專利名稱：一種土壤水分測量儀器及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高頻測量領(lǐng)域，具體涉及一種土壤水分測量儀器及方法。
背景技術(shù)：
在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，土壤不僅對植物的生長提供物理支撐，也是 植物生長的營養(yǎng)庫。水是保證農(nóng)作物生長的命脈，土壤中所發(fā)生的一 系列反應(yīng)，能量與物質(zhì)交換均與水分有關(guān)，它直接關(guān)系著作物產(chǎn)量與品質(zhì)。TOPP ( 1980)通過實驗給出的土壤介電常數(shù)與土壤含水率之 間的近似關(guān)系式，稱為TOPP公式，實踐證明該實驗公式可以在不同 類型、成分的土壤條件下取得較高的精度(0.022m3m-3， Jacobsen和 Schjonning, 1994)。因此基于土壤介電特性的土壤含水率測量方法研 究引起了 土壤科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注與重視。時域反射方法(TDR, time domain reflectometer )、頻域方法(FD, Frequency Domain)是土壤水分的介電測量理論的兩個主要實現(xiàn)方 法。TDR方法的產(chǎn)生源于電纜的故障定位診斷。上世紀(jì)80年代初期加 拿大學(xué)者TOPP等率先將此方法成功用于土壤水分測量。但是由于土 壤探針長度通常不超過20cm,因此以土壤水分為對象的、基于TDR 測量原理的反射時間差遠(yuǎn)小于電纜故障診斷定位反射時間差，常規(guī)反 射測量技術(shù)無法實現(xiàn)土壤水分儀器化設(shè)計。目前為止TDR原理的土壤 水分測量儀器基本上都是以陡峭前沿的階躍脈沖作為激勵信號，測量 反射時差的關(guān)鍵技術(shù)還不成熟，無法實現(xiàn)土壤水分儀器化設(shè)計。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供 一種土壤水分測量儀器及方法，本發(fā)明簡化 了確定反射時間差的算法，利用該設(shè)備和方法可以在3 4秒時間內(nèi)快速完成土壤樣品含水率的測量，且精度高，低成本，易于批量化生產(chǎn)。 為達(dá)上述目的， 一方面，本發(fā)明提出了一種基于時域反射原理(TDR)的土壤水分測量儀器，該儀器包括脈沖信號發(fā)生器，用于 產(chǎn)生第一脈沖信號，并通過同軸傳輸線將其傳輸?shù)綔y量探針；所述測量探針，與所述脈沖信號發(fā)生器連接，插入待測土壤中，用于在接收 所述脈沖信號后在其始端和末端進(jìn)行反射，分別產(chǎn)生兩路脈沖反射信號；脈沖檢測電路，與所述測量探針連接，用于對所述測量探針產(chǎn)生 的兩路脈沖反射信號進(jìn)行檢波和釆樣，得到釆樣后的兩路脈沖反射信 號；微控制單元，與所述脈沖檢測電路連接，用于根據(jù)釆樣后的兩路 脈沖反射信號得到土壤的單位容積含水率。該儀器中，其中所述脈沖檢測電路包括延時電路，與所述微控 制單元連接，由微控制單元控制輸出固定延時信號；脈沖發(fā)生電路， 與所述延時電路連接，用于將所述固定延時信號觸發(fā)后產(chǎn)生第二脈沖 信號，所述第二脈沖信號與所述測量探針產(chǎn)生的兩路脈沖反射信號分 別疊加，得到疊加后的兩路脈沖信號；檢波電路，與所述脈沖發(fā)生電 路連接，用于對疊加后的兩路脈沖信號進(jìn)行檢波，得到檢波后的兩路 脈沖信號；釆樣保持電路，與所述檢波電路連接，在所述延時電路產(chǎn) 生固定延時信號的同時，對檢波后的兩路脈沖信號進(jìn)波釆樣，得到釆 樣后的兩路脈沖信號。