[發明專利]通過檢測最小駐波測土壤含水量的儀器及方法

有效

• 申請號: 201210048200.5
• 申請日: 2012-02-29
• 公開（公告）號: CN102590233A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 朱周洪;陳渝陽;陳華才
• 申請（專利權）人: 浙江托普儀器有限公司
• 主分類號: G01N23/00
• 分類號: G01N23/00;G01N23/20
• 代理公司: 杭州浙科專利事務所 33213
• 代理人: 吳秉中

技術領域

本發明涉及一種介電法土壤水分測量儀器及方法，具體為一種通過檢測最小駐波測土壤含水量的儀器及方法。

背景技術

土壤水分測量技術經過漫長的研究，形成的多種測量方法，主要有烘干法、中子法、近紅外反射法、介電法等。利用土壤的介電特性來測量土壤含水率是一種非常有效、快速、簡單、可靠的方法。最先對土壤介電特性做出系統研究的是前蘇聯學者Cheryak，他在1964年出版了《濕土介電特性研究一書》引起世界的關注。以此為基礎，土壤介電特性迅速應用于土壤水分測量中，實現方法也各有不同，主要有頻域分解法、駐波率法、時域反射法（TDR）。

1992年荷蘭Wageningen農業大學學者Hilhorst通過大量的研究提出了頻域分解法，利用矢量電壓技術，在某一理想的測試頻率下將土壤的介電常數進行實部與虛部的分解，從而得到土壤電導率與含水率，他還從實驗中得出理想的測試頻率在20-30MHz，但在這個頻段土壤的介電常數受土質的影響非常大，測量結果不可避免的受到土質的影響，后來Heimovaara的研究也證實了上述的說法。

駐波法測量土壤水分含量是1995年由Gaskin和Miller共同提出的，利用微波理論中的駐波比來測量土壤水分含量，他們從實驗研究得出土壤介電常數改變能引起傳輸線上駐波比的改變，以此為依據來測量土壤水分含量，此種測量方法雖然比頻域分解法有所改進，且實現簡單，但測量精度與傳感器互換性上不及時域反射法。影響測量精度的主要問題是探針的阻抗計算，在土壤水分含量高的時候探針可以看成是短線即集中常數器件，但水分含量低的時候，信號在探針上傳播速度加快，波長變短，此時探針無法再看成是集中常數器件，影響土壤水分測試的線性。

時域反射法是介電測量中的一種高速技術，是在1969年以Feidegg等人關于許多液體介電常數的研究為基礎發展而來的。到了1975年，Topp和Davis將其引入到土壤水分的研究，根據電磁波在不同介電常數介質中傳播速度的改變提出了時域反射法（Time?Domain?Reflectometry），簡稱TDR測量方法。時域反射法測量土壤水分的基本原理是100MHz的電磁脈沖在同軸線上的傳播速度依賴于其傳播介質介電特性與損耗，在損耗較小時主要依賴于介電常數實部。TDR土壤水分測試儀主要由脈沖信號發生器，同軸傳輸線，探頭及高頻示波器組成。高頻脈沖發生器產生100MHz的高頻脈沖，并將其通過50歐同軸傳輸線傳至探頭。由于同軸傳輸線與探針阻抗、探針阻抗與土壤阻抗的不同造成信號的反射，測量兩次反射之間的時間差即可測量土壤水分含量。時域反射法測量土壤水分含量得到了大家普遍的認可，許多學者對TDR測量土壤含水率的測量敏感區域，土質對測量結果的影響，TDR探頭幾何結構對測量結果的影響等方面做了大量研究。理論和實驗研究表明基于TDR方法的土壤水分測試儀能夠滿足快速實時測量的要求。但對于土壤這種復雜的多孔介質對象，含水率的變化引起信號在探針上傳輸時間的改變在1-9?ns之間，為了達到一定測量精度就要求TDR對時間測量的分辨率達到0.1?ns。要對如此短的時間進行準確的測量，難度極大。目前世界上掌握此測量技術的只有美國、加拿大、德國等少數國家，因此TDR土壤水分測試儀的成本也很高，如美國的Trase土壤水分測試系統價格高達1萬美元。

因此TDR土壤水分測試儀只有在極少的高等院校，科研機構中使用，無法大量應用于農田土壤墑情監測。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種通過檢測最小駐波測土壤含水量的儀器及方法的技術方案，通過檢測電磁波信號在探針上的傳播時間，根據高頻信號傳播時間與土壤含水量的相關性，實現土壤含水量的快速檢測。

所述的通過檢測最小駐波測土壤含水量的儀器，其特征在于，包括：

掃頻信號源，用來產生20-200MHz連續頻率正弦高頻信號；

高頻放大電路，用來放大掃頻信號源輸出的高頻信號；

阻抗匹配電路，實現與探針的阻抗匹配；

峰值檢測電路，連接阻抗匹配電路和探針，用來檢測入射波與探針反射波干涉合成駐波信號的大小；

微控制器，接收峰值檢測電路的檢測信號，產生控制信號作用于掃頻信號源，使掃頻信號源產生不同頻率的高頻信號輸出；

探針，與阻抗匹配電路連接，插入土壤，提供信號傳播路徑。

所述的通過檢測最小駐波測土壤含水量的儀器，其特征在于所述的掃頻信號源采用直接數字合成頻率技術DDS來實現。