时域反射式土壤湿度传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种土壤湿度传感器，尤其涉及一种时域反射式土壤湿度传感器。
【背景技术】
[0002] 土壤含水率是土壤的重要物理参数，土壤水是联系地表水与地下水的纽带，在水 资源的形成、转化及消耗过程中有重要作用，土壤水分状况对于降雨产流、蒸散发及生态环 境下垫面植被生态系统的变化等具有重要意义。同时，土壤含水率也是农业生产条件中的 一项关键指标，土壤水分含量的大小对农作物的生长有至关重要的作用。土壤中有机养分 的分解矿化离不开水分，施入土壤中的化学肥料只有在水中才能溶解，养分离子向根系表 面迀移，以及作物根系对养分的吸收都必须通过水分介质来实现，因此有效地测量和控制 土壤水分含量是现代农业生产的基础。
[0003] 土壤湿度传感器主要用来测量土壤容积含水量，做土壤墒情监测及农业灌溉和林 业防护。目前土壤水分的测量方法有很多种，一是直接测量土壤的重量含水率和容积含水 率，如烘干法、中子仪法、测量土壤传导性的各种方法等；另一类是通过测量土壤的基质势 来实现的，如张力仪法、电阻块法、干湿计法等。目前，我国的农业气象观测台站对土壤水分 测量的主要方法还是传统的烘干法，部分台站也布设了一些自动观测仪器进行测量，但是 各种型号的仪器监测精度参差不齐，还不能取代人工取土监测。
[0004] 自从Trop等人提出土壤含水率与土壤介电常数之间存在着确定性的单值多项式 关系，便为土壤水分的测量开辟了一个新的研究方向，即通过测量土壤的介电常数来求土 壤含水率。利用电磁波在不同介质中振荡频率的变化来测定介质的介电常数ε，进而通过 一定的对应关系反演出土壤水分θν。
[0005] 时域反射（Time Domain RefIectometry，TDR)是一项应用高频电子脉冲的技术， 通过测定电磁波在混合介质中沿导波棒传播的速度，来确定混合介质的介电常数。在TDR 测定频率范围内，土壤水的介电常数是80,固相介电常数是3~4,气相介电常数是1，故土 壤含水量的变化对介电常数有明显的影响，由此求出电磁波的传播速度，便可确定其含水 量。电磁波在介质中传播的速度与介质的介电常数的平方根成反比，可用下式表示：
[0007] 式中：c为电磁波在介质中的传播速度、C。为真空中的电磁波传播速度（3X 10sm / s)、ey为介质的介电常数、μ ￥为介质的磁导率，在非磁性介质中，μ y=l。测量时，脉冲源发 射出一个电压的阶梯状高频脉冲信号，沿着土壤中的导波棒（长度为L)传播，由于导波棒 终端开路，阻抗失配，部分能量在导波棒末端反射，形成反射信号，可通过测量高频脉冲来 回传播时间t，求得电磁波的传播速度c，从而可得出土壤介电常数，最后根据Topp提出的 经验公式得出土壤含水量。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是提供一种基于时域反射原理（Time Domain Reflectometry，TDR) 的土壤湿度传感器，其可以实现在一定区域范围内的单点单深度、多点多深度土壤水分测 量。
[0009] 本发明的另一目的是提供一种可实现电流或电压输出的土壤湿度传感器，可方便 连接各种测试仪器，电流输出有很强的抗干扰能力，有利于远距离传输。
[0010] 本发明的又一目的是提供一种方便的土壤湿度传感器，只需将其插入预先埋置在 探测地点的PVC管内即可，测量时间只需短短的几秒钟。
[0011] 以下即对上述目的，结合附图详细说明较佳的实施例。
【附图说明】
[0012] 图1所示为依据本发明较佳实施例的传感器内部构造的方框图。
[0013] 图2所示为依据本发明第二实施例的传感器方框图。
【具体实施方式】
[0014] [第一实施例]
[0015] 图1所示为依据本发明较佳实施例的传感器内部构造的方框图。于图1中，传感 器包括电源模块20、振荡单元31、驱动单元32、输出探针33、反馈探针41、反馈数据转换单 元42、放大单元43、电压-电流转换单元44、电源输入线路11和电压/电流输出线路12,。 其中电压-电流转换单元44为选配单元。
