CN101799436A - 基于相位检测的土壤水分、电导率测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于相位检测的土壤水分、电导率测量仪，包括：信号发生器，环行器，延时器，相位检测器，检波器及微处理器。本发明使用单一频率的正弦信号代替阶跃信号，使用相位检测器将入射信号和反射信号的相位差转换为与之成正比的直流电压信号，通过测量直流电压信号即可得到电磁波在探头上的传播时间，检波器将参考信号和反射信号进行整流，分别获取其电压幅值并输出给模数转换器，通过标定可进一步得到土壤含水量和电导率。由于没有采用昂贵的快速阶跃信号发生器和高频采样示波器技术，大大降低了成本和技术难度，其技术性能与国外同类仪器相当，但价格仅为国外产品的50％。此外，还提供了使用该测量仪测量土壤含水量和/或电导率的方法。

Description

基于相位检测的土壤水分、电导率测量仪及其测量方法

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，5-50Ω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。

目前仅少数发达国家掌握了设计制造TDR土壤水分测试仪所需的高速采样示波器、窄上升沿阶跃信号发生器、高频高精度时间基准等技术。而这些国家对我国采取严格的技术出口限制措施，使我国无法获得必需的尖端电子部件和芯片，因此我国还不能制造传统的TDR土壤电导测试仪。我国生产和科研单位使用的TDR仪主要从美国和加拿大等国进口，单机价格约一万美元，成套设备价格为几万美元，由于我国尚无此产品，进口价格比生产国本地价格高出许多。因厂家在国外，缺乏完善的维修和配件供应服务，出现故障后往往不得不返回原厂家进行维修，影响监测的连续性。所以，研制开发拥有我国自主知识产权的TDR土壤水分、电导率测试仪和测量方法具有重要的理论意义与实用价值。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是克服现有TDR土壤水分测量技术中电磁波在传感器探头上传播的时间难于精确测量而导致的研发难度大以及测量设备成本昂贵等缺陷。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明的技术方案提供了一种基于相位检测的土壤水分、电导率测量仪，包括：

信号发生器，分别向环行器和延时器输出具有相同频率、幅度和初相位的高频正弦检测信号vt和参考信号vr；

环行器，通过同轴电缆和阻抗变换器向待测土壤内的传感器探头输出所述检测信号vt，分离出经传感器探头末端反射回来的反射信号vt并分别输出给相位检测器和检波器；

延时器，使所述信号发生器输出的参考信号vr的传输时间产生延时后输出给相位检测器；

相位检测器，将所述延时器输出的参考信号vr与所述环行器输出的反射信号vt之间的相位差转化为与之成比例的直流电压信号，输出给模数转换器；

检波器，对所述延时器输出的参考信号vr和所述环行器输出的反射信号vt进行整流，分别获取其电压幅值Vr和Vt并输出给模数转换器；

模数转换器，对所述相位检测器和检波器输出的信号进行模数转化并分别输出给传播时间计算器和反射系数计算器；

传播时间计算器，根据模数转换器输出的相位差值计算检测信号vt在所述传感器探头上的传播时间t；

反射系数计算器，根据模数转换器输出的电压幅值Vr和Vt计算信号反射系数ρ＝Vt/Vr；

水分计算器，根据所述传播时间t和预先标定的含水量标定公式计算得到待测土壤含水量θ；

电导率计算器，根据所述含水量θ、所述反射系数ρ以及预先标定的电导率标定公式计算得到待测土壤电导率σ。

其中，所述延时器为延时电缆。

其中，所述阻抗变换器为阻抗变换电路。

本发明的技术方案还提供了一种使用该测量仪测量土壤水分的方法，其特征在于，包括以下步骤：

生成具有相同频率、幅度和初相位的高频正弦检测信号vt和参考信号vr；

环行器通过同轴电缆和阻抗变换器将所述检测信号vt传送给待测土壤内的传感器探头，分离出经传感器探头末端反射回来的反射信号vt并输出；

使所述参考信号vr的传输时间延迟，延迟时间与检测信号vt在环行器、同轴电缆和阻抗变换器上的传输时间相等；

将所述延迟输出的参考信号vr与反射信号vt之间的相位差转化为与之成比例的直流电压信号，随后转化为数字信号；

根据所述数字信号中包含的相位差值计算检测信号vt在所述传感器探头上的传播时间t，并根据预先标定的表征所述传播时间t与土壤含水量θ之间函数关系的标定公式计算得到待测土壤含水量θ。