該儀器還包括與所述微控制單元連接的數(shù)據(jù)顯示電路，用于顯示 微控制單元得到的土壤的單位容積含水率數(shù)據(jù)。該儀器還包栝與所述微控制單元連接的數(shù)據(jù)傳輸電路，用于接收 所述微控制單元發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將所述數(shù)據(jù)傳輸?shù)脚c該數(shù)據(jù)傳輸電路 連接的設(shè)備。該儀器還包括連接在所述微控制單元和脈沖信號發(fā)生器之間的 觸發(fā)電路，所述觸發(fā)電路由所述微控制單元控制，向所述脈沖信號發(fā) 生器發(fā)送觸發(fā)信號。該儀器還包括連接在所述脈沖檢測電路和微控制單元之間的 A/D轉(zhuǎn)換電路，所述A/D轉(zhuǎn)換電路將釆樣后的兩路脈沖反射信號進(jìn) 行模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，發(fā)送到所述微控制單元。該儀器還包括電源單元，用于向所述微控制單元、脈沖信號發(fā)生 器和脈沖檢測電路供電。其中，所述脈沖信號發(fā)生器為開關(guān)晶體管。另一方面，本發(fā)明提出了一種基于時域反射原理(TDR)的土壤 水分測量方法，該方法包括以下步驟Sl:將測量探針插入待測土壤中，啟動測量；S2:由脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號，并通過同軸傳輸線將其傳 輸?shù)綔y量探針，該脈沖信號在測量探針的始端和末端進(jìn)行反射，分別 產(chǎn)生兩路脈沖反射信號；S3:將所述兩路脈沖反射信號輸出到脈沖檢測電路進(jìn)行檢波和釆 樣，得到釆樣后的兩路脈沖反射信號；S4:將釆樣后的兩路脈沖反射信號發(fā)送到微控制單元，所述微控 制單元根據(jù)釆樣后的兩路脈沖反射信號求出其傳輸時間差，由傳輸時 間差得到待測土壤的介電常數(shù)，根據(jù)所述介電常數(shù)得到土壤的單位容 積含水率。該方法中，在步驟S4中，由傳輸時間差得到待測土壤的介電常 數(shù)的方法為根據(jù)公式《a = (W/2L )2求出待測土壤的介電常數(shù)尺"，其中c為 光速，^為脈沖在測試探針(5)中的傳播時間，L為測試探針(5) 的長度。本發(fā)明的設(shè)備利用脈沖發(fā)生裝置產(chǎn)生脈沖信號作為激勵源，根據(jù) 已知的電磁波傳輸理論，測量鏡像反射波的時間差，可定量獲取"探 頭-介質(zhì)(土壤)"傳輸線的相對介電常數(shù)，進(jìn)而根據(jù)實驗室環(huán)境特 定樣本下獲取的介電常數(shù)與含水率標(biāo)定曲線，即可得知被測土壤實際對應(yīng)的單位容積含水率，利用本發(fā)明的設(shè)備和方法測試速度快，且精 度高，成本低，易于批量化生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明土壤水分測量儀器的電路組成框圖； 圖2為本發(fā)明土壤水分測量儀器的外觀示意圖； 圖3為本發(fā)明土壤水分測量儀器的電源管理示意圖； 圖4為本發(fā)明土壤水分測量儀器中脈沖檢測電路的原理框圖； 圖5為本發(fā)明土壤水分測量方法的流程圖。 圖中1、脈沖信號發(fā)生器；2、觸發(fā)電路；3、脈沖檢測電路；4、 同軸傳輸線；5、測量探針；6、同軸連接器；7、微控制單元；8、 A/D轉(zhuǎn)換電路；9、顯示電路；10、數(shù)字傳輸電路；11、 LCD顯示模塊； 12、測量按鈕；13、串口； 14、開關(guān)；15、復(fù)位按鍵；16、充電接口； 17、延時電路；18、脈沖發(fā)生電路；19、檢波電路；20、釆樣保持電 路。
