CN111398373A - 一种双频激励的土壤水分检测仪及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述的一种双频激励的土壤水分检测仪及其测试方法，包括壳体、触摸屏、电池、电源开关、探头和电路板单元，所述壳体上顶部安装有触摸屏和电源开关，所述壳体内部安装有电路板单元和电池，所述壳体下部安装有探头，所述探头内设置有正极板和负极板，所述正极板和负极板和电路板单元电连接，所述触摸屏、电池和电源开关也和电路板单元电连接，所述电路板单元包括稳压源单元、单片机、方波信号源单元、选频模拟开关、精密电阻R、波峰检测单元和温度传感器。电容式探头不易磨损，电路简单，可有效测量探头电容值，提高仪器抗电导率性能，整体检测仪便携式设计，方便实际使用。

Description

一种双频激励的土壤水分检测仪及其测试方法

技术领域

本发明涉及土壤水分检测领域，尤其涉及一种双频激励的土壤水分检测仪及其测试方法。

背景技术

目前土壤水分检测方法有十多种，市场上也出现了多种类型的土壤水分传感器。其中，基于介电法原理的传感技术，有时域反射法(TDR)、时域传输法(TDT)、驻波比法(SWR)、电容法。电容法具有技术简单、成本低等优点，为目前应用最为广泛的技术。电容法从电容检测技术角度来看，大多采用谐振法即频域反射法(FDR)和矢量电压技术分解土壤介电常数法。市售产品有英国的SM300传感器、美国的GS3、10HS、EC-5、HydraProbe II传感器，英国的ML2x、PR2传感器等。尽管电容式传感器已有商品化产品，但也存在一些不足——精度不高，易受土壤电导率影响。对ECH2O EC-5、SM200、ThetaProbe ML2x研究表明传感器标定模型参数都与土壤质地、电导率有关。

目前，一种提高传感器抗电导率性能方法是同时测量土壤电导率，根据实验建立的电导率补偿模型来实现。如专利CN109444227A具有电导率补偿特性的低频电容土壤水分检测方法和专利CN202421116U一种无土栽培基质含水量、电导率检测传感器，本质是直流或低频测土壤电导率，高频测土壤水分。另一种是提高激信号励频率。研究表明信号频率必须大于500MHz才能获得不受电导率影响的土壤水分信号。现有电容检测技术的频率可达100MHz，想要进一步提高频率并保证较高的信噪比，技术难度大，成本昂贵。另一方面，从导电物质介质极化过程原理出发，在等效的集中参数模型内，单纯的提高频率无法消除离子迁移极化行为。

为此本专利基于电阻电容串联阶跃响应原理，设计一种电容检测技术，提出从双频响应信号中计算用于换算土壤水分含量的土壤相对介电常数，进而测量土壤水分。提供一种抗电导率性能更优的双频激励电容式土壤水分检测仪。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双频激励的土壤水分检测仪及其测试方法，解决土壤水分传感器抗电导率性能差，导致土壤水分检测仪测试精度不高的问题。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案是：包括壳体、触摸屏、电池、电源开关、探头和电路板单元，所述壳体上顶部安装有触摸屏和电源开关，所述壳体内部安装有电路板单元和电池，所述壳体下部安装有探头，所述探头内设置有正极板和负极板，所述正极板和负极板和电路板单元电连接，所述触摸屏、电池和电源开关也和电路板单元电连接，所述电路板单元包括稳压源单元、单片机、方波信号源单元、选频模拟开关、精密电阻R、波峰检测单元和温度传感器。

进一步地，探头和电路板单元为一体结构，由印刷电路板组成，所述探头的印刷电路板采用3层板结构，中间层设有探头正极板、负极板。

进一步地，稳压源单元将电池的电源转化为单片机和方波信号源单元的工作电压，为单片机和方波信号源单元提供稳定的电源，所述稳压源单元采用型号为AMS1117-3.3V芯片。

进一步地，单片机为自带上电复位、晶振和AD模块的单片机，所述单片机采用型号为STC15W408AD芯片。

进一步地，选频模拟开关接受单片机的控制信号，进而控制方波信号源单元产出不同频率的方波信号，所述方波信号源单元可以产生两种频率的方波信号。

进一步地，精密电阻R一端与方波信号源单元的输出端电连接，另一端与探头的正极板电连接。

进一步地，探头的负极板电连接电源负极。

进一步地，波峰检测单元包括检波二极管D、电容和电阻，所述电容和电阻并联，并联后的一端与电源负极电连接，另一端与所述检波二极管D阴极电连接，所述检波二极管D阳极与所述正极板电连接，所述检波二极管D采用型号为BAT15-03W二极管。

