǎn)生單一頻率的高頻正弦信號；所述高頻振蕩信號源模塊與所述雙V型探針相連接；所述高頻振蕩信號源模塊、雙V型探針分別與所述乘法電路模塊相連接，；所述乘法電路模塊、低通濾波器模塊、輸出信號模塊依次串聯(lián)，用于獲得原信號和經(jīng)過雙V型探針的信號之間的相位差，最終計(jì)算信號在雙V型探針中的傳輸時間。本專利技術(shù)中的待測土壤為任何土壤。無論何種土質(zhì)，都可以通過多組土壤含水量I和信號在雙V型探針中的傳輸時長Λ t的對應(yīng)關(guān)系(Λ t，y)，得到擬合公式y(tǒng) =Ax3+Bx2+Cx+D，其中X為信號在雙V型探針中的傳輸時長，y為土壤含水量，A、B、C、D為系數(shù)常量，只是對于不同的土質(zhì)，系數(shù)常量A、B、C、D的值不同。因此，雖然實(shí)施例中只以砂土為待測土壤，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但是該方法適用于任何待測土壤。對于新的未知土壤，只需進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)以確定該土壤水含量與傳輸時長之間的測量公式的系數(shù)。下面結(jié)合【附圖說明】本專利技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方式。步驟1:準(zhǔn)備好待測土壤，將雙V型探針插入待測土壤中，并打開電源。圖2是雙V型探針的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中包括第一探針1，第二探針2，第三探針3，第四探針4。雙V型探針由第一探針1、第二探針2、第三探針3、第四探針4構(gòu)成，其中，第一探針1、第四探針4對接短路構(gòu)成外側(cè)V字形狀并且與電路板地線連接，第二探針2、第三探針3短路成V字形狀是信號線，一端與高頻振蕩信號源模塊的輸出端相連，另一端與乘法電路模塊的輸入端相連。步驟2:高頻振蕩信號源產(chǎn)生500MHz正弦波信號S1 (t) = cos ω t，其中ω = 2 Ji f，f為信號頻率，f = 500MHz, t表示時間；步驟3:同時將信號S1⑴經(jīng)過V型探針，得到信號S2 (t) = cose) (t+At)，其中Δt表不信號在雙V型探針中的傳輸時間長度；步驟4:將信號S1⑴和S2⑴都輸入乘法電路，再經(jīng)過低通濾波器，得到輸出信號U =玉COS(I)At,則可計(jì)算出彳目號在雙V型探針中的傳輸時長本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種采用測時長技術(shù)測量土壤水含量的方法，其特征是所述方法包括：步驟1：準(zhǔn)備好待測土壤，將雙V型探針插入待測土壤中，并打開電源；步驟2：高頻振蕩信號源產(chǎn)生500MHz正弦波信號s1(t)＝cosωt，其中ω＝2πf，f為信號頻率，f＝500MHz，t表示時間；步驟3：同時將信號s1(t)經(jīng)過V型探針，得到信號s2(t)＝cosω(t+Δt)，其中Δt表示信號在雙V型探針中的傳輸時間長度；步驟4：將信號s1(t)和s3(t)都輸入乘法電路，再經(jīng)過低通濾波器，得到輸出信號則可計(jì)算出信號在雙V型探針中的傳輸時長Δt=arccos2uω;]]>步驟5：對于信號在雙V型探針中的傳輸時長Δt，令x＝Δt，將其帶入擬合公式y(tǒng)＝Ax3+Bx2+Cx+D中，得到待測土壤的含水量y，其中x為測量值，即信號在雙V型探針中的傳輸時長，A、B、C、D為系數(shù)常量。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種采用測時長技術(shù)測量土壤水含量的方法，其特征是所述方法包括: 步驟1:準(zhǔn)備好待測土壤，將雙V型探針插入待測土壤中，并打開電源； 步驟2:高頻振蕩信號源產(chǎn)生500MHz正弦波信號S1 (t) =COS on，其中ω = 2 Ji f, f為信號頻率，f = 500MHz, t表示時間； 步驟3:同時將信號S1⑴經(jīng)過V型探針，得到信號S2 (t) = cos ω (t+ Λ t)，其中Λ t表示信號在雙V型探針中的傳輸時間長度； 步驟4:將信號Sl(t)和s3(t)都輸入乘法電路，再經(jīng)過低通濾波器，得到輸出信號u = icoso^t,則可計(jì)算出信號在雙V型探針中的傳輸時長 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用測時長技術(shù)測量土壤水含量的方法，其特征是所述擬合公式y(tǒng) = Ax3+Bx2+Cx+D通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)確定。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用測時長技術(shù)測量土壤水含量的方法，其特征是所述采用測時長技術(shù)測量土壤水含量的裝置由高頻振蕩信號源...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：石慶蘭，馮磊，徐云，董喬雪，孫明，高萬林，楊麗麗，
申請(專利權(quán))人：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11
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