具體實施方式
以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。 本發(fā)明的理論基礎(chǔ)是將土壤和插入土壤的測量探針看作一段傳 輸線，根據(jù)窄脈沖信號在測量探針中傳播速度與介質(zhì)(這里為土壤) 的介電常數(shù)的關(guān)系，確定出介質(zhì)(這里為土壤)的介電常數(shù)，根據(jù)該 介電常數(shù)，再由TOPP公式計算出介質(zhì)(這里為土壤)的單位容積含 水率。本實施例就是應(yīng)用上述理論來進(jìn)行測量土壤中的單位容積含水 率，本實施例中上述的介質(zhì)為土壤，土壤水分測量儀器利用脈沖發(fā)生 器產(chǎn)生一個皮秒級上升沿脈沖，當(dāng)該脈沖作用于插入土壤類多孔介質(zhì) 中的測量探頭時，由于測量探頭具有一定的波導(dǎo)阻抗，根據(jù)已知的電 磁波傳輸理論，該脈沖信號將在傳感器測量探頭的始端與末端產(chǎn)生因 阻抗不匹配而形成時域反射，以專用的脈沖檢測電路測量并記錄反射波形，測量兩路鏡像反射波的時間差，可定量獲取"探頭-介質(zhì)(土 壤)"傳輸線的相對介電常數(shù)。進(jìn)而根據(jù)實驗室環(huán)境特定樣本下獲取 的介電常數(shù)與含水率標(biāo)定曲線，即可得知被測土壤實際對應(yīng)的單位容 積含水率。本實施例中基于時域反射原理(TDR)的土壤水分測量儀器和測 量方法詳述如下如圖1所示為本發(fā)明土壤水分測量儀器的電路組成框圖，該儀器 的內(nèi)部電路包括脈沖信號發(fā)生器l，與同軸傳輸線4連接后接入測量探針5，在接 收觸發(fā)電路2發(fā)送的觸發(fā)信號后，產(chǎn)生上升時間和下降時間在皮秒量 級的脈沖信號；觸發(fā)電路2，與脈沖信號發(fā)生器l和微控制單元(MCU) 7連接， 由微控制單元7控制，向觸發(fā)脈沖信號發(fā)生器發(fā)送觸發(fā)信號，該觸發(fā) 信號觸發(fā)脈沖信號發(fā)生器l產(chǎn)生脈沖信號；同軸傳輸線4，連接在同軸連接器6上，用于傳輸脈沖信號；測量探針5，與所述脈沖信號發(fā)生器l連接，被插入到待測土壤樣 品中，構(gòu)成"探頭-介質(zhì)(土壤)"傳輸線，根據(jù)傳輸線相關(guān)理論，所 述脈沖信號將由于阻抗的不匹配，在其始端和末端進(jìn)行反射，分別產(chǎn) 生兩路脈沖反射信號；同軸連接器6，用于分插多根同軸傳輸線4，控制同軸傳輸線4中 脈沖信號的傳輸方向，使經(jīng)測量探針5后反射脈沖信號被傳輸?shù)矫}沖 檢測電路3;脈沖檢測電路3，與測量探針5連接，用于接收經(jīng)測量探針5后兩 路脈沖反射信號，對其分別進(jìn)行檢波和釆樣，得到采樣后的兩路脈沖 反射信號，并輸出到A/D轉(zhuǎn)換電路8;所述A/D轉(zhuǎn)換電路8，用于將脈沖檢測電路3發(fā)送的釆樣后的兩路 脈沖反射信號進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后得到釆樣后的兩路脈沖反射信號的數(shù)字信號，并將其發(fā)送到微控制單元7;微控制單元7，該控制單元作為整個儀器的控制核心，分別與觸 發(fā)電路2、 A/D轉(zhuǎn)換電路8、顯示電路9和數(shù)據(jù)傳輸電路10連接，與觸 發(fā)電路2連接用于向觸發(fā)電路2發(fā)送控制信號，使其觸發(fā)脈沖信號發(fā)生 