进一步地，温度传感器采用型号为TMP275集成数字温度传感器芯片。

一种双频激励的土壤水分检测仪的测试方法，包括如下步骤：

1)设立测试原理，采用一阶RC串联电路稳态响应原理，在方波激励下，电容充放电稳定后，电容端电压的波峰波谷电压关系为

U_T＝U₀+(U_s-U₀)(1-e^-T/RC) (1)

式中，U_T——电容上的波峰电压值，U₀——电容上的波谷电压值，U_s——方波高电平电压值，T——方波周期，电容C含杂散电容ΔC和土壤水分变化引起的电容Cx，其中Cx与土壤等效相对介电常数ε成正比为Cx＝gε (2)

式中，g——比例系数

式(1)可整理为

U_T＝U_s+(U_s-U₀)e^{-T/(R(ΔC+gε))} (3)；

2)建立测试模型，在已知相对介电常数ε溶液中，分别标定f1、f2频率方波激励下，对应输出信号U₁，U₂与ε关系数学模型

ε＝f(U₁)|f1 (4)

ε＝f(U₂)|f2 (5)

所述式(4)、式(5)优选式(6)的指数模型。

y＝a+b·e^(c/(x+d)) (6)；

3)采集测试信号，单片机控制选频模拟开关进而控制方波信号源单元生成频率为f1、f2的两个方波信号，采集频率为f1、f2的两个方波信号的峰值电压；

4)处理测试信号，将两个峰值电压进行信号处理计算出土壤水分含量，处理测试信号包括如下三个步骤：

步骤一：由f1、f2频率方波激励下输出信号U_f1、U_f2依据标定模型式(3)、式(4)分别计算出对应相对介电常数ε_f1、ε_f2。显然作为导电的介质土壤，依式(3)、式(4)计算出的ε_f1、ε_f2值中含有离子迁移极化信息，直接用于换算土壤含水量会出现较大误差；

步骤二：选取合适的土壤相对介电常数式ε与测试频率F的模型，参照文献土壤介电常数随频率的变化特性，以及指数函数的数学特性，所述土壤相对介电常数式ε与测试频率F的模型，优选式(7)模型，a、b、c、d为待定参数，在此c取值为f1，d取值为f2，再由(f1，ε_f1)、(f2，ε_f1)可求得a、b，式(7)具有当F-c大于4倍的d时，ε(F)趋于稳定值a的数学特性，将a记为ε_eff，用于换算土壤含水量的土壤相对介电常数

步骤三：参照Topp模型式(8)，计算ε_eff对应的土壤体积含水量θ，

式中，θ——土壤体积含水率；

5)显示测量结果，步骤4)中的结果通过触摸屏(2)显示。

本发明的有益效果是：一种双频激励的土壤水分检测仪及其测试方法，电容式探头绝缘性好，不易磨损，给出的峰值检测技术电路简单，可有效测量探头电容值，基于双频激励响应信号的处理，可以提高仪器抗电导率性能，整体测试仪便携式设计，方便实际使用。

附图说明

图1为本发明一个实施例的三位结构示意图；

图2为本发明的工作原理图；

图3为本发明电路板单元电路组成结构框图；

图4为本发明一个实施例电路板单元电路原理图。

具体实施方式

实施例1

如图1-4所示，包括壳体1、触摸屏2、电池3、电源开关4、探头5和电路板单元6，所述壳体1上顶部安装有触摸屏2和电源开关4，所述壳体1内部安装有电路板单元6和电池3，所述壳体1下部安装有探头5，所述探头5内设置有正极板7和负极板8，所述正极板7和负极板8和电路板单元6电连接，所述触摸屏2、电池3和电源开关4也和电路板单元6电连接，所述电路板单元6包括稳压源单元11、单片机12、方波信号源单元13、选频模拟开关14、精密电阻R15、波峰检测单元16和温度传感器17。

所述探头5和电路板单元6为一体结构，由印刷电路板组成，所述探头5的印刷电路板采用3层板结构，中间层开设有探头正极板、负极板。

所述稳压源单元11将电池3的电源转化为单片机12和方波信号源单元13的工作电压，为单片机12和方波信号源单元13提供稳定的电源，所述稳压源单元11采用型号为AMS1117-3.3V芯片。

