專利名稱：一種基于相位檢測原理的土壤含水量測試儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種土壤含水量測試儀，尤其涉及一種基于相位檢測原理的土壤
含水量測試儀。
背景技術：
隨著農業節水技術的推廣和應用，在生產和科研活動中越來越需要實時、快速和 準確地監測土壤水分，以確保對農作物適時、適量的灌溉，或者結合氣象預報對未來土壤水 分狀況進行預測，作為區域調水、配水和制定灌溉計劃的參考依據。雖然現有的一些方法和 技術(如稱重烘干法、中子儀和張力計等)也用于土壤水分監測，但研究和實踐表明，時域 反射儀(Time Domain Ref lectometry，簡稱TDR)在幾種測定土壤水分技術中最具實時、快 速和準確等方面的優勢，國外應用TDR時域反射儀還在監測山體滑坡、垃圾填埋、江河和水 庫堤壩安全等方面發揮重要作用。 傳統的TDR儀器產生一個具有極小上升沿(< 200ps)的階躍電壓信號，其以電 磁波的形式沿插入土壤中的探針傳播，并在探針的末端被反射回來，通過高速采樣示波器 可以獲取整個TDR波形，在TDR波形上采用雙切線方法來確定電磁波在探針上傳播的時間 (如圖1所示)。探針周圍土壤的表觀介電常數Ka由下式計算得出 〖=
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(1) 其中c為電磁波在真空中傳播的速度，t為電磁波沿插入土壤中的探針傳播的時 間，L為探針的物理長度。自由水的介電常數為80. 36(20°C )，空氣的介電常數為l，土壤顆 粒的介電常數一般為3 5，因此濕土的介電常數主要取決于土壤含水量。土壤含水量由以 下經驗公式給出 9 v = -5. 3 X 10—2+2. 92 X 10—2Ka_5. 5 X 10—4Ka2+4. 3 X 10—6Ka3 (2) 國外的時域反射儀(TDR)中使用的快速階躍信號發生器、超高速A/D轉換器和高 精度高分辨率時間基準所需的IC芯片精度和規格要求較高，造價高昂。我國生產和科研單 位目前使用的TDR時域反射儀主要從美國、加拿大和德國等進口 (如Tectronix 1502C, Trase， MP-917, Trime等)。TDR時域反射儀的單機價格約一萬美元，成套設備價格為幾萬 美元，目前急需設計出一種具備同等功能，但設計更合理、造價更低廉的替代性產品方案。
實用新型內容( — )要解決的技術問題 本實用新型的目的是要克服現有技術的不足，提供一種基于相位檢測原理的土壤 含水量測試儀(TDR)，不僅在技術上能夠實現，而且價格大大低于國外產品，易于在國內推
廣應用。 (二)技術方案 針對以上問題，本實用新型提出的一種基于相位檢測原理的土壤含水量測試儀，包括 高頻正弦信號發生器，用于產生單一頻率的高頻正弦電壓信號； 信號分離電路，與所述高頻正弦信號發生器相連，用于將所述高頻正弦信號發生器產生的高頻正弦電壓信號分離為參考信號和用于測試信號； 探針，通過同軸電纜與所述信號分離電路的測試信號輸出端連接，并用于置于待測土壤中以反射測試信號； 環形器，與所述信號分離電路相連，用于作為所述測試信號的信號通道，并作為所述測試信號在探針末端被反射回來后的反射信號的信號通道； 相位檢測器，分別與信號分離電路和環形器連接，用于接收信號分離電路發送的參考信號及環形器發送的反射信號，并將二者的相位差直流電壓信號輸出給模數轉換電路； 模數轉換電路，與所述相位檢測器連接，用于將相位檢測器產生的直流電壓信號變換成數字信號后輸入微處理器； 微處理器，用于控制所述高頻正弦信號發生器的工作頻率，及根據所述模數轉換電路輸出的數字信號計算出測試信號在探針上的傳播時間，并根據該傳播時間利用公知經驗公式計算出土壤含水量。 