进一步地，该方法还包括，预先标定所述传播时间t与土壤含水量θ之间的函数关系。

本发明的技术方案还提供了一种使用该测量仪测量土壤电导率的方法，包括以下步骤：

生成具有相同频率、幅度和初相位的高频正弦检测信号vt和参考信号vr；

环行器通过同轴电缆和阻抗变换器将所述检测信号vt传送给待测土壤内的传感器探头，分离出经传感器探头末端反射回来的反射信号vt并输出；

使所述参考信号vr的传输时间延迟，延迟时间与检测信号vt在环行器、同轴电缆和阻抗变换器上的传输时间相等；

将所述延迟输出的参考信号vr与反射信号vt之间的相位差转化为与之成比例的直流电压信号，随后转化为数字信号；

根据所述数字信号中的相位差值计算检测信号vt在所述传感器探头上的传播时间t，并根据预先标定的表征所述传播时间t与土壤含水量θ之间函数关系的标定公式计算得到待测土壤含水量θ；

对所述延迟输出的参考信号vr和所述反射信号vt进行整流，分别获取其电压幅值Vr和Vt，并转化为数字信号；

根据所述数字信号中的电压幅值Vr和Vt计算反射系数ρ＝Vt/Vr，并根据预先标定的表征信号反射系数ρ、土壤含水量θ与土壤电导率σ之间函数关系的标定公式计算得到待测土壤电导率σ。

进一步地，该方法还包括：通过标定试验预先确定反射系数ρ、土壤含水量θ与土壤电导率σ之间的函数关系。

其中，所述表征反射系数ρ、含水量θ与土壤电导率σ之间函数关系的标定公式为：σ＝(1468θ²-531.76θ+75.474)(ρ-1)²。

(三)有益效果

本发明的基于相位检测的土壤水分、电导率测试仪，其高频电路使用单一频率的正弦信号代替阶跃信号，使用相位检测器将入射信号和反射信号的相位差转换为与之成正比的直流电压信号，通过测量直流电压信号即可得到电磁波在探头上的传播时间，检波器将参考信号和反射信号进行整流，分别获取其电压幅值并输出给模数转换器，通过标定可进一步得到土壤含水量和电导率。由于没有采用传统TDR技术的快速阶跃信号发生器和高频采样示波器技术，大大降低了成本和技术难度。其技术性能与国外同类仪器相当，但价格仅为国外产品的50％。

附图说明

图1是现有技术的TDR土壤水分测试仪的原理图；

图2是根据本发明的基于相位检测的土壤水分、电导率测量仪(P-TDR)的结构图；

图3是根据本发明的使用图2中所示测量仪测量土壤电导率的方法中用于标定电导率公式的标定试验的一个实施例中特定体积含水量下土壤电导率与信号反射系数的关系图；

图4是根据本发明的使用图2中所示测量仪测量土壤电导率的方法中用于标定电导率公式的标定试验的一个实施例中二次多项式模型系数与土壤体积含水量的关系图。

具体实施方式

本发明提出的基于相位检测的土壤水分、电导率测量仪，结合附图和实施例说明如下。

如图1所示为根据本发明的基于相位检测的土壤水分、电导率测量仪的结构图，由图中可以看出，该测量仪包括：

信号发生器，其与环行器和延时器相连，生成高频正弦信号后分别向环行器和延时器输出检测信号vt和参考信号vr，其中，vt和vr为具有相同频率、幅度和初相位的高频正弦信号；由此，使用单一频率的正弦信号代替传统的阶跃信号；

环行器，其与信号发生器、阻抗变换器、相位检测器和检波器相连，检测信号vt通过同轴电缆、阻抗变换器后进入待测土壤中的传感器探头，并在探头端部产生反射，此后，环行器将探头端部的反射信号vt与入射信号相分离，并将反射信号vt输出给相位检测器和检波器；其中，阻抗变换器可以为阻抗变换电路；

延时器，其与信号发生器、相位检测器和检波器相连，使来自信号发生器的参考信号vr的传输时间延迟，延时器的延迟时间正好为检测信号vt在环行器、同轴电缆和阻抗变换器上的传输时间；其中，延时器可以为延时电缆；

相位检测器，其与环形器、延时器以及微处理器相连，将延时器输出的参考信号vr与环行器输出的反射信号vt之间的相位差转化为与之成比例的直流电压信号，输出给微处理器中的模数转换器进行模数转换；由此，使用相位检测方法代替了传统的高速采样示波器方法；

检波器，其与延时器、环形器以及微处理器相连，对延时器输出的参考信号vr和环行器输出的反射信号vt进行整流，分别获取其电压幅值Vr和Vt并输出给微处理器中的模数转换器进行模数转换；