所述单片机12为自带上电复位、晶振和AD模块的单片机，所述单片机12采用型号为STC15W408AD芯片。

所述选频模拟开关14接受单片机12的控制信号，进而控制方波信号源单元13产出不同频率的方波信号，所述方波信号源单元13可以产生两种频率的方波信号。

所属精密电阻R15一端与方波信号源单元13的输出端电连接，另一端与探头5的正极板7电连接。

所述探头5的负极板8电连接电源负极。

如图4所示，所述波峰检测单元16包括检波二极管D、电容和电阻，所述电容和电阻并联，并联后的一端与电源负极电连接，另一端与所述检波二极管D阴极电连接，所述检波二极管D阳极与所述正极板7电连接，所述检波二极管D采用型号为BAT15-03W二极管，电容为C6，电阻为R5。

所述温度传感器17采用型号为TMP275集成数字温度传感器芯片。

一种双频激励的土壤水分检测仪的测试方法，包括如下步骤：

1)设立测试原理，采用一阶RC串联电路稳态响应原理，在方波激励下，电容充放电稳定后，电容端电压的波峰波谷电压关系为

U_T＝U₀+(U_s-U₀)(1-e^-T/RC) (1)

式中，U_T——电容上的波峰电压值，U₀——电容上的波谷电压值，U_s——方波高电平电压值，T——方波周期，电容C含杂散电容ΔC和土壤水分变化引起的电容Cx，其中Cx与土壤等效相对介电常数ε成正比为Cx＝gε (2)

式中，g——比例系数

式(1)可整理为

U_T＝U_s+(U_s-U₀)e^{-T/(R(ΔC+gε))} (3)；

2)建立测试模型，在已知相对介电常数ε溶液中，分别标定f1、f2频率方波激励下，对应输出信号U₁，U₂与ε关系数学模型

ε＝f(U₁)|f1 (4)

ε＝f(U₂)|f2 (5)

所述式(4)、式(5)优选式(6)的指数模型。

y＝a+b·e^(c/(x+d)) (6)；

已知相对介电常数ε溶液优选见表1。

表1

3)采集测试信号，单片机12控制选频模拟开关14进而控制方波信号源单元13生成频率为f1、f2的两个方波信号，采集频率为f1、f2的两个方波信号的峰值电压；

4)处理测试信号，将两个峰值电压进行信号处理计算出土壤水分含量，处理测试信号包括如下三个步骤：

步骤一：由f1、f2频率方波激励下输出信号U_f1、U_f2依据标定模型式(3)、式(4)分别计算出对应相对介电常数ε_f1、ε_f2。显然作为导电的土壤介质，依式(3)、式(4)计算出的ε_f1、ε_f2值中含有离子迁移极化信息，直接用于换算土壤含水量会出现较大误差；

步骤二：选取合适的土壤相对介电常数式ε与测试频率F的模型，参照文献土壤介电常数随频率的变化特性，以及指数函数的数学特性，所述土壤相对介电常数式ε与测试频率F的模型，优选式(7)模型，a、b、c、d为待定参数，在此c取值为f1，d取值为f2，再由(f1，ε_f1)、(f2，ε_f1)可求得a、b，式(7)具有当F-c大于4倍的d时，ε(F)趋于稳定值a的数学特性，将a记为ε_eff，用于换算土壤含水量的土壤相对介电常数

步骤三：参照Topp模型式(8)，计算ε_eff对应的土壤体积含水量θ，

式中，θ——土壤体积含水率；

5)显示测量结果，步骤4)中的结果通过触摸屏(2)显示。

本实施例的一种双频激励的土壤水分检测仪及其测试方法，电容式探头绝缘性好，不易磨损，给出的峰值检测技术电路简单，可有效测量探头电容值，基于双频激励响应信号的处理，可以提高仪器抗电导率性能，整体测试仪便携式设计，方便实际使用。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种双频激励的土壤水分检测仪，其特征在于：包括壳体(1)、触摸屏(2)、电池(3)、电源开关(4)、探头(5)和电路板单元(6)，所述壳体(1)上顶部安装有触摸屏(2)和电源开关(4)，所述壳体(1)内部安装有电路板单元(6)和电池(3)，所述壳体(1)下部安装有探头(5)，所述探头(5)内设置有正极板(7)和负极板(8)，所述正极板(7)和负极板(8)和电路板单元(6)电连接，所述触摸屏(2)、电池(3)和电源开关(4)也和电路板单元(6)电连接，所述电路板单元(6)包括稳压源单元(11)、单片机(12)、方波信号源单元(13)、选频模拟开关(14)、精密电阻R(15)、波峰检测单元(16)和温度传感器(17)。