器l產(chǎn)生脈沖，與A/D轉(zhuǎn)換電路8連接用于接收A/D轉(zhuǎn)換電路8發(fā)送的采 樣后的兩路脈沖反射信號的數(shù)字信號，根據(jù)該數(shù)字信號求出兩路脈沖 信號的傳輸時間差，該傳輸時間差為脈沖信號在測量探針5中傳輸時 間的1/2,由傳輸時間差得到土壤的介電常數(shù)，根據(jù)該介電常數(shù)得到 土壤的單位容積含水率，與顯示電路9連接用于將得到的土壤的單位 容積含水率輸出顯示，與數(shù)據(jù)傳輸電路10連接，通過該數(shù)據(jù)傳輸電路 IO與其它設(shè)備連接后相互通信傳輸數(shù)據(jù)；電源單元ll,為該設(shè)備供電，分別與脈沖信號發(fā)生器l、觸發(fā)電 路2、脈沖檢測電路3和微控制單元7連接，提供這些電路所需的電源， 本實施例也可以通過外接電源供電。如圖2為本發(fā)明土壤水分測量儀器的外觀示意圖，該儀器面板上 設(shè)置了與微控制單元(MCU) 7連接的測量按鍵12和復(fù)位按鍵15， 用于向微控制單元7發(fā)送啟動測量信號和系統(tǒng)復(fù)位信號，可以手動啟 動測量和復(fù)位儀器。側(cè)面板備有與電源單元連接的充電接口 16,可 以使用配套充電設(shè)備對電池進(jìn)行充電。該儀器的面板上部還設(shè)有與顯 示電路9連接的LCD顯示模塊11，在儀器內(nèi)部完成了土壤含水率的 計算，將結(jié)果以數(shù)值方式通過LCD顯示模塊ll顯示。該儀器的面板 上部的串口 13與數(shù)據(jù)傳輸電路10連接，具有數(shù)據(jù)傳送功能，可以將 測得的原始波形數(shù)據(jù)通過通用串行接口傳送出去，方便用戶自行開發(fā) 后續(xù)的應(yīng)用程序。該儀器的微控制單元7集成了相關(guān)的數(shù)據(jù)和控制命 令傳送協(xié)議，可以按照相應(yīng)的命令格式對儀器進(jìn)行軟件啟動測量設(shè) 置，另外，該儀器的面板上部設(shè)有電源開關(guān)14。如圖3所示為本發(fā)明土壤水分測量儀器的電源管理示意圖，本實施例中的土壤水分測量儀整機(jī)釆用12V蓄電池供電，方便田間作業(yè)。 為降低功耗，整機(jī)釆取了一些措施對電源進(jìn)行管理，當(dāng)系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)時，僅微控制單元7處于活動狀態(tài)，而脈沖檢測電路3和脈沖發(fā) 生器l均處于斷電狀態(tài)，此時系統(tǒng)工作電流約50mA;當(dāng)系統(tǒng)啟動測 量時，由微控制單元7控制電源單元向脈沖檢測電路3和脈沖發(fā)生器 l供電，直到一次測量完成，測量過程中工作電流約220mA。根據(jù)用 戶需求，儀器可以選配不同容量的電池，從而在整機(jī)的連續(xù)工作時間 和輕便程度上取得平衡。如圖4所示為本發(fā)明土壤水分測量儀器中脈沖檢測電路的原理 框圖，本實施例中脈沖檢測電路3包括精密延時電路17、脈沖發(fā) 生電路18、檢波電路19和釆樣保持電路20，其中精密延時電路17分別與微控制單元7、釆樣保持電路20連接， 由微控制單元7直接控制，使其產(chǎn)生一固定延時脈沖，將其發(fā)送到脈 沖發(fā)生電路18中；脈沖發(fā)生電路18分別與精密延時電路17、測量探針5、檢波電 路19連接，由接收的固定延時脈沖觸發(fā)脈沖發(fā)生電路18,脈沖發(fā)生 電路18同樣產(chǎn)生一個皮秒級脈沖，為區(qū)別于脈沖信號發(fā)生器1產(chǎn)生 的脈沖信號，將脈沖信號發(fā)生器1產(chǎn)生的脈沖信號稱為第一脈沖信 號，將脈沖發(fā)生電路18產(chǎn)生的脈沖信號稱為第二脈沖信號，該第二 脈沖信號與從測量探針5接收的兩路反射脈沖波形分別疊加，將疊加 后的兩路波形發(fā)送到檢波電路19;檢波電路19，與釆樣保持電路20連接，對接收的疊加后的兩路 波形進(jìn)行檢波，將檢波后的兩路波形發(fā)送到釆樣保持電路20進(jìn)行釆 樣；釆樣保持電路20，與A/D轉(zhuǎn)換電路8連接，用于將釆樣后的兩 路波形信號發(fā)送至A/D轉(zhuǎn)換電路8。