微处理器：与相位检测器和检波器相连，对其输出的信号进行处理，根据需要计算待测土壤含水量和/或电导率；进步一地，其包括：

模数转换器，对所述相位检测器和检波器输出的信号进行模数转化并分别输出给传播时间计算器和反射系数计算器；

传播时间计算器，根据模数转换器输出的相位差值计算检测信号vt在所述传感器探头上的传播时间t；

反射系数计算器，根据模数转换器输出的电压幅值Vr和Vt计算信号反射系数ρ＝Vt/Vr；

水分计算器，根据所述传播时间t和预先标定的含水量标定公式计算得到待测土壤含水量θ；

电导率计算器，根据所述含水量θ、所述反射系数ρ以及预先标定的电导率标定公式计算得到待测土壤电导率σ。

由于环行器、同轴电缆和阻抗变换器对信号的衰减很小，可忽略不计，则反射系数ρ反映了信号在沿传感器探头传播时由土壤的介质损耗和传导电流引起的信号衰减，而土壤介质的介电常数又与土壤体积含水量有关，因此反射系数ρ与土壤含水量θ、土壤电导率σ满足一定的函数关系，该函数关系可通过标定试验事先确定下来；电导率计算器根据反射系数ρ和该标定公式即可计算出土壤电导率；因此，微处理器中还包括：

存储器，存储有事先通过标定试验获得的表征传播时间t与土壤含水量θ之间函数关系的标定公式以及表征反射系数ρ和土壤电导率σ以及含水量θ之间函数关系的标定公式。

其中，优选地，所述传感器探头为不锈钢材质的平行三棒式探头，通过阻抗变换器或其他设置使其与同轴电缆的特征阻抗值相匹配，从而减少信号在探头首端的反射，进而提高测量精度。

其中，上述信号发生器、环行器、延时器、相位检测器、检波器均可以通过相应电路、芯片、电缆等硬件实现，其分别为本领域公知技术，在此不作详述。

其中，上述微控制器内嵌入的程序为可以按照本发明的测量仪的工作流程执行相应操作的软件。

本发明还提供了使用上述基于相位检测的土壤水分、电导率测量仪分别测量土壤水分和土壤电导率的方法，包括：高频正弦信号发生器输出频率、幅度和初相位完全一致的测试信号(vt)和参考信号(vr)；如图2中虚线所示为测试信号vt的传播路径，点线所示为参考信号vr的传播路径；具体地，vt经环行器、同轴电缆和阻抗变换电路进入传感器探头并在探头末端产生反射，环行器将反射信号分离出来送入相位检测器和检波器；同时，vr经延时器延迟后也输入相位检测器和检波器，其延迟时间应正好等于vt在环行器、同轴电缆和阻抗变换电路上的传输时间；相位检测器将反射信号vt和参考信号vr之间的相位差转换为与之成比例的直流电压信号后送入微处理器；微处理器根据相位差计算得到电磁波在探头上的传播时间t，再根据事先设置的含水量标定公式计算得到土壤含水量；检波器对参考信号vr和反射信号vt进行整流，得到vr和vt的电压幅值Vr和Vt，这两个电压幅值经A/D变换后送入微处理器中用于计算信号的反射系数ρ(＝Vt/Vr)；最后根据事先设定的电导率标定公式即可计算出土壤电导率。其中，所述含水量标定公式和电导率标定公式均为实施测量前通过试验预先标定获得的。

在本发明的一个实施例中，土壤含水量θ与信号传播时间t之间函数关系为：θ＝-3.1363t³+24.016t²-60.442t+50.15，其中，θ为容积含水量m³/m³，t为信号传播时间ns。

本实施例的标定方法以土水比为1∶5的土壤浸提液电导率(σ)作为土壤电导率标准，对P-TDR的反射系数与电导率关系进行标定。用分析纯的KCl和去离子水以0.3dS/m的间隔配制8种不同电导率的土样，土样电导率(dS/m)的设计值为：0、0.3、0.6、0.9、1.2、1.5、1.8、2.1，由于土壤本身具有微弱的电导率，所以加入KCl后土样的实际电导率与设计值会有微小差别，因此，试验后用PET2000型电导率仪测量每个土样的1∶5土壤浸提液电导率σ作为土样电导率的实际值。对上述8个土样以0.05m³/m³的土壤含水量增量依次加入去离子水直至饱和，用P-TDR测量各个含水量水平下土壤的反射系数。通过分析反射系数的变化规律，研究P-TDR测量土壤电导率的有效性，并且对测量结果进行标定。实验过程中环境温度控制在20℃左右。实验中采用平行三棒式探头，不锈钢探头直径为4mm、长为30mm、棒间距离为20mm。