[0016] 参见图1，振荡单元31输出IOOMHz标准测试频率信号，经由驱动单元32加到输出 探针33上，根据不同的土壤湿度情况，反馈探针41得到与土壤湿度情况相关的反馈信号， 经由反馈数据转换单元42、放大单元43输出与土壤湿度情况相关的电压信号，或经由选配 单元电压-电流转换单元44输出与土壤湿度情况相关的电流信号。
[0017] [第二实施例]
[0018] 图2所示为依据本发明第二实施例的传感器方框图。于图2中，传感器包括时域 反射式土壤湿度传感器主体1、输出探针33、反馈探针41、电源及输出电缆10和电压-电流 转换单元44。其中电压-电流转换单元44为选配单元。
[0019] 参见图2,时域反射式土壤湿度传感器主体1采用树脂灌封、输出探针33及对称分 布的反馈探针41采用不锈钢探针，可有效防止土壤、水分及其它物质对传感器单元、探针 的损害和影响，作为选配单元，电压-电流转换单元44配置在传感器主体外，可实现电流或 电压输出，方便连接各种测试仪器。
【主权项】
1. 一时域反射式土壤湿度传感器包括 一振荡单元，用以产生IOOMHz的稳定振荡频率信号； 一驱动单元，用以驱动振荡单元以达到足够输出幅度； 一输出探针单元，用以输出高频脉冲信号； 一反馈探针单元，用以输入反馈脉冲信号； 一反馈数据采集单元，用以转换反馈脉冲信号； 一放大单元，用以放大反馈数据转换单元输出信号； 一电源模块，用以产生各单元电路所需电源信号； 一电压-电流转换单元，用以实现电压-电流输出转换； 其特征在于：根据高频脉冲信号传播时间差，得到与土壤的介电常数相关的电压或电 流输出信号，以实现对土壤含水率即土壤湿度的测量。2. 根据权利要求1所述的时域反射式土壤湿度传感器，其特征在于：探针包括一不锈 钢输出探针单元和一不锈钢反馈探针单元构成。3. 根据权利要求2所述的反馈探针单元包括2根对称分布的不锈钢反馈探针，用以实 现反馈信号的输入。4. 根据权利要求1所述的时域反射式土壤湿度传感器，其特征在于：振荡单元采用高 稳定性的晶体振荡器，以产生稳定的IOOMHz测试频率信号。5. 根据权利要求1所述的时域反射式土壤湿度传感器，其特征在于：驱动单元采用高 频功率放大器，以产生足够幅度的输出信号。6. 根据权利要求1所述的时域反射式土壤湿度传感器，其特征在于：反馈数据采集单 元采用高精度采集转换电路，以实现高精度的高频脉冲信号传播时间差数据转换与采集。7. 根据权利要求1所述的时域反射式土壤湿度传感器，其特征在于：放大单元采用低 功耗差分放大电路，消除直流电平干扰并降低传感器功耗。8. 根据权利要求1所述的时域反射式土壤湿度传感器，其特征在于：电源模块采用低 压差线性稳压器、极性转换电路，以实现对传感器各单元电路的电源供给。9. 根据权利要求1所述的时域反射式土壤湿度传感器，其特征在于：电压-电流转换 单元采用线性电压-电流转换，以保证远距离传输时的输出信号精度。10. 根据权利要求1所述的时域反射式土壤湿度传感器，其特征在于：特征是通过测量 土壤的介电常数来测量土壤容积含水率即土壤湿度。
【专利摘要】本发明提供了一种基于时域反射原理的土壤湿度传感器，其可以实现在一定区域范围内的单点单深度、多点多深度的快速土壤水分测量。时域反射式土壤湿度传感器采用电流或电压输出，可方便连接各种测试仪器，电流输出有很强的抗干扰能力，有利于远距离传输。时域反射式土壤湿度传感器应用方便，只需将其插入预先埋置在探测地点的PVC管内即可，测量时间只需短短的几秒钟。根据图1制作的时域反射式土壤湿度传感器具有以下功能：时域反射式土壤湿度传感器通过测量土壤的介电常数ε，可以实现在一定区域范围内的单点单深度、多点多深度的快速土壤水分测量。
【IPC分类】G01N22/04
【公开号】CN105181715
【申请号】CN201310432791
【发明人】王彦, 苏彦莽, 张林中, 李爱军, 王向华, 李占昌, 王炯, 高博, 高本才
【申请人】天津市职业大学
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2013年9月17日