同時精密延時電路17控制采樣保持電路20的接通。疊加后的波形信號經(jīng)過檢波電路19檢波后，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路8得到對應(yīng)的 數(shù)字信號。本實施例中的脈沖信號發(fā)生器1釆用高速開關(guān)晶體管制成，其上 升和下降時間均為皮秒量級。本實施例中的儀器測量探針5由兩根平行不銹鋼棒組成，間距為 12mm，鋼棒直徑3mm,長度可選20cm或者15cm。當(dāng)然，兩根平行 不繡鋼的間距、直徑和長度不限于以上數(shù)值，可根據(jù)需要在其鄰近范 圍內(nèi)作出改變，以能實現(xiàn)測量出兩路反射波的時間差為基準(zhǔn)。本實施 例中的同軸傳輸線4由中心導(dǎo)體和屏蔽金屬網(wǎng)組成，兩根鋼棒分別與 同軸傳輸線4的中心導(dǎo)體和屏蔽金屬網(wǎng)連接。本實施例中的同軸傳輸線4為50歐姆標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜。 如圖5所示，本實施例中利用該儀器測量土壤單位容積含水率的 方法為脈沖發(fā)生器l產(chǎn)生上升時間和下降時間在皮秒量級脈沖，該脈沖 通過同軸傳輸線4加載在測量探針5上，由于測量探針5與同軸傳輸 線4的阻抗存在差異，因此該脈沖在測量探針5的始端和末端均會產(chǎn) 生反射，因此存在傳輸時間差，該傳輸時間差則為脈沖在探針中傳播 的往返時間。兩個反射脈沖經(jīng)過脈沖檢測電路3進(jìn)行檢波和采樣后發(fā) 送到A/D轉(zhuǎn)換電路8, A/D轉(zhuǎn)換電路8將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳遞給微 控制單元7進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、傳輸和顯示；微控制單元7根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊獲得的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析， 根據(jù)公式^-(W/2L)2計算得到介質(zhì)(土壤)的介電常數(shù)《"，其中 c為光速，f為脈沖在探針中的傳播時間，即傳輸時間差的一半，L為 探針長度；再根據(jù)TOPP公式(9產(chǎn)國5.3 . 10國2 + 2.92 . 10-2 x Ka畫5.5 10隱4 x《"2 + 4.3.i(r6 x《y，其中i^為土壤的相對介電常數(shù)，計算出土壤的單位容積含水率 ；計算完成后將結(jié)果以數(shù)值形式在LCD顯示屏上顯示出來。同時， 微控制單元7還將獲得的未處理的波形數(shù)據(jù)通過串口同步發(fā)送出去，可以使用PC機(jī)或者其他通訊終端來接收波形數(shù)據(jù)，以方便進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作。