[发明专利]一种基于RC网络频率特性的土壤含水量测量装置和方法

权利要求书

1.一种基于RC网络频率特性的土壤含水量测量装置，其特征在于，包括电极、RC网络、高频信号源、幅相检测模块和数据处理装置，其中用于检测土壤含水量的电极作为电容器接入RC网络，高频信号源将高频信号发送到RC网络和幅相检测模块，幅相检测模块与RC网络相连，用于根据高频信号和RC网络的输出值测量得到RC网络的幅频特性电压和相频特性电压，幅相检测模块与数据处理装置相连，用于上传测到的幅频特性电压和相频特性电压；数据处理装置根据测量前后幅频特性电压变化量、相频特性电压变化量与土壤含水量关系得到含水量。

2.根据权利要求1所述的基于RC网络频率特性的土壤含水量测量装置，其特征在于，所述RC网络为一阶无源RC网络电路，包括一个电容和一个电阻，电容和电极并联，二者并联后与电阻串联，电阻与电容相连的一端为RC网络的输出端，电阻另一端为RC网络的输入端。

3.根据权利要求2所述的基于RC网络频率特性的土壤含水量测量装置，其特征在于，所述装置还包括显示器，显示器与数据处理装置相连。

4.一种基于RC网络频率特性的土壤含水量测量方法，其特征在于，用于检测土壤含水量的电极作为电容器接入RC网络中，高频信号注入RC网络输入端，首先进行初始建模，检测电极未插入土壤样本时RC网络的幅频特性电压和相频特性电压，检测电极插入若干个标准含水量的土壤样本时分别得到的RC网络的幅频特性电压和相频特性电压，得到测量前后输出的幅频电压变化量、相频电压变化量，建立幅频电压变化量、相频电压变化量与土壤含水量关系的回归方程；然后实际测量时，根据电极未插入和插入待测土壤中时幅频电压变化量和相频电压变化量，根据上述回归方程，即得到土壤含水量。

5.根据权利要求4所述的基于RC网络频率特性的土壤含水量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）初始建模：

（1-1）设RC网络为一阶无源RC网络电路，包括一个电容和一个电阻，电容和电极并联，二者并联后与电阻串联，设电极电容为C_x，RC网络固定电容为C₀，电阻为Ｒ，RC网络电路总电容为C＝C_x+C₀，电阻R上与电容C₀相连的一端称为RC网络的输出端，将电阻R的另一端称为RC网络的输入端；

（1-2）特定频率的高频信号从RC网络的输入端注入，为RC网络和幅相检测模块提供激励信号源；

（1-3）测量空载，即电极未插入土壤中时RC网络的幅频特性电压V_M和相频特性电压V_P；

（1-4）给定标准含水量的土壤样本，分别测量带载，即电极分别插入土壤样本中时RC网络的幅频特性电压V′_M和相频特性电压V′_P；

（1-5）每个土壤样本均分别得到RC网络幅频特性电压的变化量ΔV_M=V′_M-V_M和相频特性电压的变化量ΔV_p=V′_p-V_p，进而建立幅频电压变化量ΔV_M、相频电压变化量ΔV_p与土壤含水量W关系的回归方程；

（2）实际测量：

（2-1）测量电极未插入土壤中时RC网络的幅频特性电压V_M，R和相频特性电压V_P,R；

（2-2）测量电极插入待测土壤中时RC网络的幅频特性电压V′_M，R和相频特性电压V'_P，R；

（2-3）得到RC网络幅频特性电压的变化量ΔV_M,R=V′_M,R-V_M,R和相频特性电压的变化量ΔV_P,R=V′_P,R-V_P，R，根据步骤（1-5）中幅频电压变化量、相频电压变化量与土壤含水量关系的回归方程，得到此待测土壤对应的土壤含水量。

6.根据权利要求5所述的基于RC网络频率特性的土壤含水量测量方法，其特征在于，所述步骤（1-5）建立幅频电压变化量ΔV_M、相频电压变化量ΔV_p与土壤含水量W关系的回归方程，公式为：

Wj=Σi=0Nai(ΔVM,j)i+bi·(ΔVP,j)i;]]>

其中，j表示第j个土壤样本；N为模型阶数，根据曲线拟合的程度决定，不大于4；a_i表示土壤含水量对RC网络幅频特性电压变化量ΔV_M的回归系数，b_i表示土壤含水量对RC网络相频特性电压变化量ΔV_P的回归系数。