[发明专利]一种基于相位检测原理的土壤含水量测试仪及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种土壤含水量测试仪及其方法，尤其涉及一种基于相位检测原理的土壤含水量测试仪及其方法。

背景技术

随着农业节水技术的推广和应用，在生产和科研活动中越来越需要实时、快速和准确地监测土壤水分，以确保对农作物适时、适量的灌溉，或者结合气象预报对未来土壤水分状况进行预测，作为区域调水、配水和制定灌溉计划的参考依据。虽然现有的一些方法和技术(如：称重烘干法、中子仪和张力计等)也用于土壤水分监测，但研究和实践表明，时域反射仪(Time Domain Reflectometry，简称TDR)在几种测定土壤水分技术中最具实时、快速和准确等方面的优势，国外应用TDR时域反射仪还在监测山体滑坡、垃圾填埋、江河和水库堤坝安全等方面发挥重要作用。

传统的TDR仪器产生一个具有极小上升沿(＜200ps)的阶跃电压信号，其以电磁波的形式沿插入土壤中的探针传播，并在探针的末端被反射回来，通过高速采样示波器可以获取整个TDR波形，在TDR波形上采用双切线方法来确定电磁波在探针上传播的时间(如图1所示)。探针周围土壤的表观介电常数Ka由下式计算得出：

Ka=(cv)2=(ct2L)2---(1)]]>

其中c为电磁波在真空中传播的速度，t为电磁波沿插入土壤中的探针传播的时间，L为探针的物理长度。自由水的介电常数为80.36(20℃)，空气的介电常数为1，土壤颗粒的介电常数一般为3～5，因此湿土的介电常数主要取决于土壤含水量。土壤含水量由以下经验公式给出：

θ_v＝-5.3×10^-2+2.92×10^-2K_a-5.5×10^-4K_a²+4.3×10^-6K_a³    (2)

国外的时域反射仪(TDR)中使用的快速阶跃信号发生器、超高速A/D转换器和高精度高分辨率时间基准所需的IC芯片精度和规格要求较高，造价高昂。我国生产和科研单位目前使用的TDR时域反射仪主要从美国、加拿大和德国等进口(如：Tectronix 1502C，Trase，MP-917，Trime等)。TDR时域反射仪的单机价格约一万美元，成套设备价格为几万美元，目前急需设计出一种具备同等功能，但设计更合理、造价更低廉的替代性产品方案。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是要克服现有技术的不足，提供一种基于相位检测原理的土壤含水量测试仪(TDR)及其方法，不仅在技术上能够实现，而且价格大大低于国外产品，易于在国内推广应用。

(二)技术方案

针对以上问题，本发明提出的一种基于相位检测原理的土壤含水量测试仪，包括：

高频正弦信号发生器，用于产生单一频率的高频正弦电压信号；

信号分离电路，与所述高频正弦信号发生器相连，用于将所述高频正弦信号发生器产生的高频正弦电压信号分离为参考信号和测试信号；

探针，通过同轴电缆与所述信号分离电路的测试信号输出端连接，并用于置于待测土壤中以反射测试信号；

环形器，与所述信号分离电路相连，用于作为所述测试信号的信号通道，并作为所述测试信号在探针末端被反射回来后的反射信号的 信号通道；

相位检测器，分别与信号分离电路和环形器连接，用于接收信号分离电路发送的参考信号及环形器发送的反射信号，并将二者的相位差直流电压信号输出给模数转换电路；