該儀器基于脈沖檢測電路3模擬反射電磁波的各態(tài)歷經(jīng)，各態(tài)歷經(jīng)是控制理論涉及隨機(jī)過程的一個基本概念，并伴有明確的數(shù)學(xué)定義，其英文專業(yè)字匯為"ergodic"，它并非特指某種技術(shù)，因此作為 術(shù)語為本領(lǐng)域人員所公知，本實施例中第二脈沖信號通過微控制單元 7設(shè)定的一系列固定延時后與第一脈沖信號在一系列相繼的時刻產(chǎn)生 疊加，疊加后的信號經(jīng)過采樣保持與模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路形成數(shù)字信號傳 遞給微控制單元7。調(diào)整并設(shè)置需要產(chǎn)生疊加的時間點，使得模/數(shù)轉(zhuǎn) 換的輸出信號序列覆蓋第一脈沖信號的兩次反射波，則微控制單元7 得到的序列信號即反應(yīng)了這一時間段內(nèi)的第一脈沖信號的變化趨勢 與過程，進(jìn)而實現(xiàn)重構(gòu)反射電磁波的波形，最終確定反射時間。其實 現(xiàn)過程在3-5秒以內(nèi)即可完成。雖然本發(fā)明是集體結(jié)合以上優(yōu)選實施例示出和說明的，但是熟悉 該技術(shù)領(lǐng)域的人員可以理解，其中無論在形式上還是在細(xì)節(jié)上都可以 做出各種改變，這并不背離本發(fā)明的精神實在和專利保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種土壤水分測量儀器，其特征在于，該儀器包括脈沖信號發(fā)生器(1)，用于產(chǎn)生第一脈沖信號，并通過同軸傳輸線(4)將其傳輸?shù)綔y量探針(5)；所述測量探針(5)，與所述脈沖信號發(fā)生器(1)連接，插入待測土壤中，用于在接收所述脈沖信號后在其始端和末端進(jìn)行反射，分別產(chǎn)生兩路脈沖反射信號；脈沖檢測電路(3)，與所述測量探針(5)連接，用于對所述測量探針(5)產(chǎn)生的兩路脈沖反射信號進(jìn)行檢波和采樣，得到采樣后的兩路脈沖反射信號；微控制單元(7)，與所述脈沖檢測電路(3)連接，用于根據(jù)采樣后的兩路脈沖反射信號得到土壤的單位容積含水率。
2、 如權(quán)利要求l所述的土壤水分測量儀器，其特征在于，所述脈 沖檢測電路(3)包括延時電路(17),與所述微控制單元(7)連接，由微控制單元(7)控制輸出固定延時信號；脈沖發(fā)生電路(18),與所述延時電路(17)連接，用于將所述固定延時信號觸發(fā)后產(chǎn)生第二脈沖信號，所述第二脈沖信號與所述測 量探針(5)產(chǎn)生的兩路脈沖反射信號分別疊加，得到疊加后的兩路 脈沖信號；檢波電路(19)，與所述脈沖發(fā)生電路(18)連接，用于對疊加后的兩路脈沖信號進(jìn)行檢波，得到檢波后的兩路脈沖信號；釆樣保持電路(20),與所述檢波電路(19)連接，在所述延時 電路(17)產(chǎn)生固定延時信號的同時，對檢波后的兩路脈沖信號進(jìn)行 釆樣，得到采樣后的兩路脈沖信號。
3、 如權(quán)利要求2所述的土壤水分測量儀器，其特征在于，該儀 器還包括與所述微控制單元(7)連接的數(shù)據(jù)顯示電路(9),用于顯示微控制單元得到的土壤的單位容積含水率數(shù)據(jù)。
4、 如權(quán)利要求3所述的土壤水分測量儀器，其特征在于，該儀 器還包括與所述微控制單元(7)連接的數(shù)據(jù)傳輸電路(10)，用于接 收所述微控制單元(7)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將所述數(shù)據(jù)傳輸?shù)脚c該數(shù)據(jù)傳輸電路(10)連接的設(shè)備。
