[发明专利]一种探头可替换的土壤水分传感器及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及农田土壤信息采集领域，特别涉及一种探头可替换的土壤水分传感器及其测量方法。

背景技术

土壤中的水不仅是作物生长的重要物质，也为作物与土壤的各种营养和能量交换提供重要途径。因此对农田中的水分进行测量具有重要意义。目前检测农田中水分的传感器有很多种，其中较常用的有一种基于介电理论的土壤水分传感器，该类传感器通常采用时域反射法（Time Domain Reflectometry，TDR）和频域法（Frequency Domain，FD）这两种技术手段来实现，TDR方法是通过测量电磁波脉冲沿着土壤介质中已知长度传输线传播所需时间，然后估计含水土壤的混合介电常数进而获得水分含量信息。FD方法是通过直接测量土壤探头阻抗的变化，从而确定土壤含水量。

CN101216439公开了一种基于TDR方法的土壤水分测量仪器及方法，该方法通过脉冲信号在传感器探针始端和终端的反射时间差，从而测量土壤含水量。该类方法传感器每次测量需要一个各态历经的过程，所需时间通常在数秒甚至20秒以上，实时性较差。

CN101281152公开了一种基于FD方法的土壤水分传感器，该传感器通过土壤探针发出20KHz脉冲方波激励信号并接收其两端充电电压的峰值信号，进而获得土壤水分信息。该方法由于激励信号频率较低，受土壤中电导率影响较大。

在已有的基于FD方法的土壤水分传感器中，探头均是固定不动的，即探头的长度和直径是事先安装好的，所测量土壤水分信息是探头所处区域的平均结果。在对不同根系长度的作物水分运移、墒情控制等研究应用中，通常需要作物根系范围总体或局部土壤水分信息，显然现有的装置和方法已不能完全满足其要求。

因此，研究一种可根据测量需要对传感器探头进行替换的传感器具有极大的应用价值。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种探头可替换的土壤水分传感器，该传感器基于介电原理，在传统的FD检测方法基础上进行改进，探头的长度和直径可以根据实际测量需要进行替换，例如可以根据不同作物根系长度选择对应长度的探头，从而可以测量根系范围土壤水分信息，具有测量准确的优点。本发明的另一目的在于提供一种基于上述探头可替换的土壤水分传感器的测量方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种探头可替换的土壤水分传感器，包括传感器外壳、传感器探头、置于传感器外壳内部的输入输出接口、传感器探头接口以及检测电路，所述检测电路包括电源模块、信号驱动模块、高频信号源、匹配阻抗、高频检波模块和调理模块，其中输入输出接口分别与电源模块和调理模块连接，外部电源通过输入输出接口供电给电源模块，电源模块为检测电路中的各模块提供工作电压；在测量时根据测量需要预先选定的传感器探头与传感器探头接口连接，高频信号源、信号驱动模块、匹配阻抗以及传感器探头接口依次连接，形成检测回路，高频检波模块对匹配阻抗两端的电压进行高频检波和差分处理后输出到调理模块，信号经调理后通过输入输出接口输出到外部处理器。

优选的，所述匹配阻抗为感性元件。

优选的，所述传感器探头由三根规格相同的不锈钢探针组成，探针的长度根据测量需要在以下约束条件下确定：

0<2πfLϵc<π2;]]>

π2<2πfLϵc<π;]]>