[发明专利]土壤水分测量传感器及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种土壤水分测量传感器及其测量方法。

背景技术

土壤水分测量技术是节水抗旱实施的重要的技术保障。而土壤水 分传感器和测量仪器则是实现变量灌溉和墒情(旱情)监测的重要技 术手段。

利用土壤的介电特性来测量土壤含水量是一种行之有效的、快速 的、简便的、可靠方法。最先对土壤的介电特性作出系统研究的是前 苏联学者Chernyak，他在1964年出版了引起世界关注的学术名著《湿 土介电特性研究方法》。以此为基础，土壤的介电特性迅速应用于土 壤含水量的测量技术中，而且具体实现方法千差万别。其中，高频电 容探头测量土壤含水量、甚高频晶体管传输线振荡器测量土壤含水 量、时域反射法(TDR)、频域反射法(FDR)等测量方法都属于基 于土壤介电特性的土壤含水量测量方法。

土壤水分的介电测量方法目前主要有时域反射法(TDR)和频域 反射法。时域反射法(TDR)通过测量高频电磁波在土壤中的发射波 和反射波间的时间差来测量土壤含水量。TDR技术复杂，时域反射 仪价格昂贵，目前该技术为欧美等发达国家垄断，在我国尚为空白。

频域法应用被测介质中表观介电常数随土壤含水量变化而变化 这一原理测定土壤含水量。频域法仪器一般在20～150MHz范围内工 作，由多种电路可将介电常数的变化转换为直流电压或其他输出形 式，输出的直流电压在宽广的工作范围内与土壤含水量直接相关。频 域法的土壤水分输出曲线与TDR类似，由多项式表达，宜用三次多 项式便可得到良好的对应测量精度。

由于中国地域广阔土壤类型多，国外的土壤水分传感器给不出在 中国各类土壤中的标定特性，往往测量精度得不到保证，加上价格较 高，技术保护不及时等，不宜在中国广泛推广应用。

发明内容

本发明克服了上述缺点，提供了一种理论充分、技术先进、电路 简单、检测精度高的土壤水分测量传感器及其测量方法。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种土壤水分测量 传感器，包括高频信号源、传输线等效网络电路、检波电路、放大电 路、传感器探头，所述传输线等效网络电路的一端连接高频信号源， 另一端连接所述传感器探头，所述两个检波电路分别连接在在传输线 等效网络电路的两端，所述放大电路与所述检波电路的输出端相连。

所述放大电路为差动放大电路，所述差动放大电路的两路信号输 入端分别连接所述检波电路输出端。

所述传感器探头由四根等长的不锈钢探针组成，其中一根为中心 探头，连接在传输线等效网络电路的一端，其余三根为与所述中心探 头等距布置的外围探头，连接在传输线等效网络电路的接地端，所述 检波电路分别连接在传输线等效网络电路的两端。

一种土壤水分测量方法，包括

检测传输线等效网络电路上产生驻波时，两端的信号输出，

检测传输线等效网络电路两端的电位差获得探针间土壤的介电 常数，

根据介电常数与土壤容积含水量的函数关系确定土壤容积含水 量。

本发明利用被测介质中介电常数随土壤含水量变化而变化这一 原理测定土壤含水量。土壤水分传感器通过所述高频信号源发出高频 信号，由检波电路将介电常数的变化转换为直流电压输出，输出的直 流电压在宽广的工作范围内(0-100％Vol)与土壤含水量的确定数学 关系，实现土壤容积含水量的精确测量，测量精度为±2％。由于本发 明传感器探头采用探针式，可埋设在土壤剖面连续测量，也可与专用 测量仪器配合作移动巡回测量，而且电路相对简单，因此成本低，价 格大大低于TDR土壤水分测试仪，调试方便，保证了传感器批量生 产时的一致性。

附图说明

图1为本发明的电路原理框图；

图2为本发明的传输线等效网络电路；

图3为本发明的土壤水分传感器等效电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明内容加以详细阐述。