5、 如權(quán)利要求4所述的土壤水分測量儀器，其特征在于，該儀 器還包括連接在所述微控制單元(7)和脈沖信號發(fā)生器(1 )之間的 觸發(fā)電路(2),所述觸發(fā)電路(2)由所述微控制單元(7)控制，向 所述脈沖信號發(fā)生器(1 )發(fā)送觸發(fā)信號。
6、 如權(quán)利要求5所述的土壤水分測量儀器，其特征在于，該儀 器還包括連接在所述脈沖檢測電路(3)和微控制單元(7)之間的 A/D轉(zhuǎn)換電路(8)，所述A/D轉(zhuǎn)換電路(8)將釆樣后的兩路脈沖反 射信號進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，發(fā)送到所述微控制單元(7)。
7、 如權(quán)利要求6所述的土壤水分測量儀器，其特征在于，該儀 器還包括電源單元(11),用于向所述微控制單元(7)、脈沖信號發(fā) 生器(1)和脈沖檢測電路(3)供電。
8、 如權(quán)利要求1至7任一項所述的土壤水分測量儀器，其特征 在于，所述脈沖信號發(fā)生器(1)為開關(guān)晶體管。
9、 一種土壤水分測量方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 Sl:將測量探針(5)插入待測土壤中，啟動測量；S2:由脈沖信號發(fā)生器(1)產(chǎn)生脈沖信號，并通過同軸傳輸線 (4)將其傳輸?shù)綔y量探針(5),該脈沖信號在測量探針(5)的始端 和末端進(jìn)行反射，分別產(chǎn)生兩路脈沖反射信號；S3-.將所述兩路脈沖反射信號輸出到脈沖檢測電路(3)進(jìn)行檢 波和釆樣，得到采樣后的兩路脈沖反射信號；S4:將釆樣后的兩路脈沖反射信號發(fā)送到微控制單元(7)，所述 微控制單元(7 )根據(jù)采樣后的兩路脈沖反射信號求出其傳輸時間差，由傳輸時間差得到待測土壤的介電常數(shù)，根據(jù)所述介電常數(shù)得到土壤 的單位容積含水率。
10、如權(quán)利要求9所述的土壤水分測量方法，其特征在于，在步驟S4中，由傳輸時間差得到待測土壤的介電常數(shù)的方法為根據(jù)公式《a = ("/2L )2求出待測土壤的介電常數(shù)《a,其中c為 光速，/為脈沖在測試探針(5)中的傳播時間，L為測試探針(5) 的長度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種土壤水分測量儀器及方法，該儀器包括脈沖信號發(fā)生器，產(chǎn)生脈沖信號并將其傳輸?shù)綔y量探針；測量探針，在接收脈沖信號后在其始端和末端進(jìn)行反射，分別產(chǎn)生兩路脈沖反射信號；脈沖檢測電路，對測量探針產(chǎn)生的兩路脈沖反射信號進(jìn)行檢波和采樣，得到采樣后的兩路脈沖反射信號；微控制單元，根據(jù)采樣后的兩路脈沖反射信號得到土壤的單位容積含水率，該方法利用脈沖信號將在測量探頭的始端與末端產(chǎn)生因阻抗不匹配而形成時域反射，測量鏡像反射波的時間差，進(jìn)而得知被測土壤實際對應(yīng)的單位容積含水率。本發(fā)明具有測量速度快、精度高、低成本、易于批量化生產(chǎn)等優(yōu)點。
文檔編號G01N23/00GK101216439SQ20081005648
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月18日
發(fā)明者孫宇瑞, 張慧娟, 曄 楊, 汪懋華, 王聰穎, 馬道坤 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)