時域反射式土壤濕度傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種土壤濕度傳感器，尤其涉及一種時域反射式土壤濕度傳感器。
【背景技術】
[0002] 土壤含水率是土壤的重要物理參數，土壤水是聯系地表水與地下水的紐帶，在水 資源的形成、轉化及消耗過程中有重要作用，土壤水分狀況對于降雨產流、蒸散發及生態環 境下墊面植被生態系統的變化等具有重要意義。同時，土壤含水率也是農業生產條件中的 一項關鍵指標，土壤水分含量的大小對農作物的生長有至關重要的作用。土壤中有機養分 的分解礦化離不開水分，施入土壤中的化學肥料只有在水中才能溶解，養分離子向根系表 面迀移，以及作物根系對養分的吸收都必須通過水分介質來實現，因此有效地測量和控制 土壤水分含量是現代農業生產的基礎。
[0003] 土壤濕度傳感器主要用來測量土壤容積含水量，做土壤墑情監測及農業灌溉和林 業防護。目前土壤水分的測量方法有很多種，一是直接測量土壤的重量含水率和容積含水 率，如烘干法、中子儀法、測量土壤傳導性的各種方法等；另一類是通過測量土壤的基質勢 來實現的，如張力儀法、電阻塊法、干濕計法等。目前，我國的農業氣象觀測臺站對土壤水分 測量的主要方法還是傳統的烘干法，部分臺站也布設了一些自動觀測儀器進行測量，但是 各種型號的儀器監測精度參差不齊，還不能取代人工取土監測。
[0004] 自從Trop等人提出土壤含水率與土壤介電常數之間存在著確定性的單值多項式 關系，便為土壤水分的測量開辟了一個新的研究方向，即通過測量土壤的介電常數來求土 壤含水率。利用電磁波在不同介質中振蕩頻率的變化來測定介質的介電常數ε，進而通過 一定的對應關系反演出土壤水分θν。
[0005] 時域反射（Time Domain RefIectometry，TDR)是一項應用高頻電子脈沖的技術， 通過測定電磁波在混合介質中沿導波棒傳播的速度，來確定混合介質的介電常數。在TDR 測定頻率范圍內，土壤水的介電常數是80,固相介電常數是3~4,氣相介電常數是1，故土 壤含水量的變化對介電常數有明顯的影響，由此求出電磁波的傳播速度，便可確定其含水 量。電磁波在介質中傳播的速度與介質的介電常數的平方根成反比，可用下式表示：
[0007] 式中：c為電磁波在介質中的傳播速度、C。為真空中的電磁波傳播速度（3X 10sm / s)、ey為介質的介電常數、μ ￥為介質的磁導率，在非磁性介質中，μ y=l。測量時，脈沖源發 射出一個電壓的階梯狀高頻脈沖信號，沿著土壤中的導波棒（長度為L)傳播，由于導波棒 終端開路，阻抗失配，部分能量在導波棒末端反射，形成反射信號，可通過測量高頻脈沖來 回傳播時間t，求得電磁波的傳播速度c，從而可得出土壤介電常數，最后根據Topp提出的 經驗公式得出土壤含水量。
【發明內容】
[0008] 本發明的目的是提供一種基于時域反射原理（Time Domain Reflectometry，TDR) 的土壤濕度傳感器，其可以實現在一定區域范圍內的單點單深度、多點多深度土壤水分測 量。
[0009] 本發明的另一目的是提供一種可實現電流或電壓輸出的土壤濕度傳感器，可方便 連接各種測試儀器，電流輸出有很強的抗干擾能力，有利于遠距離傳輸。
[0010] 本發明的又一目的是提供一種方便的土壤濕度傳感器，只需將其插入預先埋置在 探測地點的PVC管內即可，測量時間只需短短的幾秒鐘。
[0011] 以下即對上述目的，結合附圖詳細說明較佳的實施例。
【附圖說明】
[0012] 圖1所示為依據本發明較佳實施例的傳感器內部構造的方框圖。
[0013] 圖2所示為依據本發明第二實施例的傳感器方框圖。
【具體實施方式】
[0014] [第一實施例]
[0015] 圖1所示為依據本發明較佳實施例的傳感器內部構造的方框圖。于圖1中，傳感 器包括電源模塊20、振蕩單元31、驅動單元32、輸出探針33、反饋探針41、反饋數據轉換單 元42、放大單元43、電壓-電流轉換單元44、電源輸入線路11和電壓/電流輸出線路12,。 其中電壓-電流轉換單元44為選配單元。