具体地，试验准备工作包括：将试验用土风干后用最大孔径2mm的筛子过筛，然后放到烘箱中以105℃的温度烘干24小时，在干燥的环境下冷却至室温备用。用于装填土样的PVC桶内径为15cm、深为25cm，本试验设定需装填的土壤体积V_s＝800mL，并在桶内相应高度处做上标记，以便每次装填时使土样体积保持不变。根据事先确定的土壤干容重ρ_b＝1.7g/mL计算出所需干土的质量m_s＝ρ_bV_s＝1360g，用TC10KB型电子天平称取该质量的干土8份。TC10KB型电子天平的最大称量为10kg、灵敏度为0.1g。根据实验设计的土壤电导率σ(dS/m)计算每个土样需掺入KCl的量值。计算方法是：若要使土样土水比为1∶5的土壤浸提液的电导率为σ，已知浓度为1mol/L的KCl溶液电导率在25℃时为128.8dS/m，KCl分子量为74.5g/mol，水的密度为1000g/L，土样的土壤质量为m_s，则所需KCl质量m_KCl为：

m_KCl＝σ/128.8×74.5×5m_s/1000               (5)

试验步骤包括：

首先配制体积含水量θ＝0.05m³/m³土样。取0.05V_s去离子水，用LA164型电子分析天平(量程：160g，最小分度值：0.1mg)称取试验设计的土壤电导率所需的KCl量值，将其溶于该去离子水中。将干土和KCl溶液倒入金属盆进行充分搅拌混合均匀，用分层装填法装入PVC桶中。按上述步骤装填好8个土样后，密封静置24小时，然后用P-TDR分别测量并记录8个土样的信号反射系数ρ；

再次称取0.05V_s去离子水，将其与每个土样的土壤重新充分搅拌混合均匀后装入PVC桶中静置24小时，得到8个溶质含量不变但体积含水量增加到0.10m³/m³的土样，再次测量并记录8个土样的信号反射系数ρ；

以0.05m³/m³的土壤含水量增量重复上述步骤至土壤体积含水量达0.25m³/m³时，静置24小时后土样表面有少量水分渗出，说明土壤已达饱和，测量各土样的信号反射系数后，进入下一步；

从每个土样中取少量的土，按土水质量比为1∶5的比例计算并称取去离子水，计算过程中应考虑试验中已加入的去离子水的量，均匀混合静置24小时后取澄清液，使用PET2000型电导率仪测量澄清液的电导率。该值即为每个土样的电导率标准值。

本实施例的上述试验在5种土壤含水量情况下对8个不同电导率的土样(沙壤土)分别测量信号的反射系数，共得到5组40个反射系数ρ，测量结果见表1所示；图3所示为特定体积含水量下土壤电导率与信号反射系数关系图。

表1

分别采用线性模型和二次多项式模型对测量数据进行拟合试验。考虑到当反射系数ρ＝1时表示没有信号衰减，对应电导率应为0，并且电导率随反射系数增加应单调减小，因此模型表达式采用如式(6)、式(7)的形式。

线性模型：σ＝A(ρ-1)                 (6)

二次多项式模型：σ＝A(ρ-1)²          (7)

模型的拟合结果见表2。对表2中决定系数(R²)进行分析发现，线性模型在低含水量情况下拟合效果较好，而二次多项式模型则正好相反，考虑到实际应用情况，选择二次多项式作为P-TDR的电导率测量模型。这时，在各个含水量情况下R²值均大于0.812，均方根误差(RMSE)则小于0.294dS/m。

表2

二次多项式模型中各含水量水平下标定公式的系数A如图4所示。可见，标定方程系数A是土壤含水量的函数，采用二次多项式对A与θ的关系A(θ)进行拟合，结果如式(8)所示，图4中绘出了拟合曲线，决定系数R²＝0.99。

A(θ)＝1468θ²-531.76θ+75.474          (8)

将式(8)代入式(7)，得P-TDR测量土壤电导率的标定公式：

σ＝(1468θ²-531.76θ+75.474)(ρ-1)²      (9)

进一步分析表2两种模型的R²值发现，对于线性模型，当土壤含水量增加时，拟合精度持续下降，而对于二次模型，土壤含水量较大时(θ＝0.20m³/m³)拟合精度最高。因此如果希望在所有含水量情况下均保持较高的测量精度，可考虑将土壤含水量分成高、低两个区间，分别采用线性和二次模型建模。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (9)

