[发明专利]土壤墒情测定仪及其测定方法

说明书

技术领域

本发明属于土壤墒情监测领域，涉及一种土壤墒情测定仪及其测定方法，尤其适用于测量大面积土壤墒情并进行实时监测。

背景技术

土壤墒情的测定方法有很多，目前市场现有技术有烘干法、中子衰减法、张力计法、近红外线法、频域反射、驻波比法和时域反射法。烘干法是测量土壤含水率的经典方法，但是烘干法无法实现在线监测。必须取回实验室烘干，称重。且测量周期长。中子衰减法采用中子衰减，如果屏蔽不好，容易造成射线泄漏，污染环境，危害人体健康。张力计式土壤水分传感器测量范围受土质影响。该方法测量的是土壤水的吸力，需要依据土壤水分特征曲线来换算成土壤含水率。但由于土壤水分能量关系复杂，呈非线性。所以容易受到土壤理化特性的影响。该方法存在滞后和回环，影响其测量速度。近红外线法是利用土壤中水谐振吸收特性来测量土壤含水率的一种方法，受土质的影响较大，且价格昂贵。频域反射法(FD)是通过测定传感器的阻抗来确定土壤体积含水率。该方法比驻波比法测量更加精确，比TDR方法精度低。理想测试频率在20-30MHz，在这个频段受土质的影响较大，而且需要提前标定。驻波比法(SWR)利用介电常数能够改变传输线上驻波比的明显变化。根据电压比来测量，影响驻波比法的关键因素之一就是探针的特性阻抗的计算，其精度低，受土壤类型影响较大，需要提前标定。时域反射法(TDR)是介电测量中的高速测量技术，TDR方法是当今世界上最受认可的土壤墒情快速测量技术之一，与其他方法相比，TDR技术相对精准，由于TDR技术使用双切线法计算行程时间，所以仍存在重复性和精度较差的问题。而且存在技术垄断，目前仅有少数国家掌握了设计制造TDR土壤水分和电导率测试仪的所需的高速采样示波器、窄上升沿阶跃信号发生器、高频高精度时间基准等技术，价格昂贵。

发明内容

本发明所要解决的问题在于，克服现有技术的不足，提供一种土壤墒情测定仪及其测定方法，本发明是一种能够快速、精准测量大面积土壤墒情并进行实时监测的便携式仪器及其测定方法，采用宽带信号发射技术和矢量接收技术相结合，解决了频率范围小、频率低、测量速度慢、测量前标定、受土质以及土壤类型等外界环境影响较大、实用性和重复性以及通用性不强等问题。与时域反射法(TDR)等产品相比，不仅精度更高，而且测量范围更广。采用针式传感器避免了对土壤环境的破坏，且方便测量。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

依据本发明提供的一种土壤墒情测定仪，包括主机、探针、WIFI模块和手持终端模块，所述的主机包括中央处理器、信号收发系统、数字信号处理器和连接器，中央处理器通过数据线分别与信号收发系统、数字信号处理器、连接器相连接；信号收发系统通过数据线分别与数字信号处理器、中央处理器、连接器相连接；数字信号处理器通过数据线分别与信号收发系统、中央处理器、连接器相连接；连接器通过数据线分别与中央处理器、信号收发系统、数字信号处理器、探针、WIFI模块相连接；探针的一端通过数据线与连接器相连接，另一端通过数据线插入土壤中进行测量；WIFI模块的一端通过数据线与连接器相连接，另一端通过无线局域网与手持终端模块相连接。

一种土壤墒情测定仪的测定方法，其特征在于：它包括以下步骤：

(1)将探针针头端插入土壤中；

(2)整机上电后将手持终端模块与WIFI模块相连；

(3)通过手持终端模块设置目标土壤的类型、探针的类型、发射信号的频率范围、信号接收系统的带宽和手持终端模块的显示类型，同时手持终端模块发送开始指令；

(4)主机接收到手持终端模块传来的指令后由中央处理器控制信号收发系统发送多个频率的信号；

(5)信号收发系统接收信号，同时数字信号处理器进行信号采集；当信号传输到探针接触土壤的交界点时会反射一部分信号，此时信号收发系统收到一个反射信号，当信号传输到探针终端时信号会发生全发射，信号收发系统又会收到一个信号，与此同时数字信号处理器将采集到的信号转化为数字信号，并通过傅里叶变换将频域信号转换到时域，而两个反射信号的时间差，正是信号在探针上所传输时间的两倍；

(6)中央处理器将转换后的数据通过WIFI模块传给手持终端模块形成二维图像并显示土壤体积含水率；通过麦克斯韦方程组可推导出电磁波的传输速度与介电常数之间的关系；信号的传输速度可以通过信号的传输时间推导得到，于是就确定了土壤的介电常数；手持终端模块通过得到的介电常数带入经验公式，由此得到土壤的体积含水率；

(7)利用手持终端模块完成位置定位并上传相应位置的土壤墒情数据。