2.根据权利要求1所述一种双频激励的土壤水分检测仪，其特征在于：所述探头(5)和电路板单元(6)为一体结构，由印刷电路板组成，所述探头(5)的印刷电路板采用3层板结构，中间层设有探头正极板(7)、负极板(8)。

3.根据权利要求1所述一种双频激励的土壤水分检测仪，其特征在于：稳压源单元(11)将电池(3)的电源转化为单片机(12)和方波信号源单元(13)的工作电压，为单片机(12)和方波信号源单元(13)提供稳定的电源，所述稳压源单元(11)采用型号为AMS1117-3.3V芯片。

4.根据权利要求1所述一种双频激励的土壤水分检测仪，其特征在于：所述单片机(12)为自带上电复位、晶振和AD模块的单片机，所述单片机(12)采用型号为STC15W408AD芯片。

5.根据权利要求1所述一种双频激励的土壤水分检测仪，其特征在于：所述选频模拟开关(14)接受单片机(12)的控制信号，进而控制方波信号源单元(13)产出不同频率的方波信号，所述方波信号源单元(13)可以产生两种频率的方波信号。

6.根据权利要求1所述一种双频激励的土壤水分检测仪，其特征在于：所述精密电阻R(15)一端与方波信号源单元(13)的输出端电连接，另一端与探头(5)的正极板(7)电连接。

7.根据权利要求1所述一种双频激励的土壤水分检测仪，其特征在于：所述探头(5)的负极板(8)电连接电源负极。

8.根据权利要求1所述一种双频激励的土壤水分检测仪，其特征在于：所述波峰检测单元(16)包括检波二极管D、电容和电阻，所述电容和电阻并联，并联后的一端与电源负极电连接，另一端与所述检波二极管D阴极电连接，所述检波二极管D阳极与所述正极板(7)电连接，所述检波二极管D采用型号为BAT15-03W二极管。

9.根据权利要求1所述一种双频激励的土壤水分检测仪，其特征在于：所述温度传感器(17)采用型号为TMP275集成数字温度传感器芯片。

10.根据权利要求1所述一种双频激励的土壤水分检测仪的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)设立测试原理，采用一阶RC串联电路稳态响应原理，在方波激励下，电容充放电稳定后，电容端电压的波峰波谷电压关系为

U_T＝U₀+(U_s-U₀)(1-e^-T/RC) (1)

式中，U_T——电容上的波峰电压值，U₀——电容上的波谷电压值，U_s——方波高电平电压值，T——方波周期，电容C含杂散电容ΔC和土壤水分变化引起的电容Cx，其中Cx与土壤等效相对介电常数ε成正比为

Cx＝gε (2)

式中，g——比例系数

式(1)可整理为

U_T＝U_s+(U_s-U₀)e^{-T/(R(ΔC+gε))} (3)；

2)建立测试模型，在已知相对介电常数ε溶液中，分别标定f1、f2频率方波激励下，对应输出信号U₁，U₂与ε关系数学模型

ε＝f(U₁)|f1 (4)

ε＝f(U₂)|f2 (5)

所述式(4)、式(5)优选式(6)的指数模型。

y＝a+b·e^(c/(x+d)) (6)；

3)采集测试信号，单片机(12)控制选频模拟开关(14)进而控制方波信号源单元(13)生成频率为f1、f2的两个方波信号，采集频率为f1、f2的两个方波信号的峰值电压；

4)处理测试信号，将两个峰值电压进行信号处理计算出土壤水分含量，处理测试信号包括如下三个步骤：

步骤一：由f1、f2频率方波激励下输出信号U_f1、U_f2依据标定模型式(3)、式(4)分别计算出对应相对介电常数ε_f1、ε_f2。显然作为导电的土壤介质，依式(3)、式(4)计算出的ε_f1、ε_f2值中含有离子迁移极化信息，直接用于换算土壤含水量会出现较大误差；

步骤二：选取合适的土壤相对介电常数式ε与测试频率F的模型，参照文献土壤介电常数随频率的变化特性，以及指数函数的数学特性，所述土壤相对介电常数式ε与测试频率F的模型，优选式(7)模型，a、b、c、d为待定参数，在此c取值为f1，d取值为f2，再由(f1，ε_f1)、(f2，ε_f1)可求得a、b，式(7)具有当F-c大于4倍的d时，ε(F)趋于稳定值a的数学特性，将a记为ε_eff，用于换算土壤含水量的土壤相对介电常数

步骤三：参照Topp模型式(8)，计算ε_eff对应的土壤体积含水量θ，

式中，θ——土壤体积含水率；

5)显示测量结果，步骤4)中的结果通过触摸屏(2)显示。

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