1.一种基于相位检测的土壤水分、电导率测量仪，其特征在于，包括：

信号发生器，分别向环行器和延时器输出具有相同频率、幅度和初相位的高频正弦检测信号vt和参考信号vr；

环行器，通过同轴电缆和阻抗变换器向待测土壤内的传感器探头输出所述检测信号vt，分离出经传感器探头末端反射回来的反射信号vt并分别输出给相位检测器和检波器；

延时器，使所述信号发生器输出的参考信号vr的传输时间产生延时后输出给相位检测器；

相位检测器，将所述延时器输出的参考信号vr与所述环行器输出的反射信号vt之间的相位差转化为与之成比例的直流电压信号，输出给模数转换器；

检波器，对所述延时器输出的参考信号vr和所述环行器输出的反射信号vt进行整流，分别获取其电压幅值Vr和Vt并输出给模数转换器；

模数转换器，对所述相位检测器和检波器输出的信号进行模数转化并分别输出给传播时间计算器和反射系数计算器；

传播时间计算器，根据模数转换器输出的相位差值计算检测信号vt在所述传感器探头上的传播时间t；

反射系数计算器，根据模数转换器输出的电压幅值Vr和Vt计算信号反射系数ρ＝Vt/Vr；

水分计算器，根据所述传播时间t和预先标定的含水量标定公式计算得到待测土壤含水量θ；

电导率计算器，根据所述含水量θ、所述反射系数ρ以及预先标定的电导率标定公式计算得到待测土壤电导率σ。

2.如权利要求1所述的基于相位检测的土壤水分、电导率测量仪，其特征在于，所述延时器为延时电缆。

3.如权利要求1所述的基于相位检测的土壤水分、电导率测量仪，其特征在于，所述阻抗转换器为阻抗转换电路。

4.一种使用如权利要求1或2或3所述的测量仪测量土壤水分的方法，其特征在于，包括以下步骤：

生成具有相同频率、幅度和初相位的高频正弦检测信号vt和参考信号vr；

环行器通过同轴电缆和阻抗变换器将所述检测信号vt传送给待测土壤内的传感器探头，分离出经传感器探头末端反射回来的反射信号vt并输出；

使所述参考信号vr的传输时间延迟，延迟时间与检测信号vt在环行器、同轴电缆和阻抗变换器上的传输时间相等；

将所述延迟输出的参考信号vr与反射信号vt之间的相位差转化为与之成比例的直流电压信号，随后转化为数字信号；

根据所述数字信号中包含的相位差值计算检测信号vt在所述传感器探头上的传播时间t，并根据预先标定的表征所述传播时间t与土壤含水量θ之间函数关系的标定公式计算得到待测土壤含水量θ。

5.如权利要求4所述的测量土壤水分的方法，其特征在于，还包括，预先确定所述传播时间t与土壤含水量θ之间的函数关系。

6.如权利要求5所述的测量土壤水分的方法，其特征在于，所述传播时间t与土壤含水量θ之间的函数关系为：θ＝-3.1363t³+24.016t²-60.442t+50.15，其中，θ为容积含水量m³/m³，t为信号传播时间ns。

7.一种使用如权利要求1或2或3所述的测量仪测量土壤电导率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

生成具有相同频率、幅度和初相位的高频正弦检测信号vt和参考信号vr；

环行器通过同轴电缆和阻抗变换器将所述检测信号vt传送给待测土壤内的传感器探头，分离出经传感器探头末端反射回来的反射信号vt并输出；

使所述参考信号vr的传输时间延迟，延迟时间与检测信号vt在环行器、同轴电缆和阻抗变换器上的传输时间相等；

将所述延迟输出的参考信号vr与反射信号vt之间的相位差转化为与之成比例的直流电压信号，随后转化为数字信号；

根据所述数字信号中的相位差值计算检测信号vt在所述传感器探头上的传播时间t，并根据预先标定的表征所述传播时间t与土壤含水量θ之间函数关系的标定公式计算得到待测土壤含水量θ；

对所述延迟输出的参考信号vr和所述反射信号vt进行整流，分别获取其电压幅值Vr和Vt，并转化为数字信号；

根据所述数字信号中的电压幅值Vr和Vt计算信号在所述传感器探头上的反射系数ρ＝Vt/Vr，并根据预先标定的表征反射系数ρ、含水量θ与土壤电导率σ之间函数关系的标定公式计算得到待测土壤电导率σ。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：通过标定试验预先确定信号反射系数ρ、含水量θ与土壤电导率σ之间的函数关系。

9.如权利要求8所述的测量土壤电导率的方法，其特征在于，所述反射系数ρ、含水量θ与土壤电导率σ之间函数关系为：σ＝(1468θ²-531.76θ+75.474)(ρ-1)²。

Images