[发明专利]基于相位检测的土壤水分、电导率测量仪及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种基于相位检测原理的土 壤水分、电导率测量仪及其测量方法。

背景技术

近年来土壤学的研究结果表明，土壤电导率这一参数本身包含了 反映土壤品质和物理性质的丰富信息。例如，土壤中盐分、水分及有 机质含量，土壤压实度、质地结构和孔隙率等都不同程度地影响着土 壤电导率的改变。在以上诸因素中，土壤盐分和含水率对电导率的影 响明显大于其他各因素，借助于测量土壤电导率评价农作物的生长环 境，是当前发达国家精细农作研究的热点之一。传统的实验室测定土 壤电导率的方法虽然精确，但过程繁琐，给工程实践带来不便。由于 土壤溶液中溶质的浓度与电导率成线性关系，而在含水量一定的条件 下，土壤体电导和土壤的溶液电导存在线性关系，因此可直接用土壤 的体电导率来确定溶质的含量及迁移，但在含水量变化较大的情况 下，土壤体电导率与含水量密切相关，直接用土壤的体电导来指示溶 质的含量就很困难，将测定的土壤含水量与土壤体导电率结合起来， 通过体电导和溶液电导之间的关系来确定物质的迁移具有很大的意 义。

时域反射仪(TDR)是新近发展起来的一种测定土壤含水率的方 法，其主要优越性是在测试土壤水分过程中可不破坏土壤原状结构， 操作简便，并可直接读取土壤含水量，便于原位动态监测，做到讯息 转换而达到数据自动采集的目的，因而很快为人们所接受。Topp和 Davis于1975年首次将TDR技术用于土壤水分测量的研究。TDR土 壤水分测量的根本依据是电磁波沿探头传播的速度与探头周围土壤 的介电常数的平方根成反比，因此可以根据电磁波传播的速度来测量 土壤的介电常数。Topp依此方法测得了土壤中气—固—液混合物的 介电常数ε，进而利用数值回归分析方法找出了不同类型土壤的含水 量与介电常数之间的经验公式：

θ＝-5.3×10^-2+2.92×10^-2ε-5.5×10^-4ε²+4.3×10^-6ε³  (1)

其中θ为土壤体积含水量，ε为土壤表观介电常数。

通过大量的理论和实验研究证明了基于TDR方法的土壤水分和 电导率测试仪能够满足快速测量的实时性要求，可是对土壤这种复杂 的多孔介质对象，虽然含水量θ的变化能够显著地导致介电常数ε的 变化，但在传感器探头几何长度受到限制的条件下，由气-固-液混合 物介电常数ε引起的入射-反射时间差ΔT却仅仅是10-9秒数量级。若 要对如此短的滞后时间进行准确测量，从无线电测量技术的角度来看 难度极大，基于传统方法TDR土壤水分和电导率测试仪器成本相应 很高。

TDR土壤水分测试仪一般由阶跃信号发生器、同轴传输线、土 壤水分探头及高频采样示波器组成等部分组成，如图1所示，其中， 1-RS-232通讯口，2-同步发生器，3-脉冲发生器，4-采样示波器，5-50 Ω同轴电缆，6-探头；高频脉冲产生器(pulse generator)发出1000MHz 的高频脉冲，并将其通过50Ω的同轴传输线(50Ωcoaxial cable)传 输到探头(probe)，由于同轴传输线与探头阻抗不匹配，有一部分电 磁波在探头与传输线连结处沿同轴传输线反射回来，剩余的电磁波继 续沿探头传输到探头的另一端，由于探头与土壤的阻抗不匹配又造成 电磁波的再次反射。两次反射之间的时间是电磁波沿探头传输时间的 两倍。两次反射之间的时间可由高频示波器(sampling oscilloscope) 来测量显示。传输时间可表示为：

t＝2Lε^0.5/c                (2)

式中：t——两次反射之间的时间(s)；L——探头的长度(m)

ε——介质(土壤)的介电常数；c——电磁波在真空中的传播 速度(3×10⁸m/s)

由此可得出介质的介电常数ε：

ε＝[ct/(2L)]²               (3)

式中(ct/2)称为探头的“表观”长度。令L_a＝ct/2则：

ε＝(L_a/L)²                  (4)

土壤电导率与信号反射率及土壤含水量有关。