其中，所述高頻正弦信號發生器包括由石英晶體振蕩器、鑒頻鑒相器、低通濾波器、壓控振蕩器和分頻器組成的鎖相環電路。 其中，所述測試儀還包括一微處理器外圍電路，該外圍電路由與微處理器連接的LCD顯示、鍵盤、存儲器、USB接口組成，用于提供人機操作界面和數據通信接口 。[0021] 其中，所述探針的探針針體和探針末端覆蓋著厚度為lmm的PVC絕緣涂層。[0022] 其中，所述探針的探頭與同軸電纜的連接處設有尺寸大小適中的使得其在探頭外
殼材料中的特征阻抗與同軸電纜特征阻抗相等的連接銅柱。[0023](三)有益效果 本專利實用新型提供的一種新的基于相位檢測原理的時域反射土壤水分測試儀(TDR)和土壤水分測量方法，不僅在技術上能夠實現，而且產品造價低廉，成本大大低于國外產品，易于在國內推廣應用。
圖1為傳統的TDR測量電磁波傳播時間的方法的示意圖； 圖2為本實用新型的測試信號傳播路徑示意圖； 圖3為本實用新型土壤含水量測試儀的電路組成框圖； 圖4為本實用新型高頻正弦信號源電路的組成框圖； 圖5為本實施例平行三棒式帶PVC絕緣層探頭的內部結構圖； 圖6為本實施例微處理器上的P-TDR系統軟件工作流程圖。
具體實施方式本實用新型提出的一種基于相位檢測原理的土壤含水量測試儀(TDR)及其方法結合附圖和實施例說明如下。以下實施方式僅用于說明本實用新型，而并非對本實用新型<formula>formula see original document page 5</formula> (1)
的限制，有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本實用新型的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬于本實用新型的范疇，本實用新型的專利保護范圍應由各權利要求限定。 傳統的TDR儀器產生一個具有極小上升沿(< 200ps)的階躍電壓信號，其以電磁波的形式沿插入土壤中的探針傳播，并在探針的末端被反射回來，通過高速采樣示波器可以獲取整個TDR波形，在TDR波形上采用雙切線方法來確定電磁波在探針上傳播的時間(如圖1所示)。探針周圍土壤的表觀介電常數Ka由下式計算得出 & = t 其中c為電磁波在真空中傳播的速度，t為電磁波沿插入土壤中的探針傳播的時間，L為探針的物理長度。自由水的介電常數為80. 36(20°C )，空氣的介電常數為l，土壤顆粒的介電常數一般為3 5，因此濕土的介電常數主要取決于土壤含水量。土壤含水量由以下經驗公式給出 9 v = -5. 3 X 10—2+2. 92 X 10—2Ka_5. 5 X 10—4Ka2+4. 3 X 10—6Ka3 (2)[0036] 如圖2所示，為測試信號的傳播路徑示意圖，鎖相環產生的單一頻率的正弦電壓信號，以電磁波的形式沿同軸電纜和探針傳播，并在探針的末端被反射回來。環行器將反射信號分離出來，與入射信號一起進入相位檢測器。相位檢測器將入射信號和反射信號的相位差轉換為直流電壓信號，AD轉換器將模擬電壓信號轉換為數字量并送入CPU進行處理。[0037] —列正弦波沿兩條不同的路徑傳播到達同一點，它們的相位差與兩條路徑上傳播
的時間差成正比[0038]