[0016] 參見圖1，振蕩單元31輸出IOOMHz標準測試頻率信號，經由驅動單元32加到輸出 探針33上，根據不同的土壤濕度情況，反饋探針41得到與土壤濕度情況相關的反饋信號， 經由反饋數據轉換單元42、放大單元43輸出與土壤濕度情況相關的電壓信號，或經由選配 單元電壓-電流轉換單元44輸出與土壤濕度情況相關的電流信號。
[0017] [第二實施例]
[0018] 圖2所示為依據本發明第二實施例的傳感器方框圖。于圖2中，傳感器包括時域 反射式土壤濕度傳感器主體1、輸出探針33、反饋探針41、電源及輸出電纜10和電壓-電流 轉換單元44。其中電壓-電流轉換單元44為選配單元。
[0019] 參見圖2,時域反射式土壤濕度傳感器主體1采用樹脂灌封、輸出探針33及對稱分 布的反饋探針41采用不銹鋼探針，可有效防止土壤、水分及其它物質對傳感器單元、探針 的損害和影響，作為選配單元，電壓-電流轉換單元44配置在傳感器主體外，可實現電流或 電壓輸出，方便連接各種測試儀器。
【主權項】
1. 一時域反射式土壤濕度傳感器包括 一振蕩單元，用以產生IOOMHz的穩定振蕩頻率信號； 一驅動單元，用以驅動振蕩單元以達到足夠輸出幅度； 一輸出探針單元，用以輸出高頻脈沖信號； 一反饋探針單元，用以輸入反饋脈沖信號； 一反饋數據采集單元，用以轉換反饋脈沖信號； 一放大單元，用以放大反饋數據轉換單元輸出信號； 一電源模塊，用以產生各單元電路所需電源信號； 一電壓-電流轉換單元，用以實現電壓-電流輸出轉換； 其特征在于：根據高頻脈沖信號傳播時間差，得到與土壤的介電常數相關的電壓或電 流輸出信號，以實現對土壤含水率即土壤濕度的測量。2. 根據權利要求1所述的時域反射式土壤濕度傳感器，其特征在于：探針包括一不銹 鋼輸出探針單元和一不銹鋼反饋探針單元構成。3. 根據權利要求2所述的反饋探針單元包括2根對稱分布的不銹鋼反饋探針，用以實 現反饋信號的輸入。4. 根據權利要求1所述的時域反射式土壤濕度傳感器，其特征在于：振蕩單元采用高 穩定性的晶體振蕩器，以產生穩定的IOOMHz測試頻率信號。5. 根據權利要求1所述的時域反射式土壤濕度傳感器，其特征在于：驅動單元采用高 頻功率放大器，以產生足夠幅度的輸出信號。6. 根據權利要求1所述的時域反射式土壤濕度傳感器，其特征在于：反饋數據采集單 元采用高精度采集轉換電路，以實現高精度的高頻脈沖信號傳播時間差數據轉換與采集。7. 根據權利要求1所述的時域反射式土壤濕度傳感器，其特征在于：放大單元采用低 功耗差分放大電路，消除直流電平干擾并降低傳感器功耗。8. 根據權利要求1所述的時域反射式土壤濕度傳感器，其特征在于：電源模塊采用低 壓差線性穩壓器、極性轉換電路，以實現對傳感器各單元電路的電源供給。9. 根據權利要求1所述的時域反射式土壤濕度傳感器，其特征在于：電壓-電流轉換 單元采用線性電壓-電流轉換，以保證遠距離傳輸時的輸出信號精度。10. 根據權利要求1所述的時域反射式土壤濕度傳感器，其特征在于：特征是通過測量 土壤的介電常數來測量土壤容積含水率即土壤濕度。
【專利摘要】本發明提供了一種基于時域反射原理的土壤濕度傳感器，其可以實現在一定區域范圍內的單點單深度、多點多深度的快速土壤水分測量。時域反射式土壤濕度傳感器采用電流或電壓輸出，可方便連接各種測試儀器，電流輸出有很強的抗干擾能力，有利于遠距離傳輸。時域反射式土壤濕度傳感器應用方便，只需將其插入預先埋置在探測地點的PVC管內即可，測量時間只需短短的幾秒鐘。根據圖1制作的時域反射式土壤濕度傳感器具有以下功能：時域反射式土壤濕度傳感器通過測量土壤的介電常數ε，可以實現在一定區域范圍內的單點單深度、多點多深度的快速土壤水分測量。
【IPC分類】G01N22/04
【公開號】CN105181715
【申請號】CN201310432791
【發明人】王彥, 蘇彥莽, 張林中, 李愛軍, 王向華, 李占昌, 王炯, 高博, 高本才
【申請人】天津市職業大學
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2013年9月17日