[发明专利]一种土壤水分测量仪器及方法

说明书

技术领域

本发明涉及高频测量领域，具体涉及一种土壤水分测量仪器及方法。

背景技术

在农业生产过程中，土壤不仅对植物的生长提供物理支撑，也是植物生长的营养库。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。TOPP(1980)通过实验给出的土壤介电常数与土壤含水率之间的近似关系式，称为TOPP公式，实践证明该实验公式可以在不同类型、成分的土壤条件下取得较高的精度(0.022m3m-3，Jacobsen和Schjonning，1994)。因此基于土壤介电特性的土壤含水率测量方法研究引起了土壤科学工作者的广泛关注与重视。

时域反射方法(TDR，time domain reflectometer)、频域方法(FD，Frequency Domain)是土壤水分的介电测量理论的两个主要实现方法。TDR方法的产生源于电缆的故障定位诊断。上世纪80年代初期加拿大学者TOPP等率先将此方法成功用于土壤水分测量。但是由于土壤探针长度通常不超过20cm，因此以土壤水分为对象的、基于TDR测量原理的反射时间差远小于电缆故障诊断定位反射时间差，常规反射测量技术无法实现土壤水分仪器化设计。目前为止TDR原理的土壤水分测量仪器基本上都是以陡峭前沿的阶跃脉冲作为激励信号，测量反射时差的关键技术还不成熟，无法实现土壤水分仪器化设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种土壤水分测量仪器及方法，本发明简化了确定反射时间差的算法，利用该设备和方法可以在3～4秒时间内快速完成土壤样品含水率的测量，且精度高，低成本，易于批量化生产。

为达上述目的，一方面，本发明提出了一种基于时域反射原理(TDR)的土壤水分测量仪器，该仪器包括：脉冲信号发生器，用于产生第一脉冲信号，并通过同轴传输线将其传输到测量探针；所述测量探针，与所述脉冲信号发生器连接，插入待测土壤中，用于在接收所述脉冲信号后在其始端和末端进行反射，分别产生两路脉冲反射信号；脉冲检测电路，与所述测量探针连接，用于对所述测量探针产生的两路脉冲反射信号进行检波和采样，得到采样后的两路脉冲反射信号；微控制单元，与所述脉冲检测电路连接，用于根据采样后的两路脉冲反射信号得到土壤的单位容积含水率。

该仪器中，其中所述脉冲检测电路包括：延时电路，与所述微控制单元连接，由微控制单元控制输出固定延时信号；脉冲发生电路，与所述延时电路连接，用于将所述固定延时信号触发后产生第二脉冲信号，所述第二脉冲信号与所述测量探针产生的两路脉冲反射信号分别叠加，得到叠加后的两路脉冲信号；检波电路，与所述脉冲发生电路连接，用于对叠加后的两路脉冲信号进行检波，得到检波后的两路脉冲信号；采样保持电路，与所述检波电路连接，在所述延时电路产生固定延时信号的同时，对检波后的两路脉冲信号进波采样，得到采样后的两路脉冲信号。

该仪器还包括与所述微控制单元连接的数据显示电路，用于显示微控制单元得到的土壤的单位容积含水率数据。

该仪器还包括与所述微控制单元连接的数据传输电路，用于接收所述微控制单元发送的数据，并将所述数据传输到与该数据传输电路连接的设备。

该仪器还包括连接在所述微控制单元和脉冲信号发生器之间的触发电路，所述触发电路由所述微控制单元控制，向所述脉冲信号发生器发送触发信号。

该仪器还包括连接在所述脉冲检测电路和微控制单元之间的A/D转换电路，所述A/D转换电路将采样后的两路脉冲反射信号进行模/数转换后，发送到所述微控制单元。

该仪器还包括电源单元，用于向所述微控制单元、脉冲信号发生器和脉冲检测电路供电。

其中，所述脉冲信号发生器为开关晶体管。

另一方面，本发明提出了一种基于时域反射原理(TDR)的土壤水分测量方法，该方法包括以下步骤：

S1：将测量探针插入待测土壤中，启动测量；

S2：由脉冲信号发生器产生脉冲信号，并通过同轴传输线将其传输到测量探针，该脉冲信号在测量探针的始端和末端进行反射，分别产生两路脉冲反射信号；

S3：将所述两路脉冲反射信号输出到脉冲检测电路进行检波和采样，得到采样后的两路脉冲反射信号；

S4：将采样后的两路脉冲反射信号发送到微控制单元，所述微控制单元根据采样后的两路脉冲反射信号求出其传输时间差，由传输时间差得到待测土壤的介电常数，根据所述介电常数得到土壤的单位容积含水率。

该方法中，在步骤S4中，由传输时间差得到待测土壤的介电常数的方法为：