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<formula>formula see original document page 5</formula> 其中A^為相位差；A t為傳播的時間差；f為正弦波頻率；T為正弦波周期。[0041] 如f = 500MHz的正弦波，T = 2ns，要使時間測量誤差小于50ps，只須相位測量誤差不超過9。。 土壤、水、空氣混合物的介電常數的最大最小值是已知的，且探針的長度可以根據實際需要來確定，以15cm長的探針為例，電磁波沿探針傳播的最長時間和最短時間相差8ns。本專利實用新型了使用單一頻率的正弦波信號作為測試信號，并采用相位檢測技術測量電磁波傳播時間的TDR 土壤水分測量方法。 如圖3所示，為基于相位檢測原理的時域反射(TDR) 土壤含水量測試儀的電路組成框圖。 高頻正弦波信號源產生的正弦波信號沿同軸電纜傳播到探針，在探針的末端產生
反射，反射波沿探針和同軸電纜傳播回來，在環行器中被分離出來，并與參考信號一起分別
進入相位測量和幅度測量模塊，相位檢測模塊產生的直流電壓經數模轉換器變換成數字信
號輸入微處理器。微處理器的外圍電路由LCD顯示、鍵盤、存儲器、USB接口組成。 如圖4所示，是本實用新型高頻正弦信號源電路的組成框圖，使用由石英晶體振蕩器、鑒頻鑒相器、低通濾波器、壓控振蕩器和分頻器組成的鎖相環電路作為信號發生器，
輸出頻率可由微處理器控制，調節范圍300MHz lGHz，最小調節步長0. 2MHz。 基于相位檢測原理的時域反射(TDR) 土壤水分測試儀在傳統的TDR系統通常采用
的平行三棒式探頭的基礎上加以改進，在三根不銹鋼探針棒上以及探針棒的頭部(末端)
都覆蓋了厚度為lmm的PVC絕緣涂層，以減小因土壤含水量的變化引起的探頭阻抗變化的
范圍，另外，絕緣涂層還能降低土壤電導率對相位測量的影響。在探頭與同軸電纜的連接處
也作了精心的設計，使得阻抗不連續部位的范圍大大縮小，從而進一步提高土壤含水量測
量的精度。 如圖5所示，為平行三棒式帶PVC絕緣層探頭的內部結構圖，探頭的測試部分為三根平行金屬棒，長，直徑，相鄰兩棒間距為L， d， D/2，每根棒上覆蓋了厚度為的PVC絕緣層。金屬棒伸入到探頭殼體內，使用螺釘將其與同軸電纜連接，中間的金屬棒與同軸電纜的內導體相連，兩側的金屬棒與同軸電纜的外導體相連，通過適當選擇探頭與同軸電纜連接處銅柱的尺寸，使得其在PVC介質(即探頭外殼材料)中的特征阻抗與同軸電纜特征阻抗相等，從而減少測試信號在此處的發射，提高測量精度。 如圖6所示，為運行于本實用新型微處理器上的P-TDR系統軟件工作流程圖，其主要功能是通過模數轉換電路獲取入射信號與反射信號的相位差和電壓幅度，計算電磁波信號在傳感器探針上傳播的時間和信號的衰減量，通過校正公式得到土壤體積含水量和電導率；通過LCD顯示模塊和鍵盤提供人機界面，顯示土壤水分和電導率測量結果以及系統工作狀態，并設置各種工作參數；將測量結果保存到FLASH存儲器以便以后查看和上傳到計算機；與計算機通訊，以便通過計算機來設置系統參數和將測量數據上傳到計算機作進一步的分析處理。 通常根據相位檢測器的輸出只能得到-180 180°之間的相位差，因為對于任意相位差A^和與之相差若干個周期的相位差360。"+A^來說，相位檢測器的輸出是相同的。為
了解決這種整周期數不確定的問題，可以采取如下方法使信號源的輸出頻率改變一個較
小的值，"，假設這樣引起的相位差的變化為A 9 ，即在信號頻率為"和時對應的
相位差分別為^^和^^+A6 ，因為其它條件未變，所以在這兩種情況下tt、 tr的值是相同的，
根據式^ = W -《=魂 -"可得[0050]
△、 o+ △ wf _〃) = w+ Aw (oi) 因為A"很小，所以A e的值也很小(在-180 180°之間)；A"可根據實際需
要取正值和負值，所以A e也可為正可為負。這樣，通過對A"的值進行適當的選擇就能保證A^和A^+A^有相同的整周期數，那么A e就沒有整周期數不確定的問題(其整周期數為o)。 A e的值確定后，再根據式(o-2)由"和A"的值就可以計算出w的準確大小。 基于相位檢測原理的時域反射(TDR) 土壤水分測試儀在信號傳播時間的測量上有很高的精度，在0 12ns的時間范圍內P-TDR測量結果與理論計算值之間的平均誤差小于10ps。[0054] 研究表明，基于相位檢測原理的時域反射(TDR) 土壤水分測試儀對土壤含水量的測量有很高的精度，均方根誤差小于0. 02mVm3，其性能與傳統的PDR 土壤水分測試系統相當。 土壤質地對基于相位檢測原理的時域反射(TDR) 土壤水分測試儀測量結果有一定影響，但如果把質地差異很大的土壤分為三類，每一類型的土壤使用一個特定標定公式，則實測土壤體積含水量時可以忽略土質的影響。如果對特定的土壤進行單獨的標定，基于相位檢測原理的時域反射(TDR) 土壤水分測試儀可以達到更高的精度。
權利要求一種基于相位檢測原理的土壤含水量測試儀，其特征在于，所述測試儀包括高頻正弦信號發生器，用于產生單一頻率的高頻正弦電壓信號；信號分離電路，與所述高頻正弦信號發生器相連，用于將所述高頻正弦信號發生器產生的高頻正弦電壓信號分離為參考信號和用于測試信號；探針，通過同軸電纜與所述信號分離電路的測試信號輸出端連接，并用于置于待測土壤中以反射測試信號；環形器，與所述信號分離電路相連，用于作為所述測試信號的信號通道，并作為所述測試信號在探針末端被反射回來后的反射信號的信號通道；相位檢測器，分別與信號分離電路和環形器連接，用于接收信號分離電路發送的參考信號及環形器發送的反射信號，并將二者的相位差直流電壓信號輸出給模數轉換電路；模數轉換電路，與所述相位檢測器連接，用于將相位檢測器產生的直流電壓信號變換成數字信號后輸入微處理器；微處理器，用于控制所述高頻正弦信號發生器的工作頻率，及根據所述模數轉換電路輸出的數字信號計算出測試信號在探針上的傳播時間，并根據該傳播時間利用公知經驗公式計算出土壤含水量。
2. 如權利要求1所述的土壤含水量測試儀，其特征在于所述高頻正弦信號發生器包括 由石英晶體振蕩器、鑒頻鑒相器、低通濾波器、壓控振蕩器和分頻器組成的鎖相環電路。
3. 如權利要求1所述的土壤含水量測試儀，其特征在于，所述測試儀還包括一微處理 器外圍電路，該外圍電路由與微處理器連接的LCD顯示、鍵盤、存儲器、USB接口組成，用于 提供人機操作界面和數據通信接口 。
4. 如權利要求1所述的土壤含水量測試儀，其特征在于，所述探針的探針針體和探針 末端覆蓋著厚度為lmm的PVC絕緣涂層。
5. 如權利要求3所述的土壤水量測試儀，其特征在于，所述探針的探頭與同軸電纜的 連接處設有尺寸大小適中的使得其在探頭外殼材料中的特征阻抗與同軸電纜特征阻抗相 等的連接銅柱。
專利摘要本實用新型涉及一種基于相位檢測原理的土壤含水量測試儀，所述測試儀包括高頻正弦信號發生器，信號分離電路，探針，環形器，相位檢測器等，其中，相位檢測器用于接收信號分離電路發送的參考信號及環形器發送的反射信號，并將二者的相位差直流電壓信號輸出給模數轉換電路；模數轉換電路，與所述相位檢測器連接，用于將相位檢測器產生的直流電壓信號變換成數字信號后輸入微處理器；微處理器，用于控制所述高頻正弦信號發生器的工作頻率，及根據所述模數轉換電路輸出的數字信號計算出測試信號在探針上的傳播時間，并根據該傳播時間利用公知經驗公式計算出土壤含水量。本實用新型的測試儀不僅在技術上能夠實現，且產品造價低廉，易于在國內推廣應用。
文檔編號G01N23/20GK201464387SQ200920110490
公開日2010年5月12日 申請日期2009年8月11日 優先權日2009年8月11日
發明者馮磊, 張方賢, 李子忠, 楊衛中, 王一鳴, 王克棟, 石慶蘭, 董喬雪, 龔元石 申請人:中國農業大學