CN104198537A - 一种土壤含水率与电导率检测方法及检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土壤含水率与电导率检测方法及检测装置。检测方法包括：将两个土壤含水率检测电极***到被测土壤中；在上述两个土壤含水率检测电极之间***两个土壤电导率检测电极；对被测土壤交替循环施加两个不同频率的正弦激励信号；分别获取被测土壤在两个不同频率的正弦激励信号下的输出电压值，由输出电压值计算出被测土壤的电阻值与电容值，并根据电阻值与电容值求得土壤含水率；获取两个土壤电导率检测电极之间在任一频率的正弦激励信号下的电压值与电流值，并结合土壤含水率检测电极与土壤电导率检测电极之间的距离参数，求得土壤电导率。本发明适用于车载大面积快速检测土壤含水率与电导率，可大大提高检测效率，降低检测成本。

Description

一种土壤含水率与电导率检测方法及检测装置

技术领域

本发明涉及土壤含水率与电导率检测技术领域，具体涉及一种基于双频率交替激励的土壤含水率与电导率检测方法及检测装置。

背景技术

土壤含水率的检测方法已有很多，如采集土样称重的烘干称重法，既能得出土壤的质量含水率，又能得到土壤的体积含水率。依据水对中子能量具有较强衰减特性的中子衰减法。依据土壤含水率不同其电阻也不同的电阻法。依据水的介电常数(常温下一般为80左右)与土壤骨架介电常数(常温下一般为3～5之间)以及空气介电常数(近似等于1)具有较大差异性的土壤介电特性法，即土壤含水率的差异反映于土壤介电常数的不同，由此又发展出频域分解法、时域反射法、驻波率法、电容法等等方法以测量土壤介电常数，由测量的土壤介电常数推算出土壤含水率。这些方法各有其优缺点，适于用不同的应用场合。总之，事物总是矛盾对立的，简单的不可靠，可靠的不简单。

土壤电导率能不同程度地反映土壤中的盐分、水分、有机质含量、速效养分、土壤质地结构和孔隙率等参数的大小，是研究土壤不可或缺的重要参数。土壤电导率的检测方法分为非接触式和接触式两种。非接触式方法以加拿大Geonics limited公司生产的电磁感应大地电导率仪(EM38系列)为代表，不需要接触土壤就可进行测量，具有测量快速、高效、成本低的优点。但是受制于电磁感应的测量原理，仪器放置的相对位置、环境电磁场、甚至人体所附带的金属配件等都会对检测造成较大的误差。土壤电导率的接触式检测基于标准的电流-电压四端法原理，它克服了非接触式电磁感应测量的缺点，但是需要将检测电极***土壤中与土壤良好地接触。研究表明，土壤电导率的大小不但与土壤盐分有关，而且与土壤含水率有关。因此，在检测土壤电导率的同时检测出土壤含水率是十分必要的。

发明内容

本发明是针对现有技术的不足，提供一种基于双频率交替激励的土壤含水率与电导率检测方法及检测装置，以实现车载大面积快速检测土壤含水率与电导率。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种土壤含水率与电导率检测方法，该检测方法包括以下步骤：

(1)将两个土壤含水率检测电极***到被测土壤中。

(2)在上述两个土壤含水率检测电极之间***两个土壤电导率检测电极，且使两个土壤含水率检测电极与两个土壤电导率检测电极位于同一直线上。

(3)对被测土壤交替循环施加两个不同频率的正弦激励信号。

(4)分别获取被测土壤在两个不同频率的正弦激励信号下的输出电压值，由分别获取的被测土壤在两个不同频率的正弦激励信号下的输出电压值，结合输入电压值以及电路参数计算被测土壤的电阻值与电容值，并根据被测土壤的电阻值与电容值，求得土壤含水率。

(5)获取两个土壤电导率检测电极之间在任一频率的正弦激励信号下的电压值与电流值，并结合土壤含水率检测电极与土壤电导率检测电极之间的距离参数，求得土壤电导率。

本发明还涉及一种采用上述检测方法的土壤含水率与电导率检测方法的检测装置。该检测装置包括上位机、单片机、双频率正弦激励信号发生电路、土壤含水率检测控制电路、土壤含水率检测控制电路执行机构、土壤含水率检测电极、土壤含水率检测电路、土壤电导率检测电极、土壤电导率检测电路和A/D转换电路。

具体地说，所述的上位机与单片机交互连接。

所述的单片机，其输入输出端与含水率检测控制电路交互连接，其输出端与双频率正弦激励信号发生电路的输入端相连，其输入端与A/D转换电路的输出端相连。

所述的双频率正弦激励信号发生电路，其输出端通过土壤含水率检测控制电路执行机构与土壤含水率检测电极的输入端相连；所述的土壤含水率检测控制电路执行机构的输入端与土壤含水率检测控制电路的输出端相连。

所述的土壤含水率检测电极，其输出端与含水率检测电路的输入端相连；所述的土壤含水率检测电路，其输出端与A/D转换电路的输入端相连。

所述的土壤电导率检测电极与土壤电导率检测电路的输入端相连；所述的土壤电导率检测电路，其输出端与A/D转换电路的输入端相连。

进一步的，所述的土壤含水率检测电极、土壤电导率检测电极均为成对设置，且两个成对设置的土壤电导率检测电极位于两个成对设置的土壤含水率检测电极之间。

更进一步的，所述的双频率正弦激励信号发生电路包括相互独立的第一正弦激励信号源和第二正弦激励信号源，且第一正弦激励信号源和第二正弦激励信号源的频率不同。

本发明的有益效果为：

(1)本发明采用双频率正弦信号交替循环反复地对被测土壤进行激励，可同时得到被测土壤的电阻值与电容值。土壤的电阻值，在一定程度上反映了土壤的导电能力，其与土壤盐分、水分、有机质含量、速效养分、土壤质地结构和孔隙率等有关。土壤的电容值，在一定程度上反映土壤的体积含水量。

(2)本发明在检测土壤含水率的同时，采用电流-电压四端法检测土壤电导率。因为可以获得两个不同频率正弦激励信号下的土壤电导率，所以可以通过两个土壤电导率的差值大小，来不同程度地反映土壤中可溶性盐分的种类差异。

(3)本发明通过采用直接检测土壤电阻、电容、电导率的方式来获取土壤含水率、土壤电导率以及分析其它土壤特性，特别适用于车载大面积快速检测土壤含水率与电导率，可大大提高检测效率，降低检测成本。

附图说明

图1是本发明中土壤含水率与电导率检测装置的***框图；

图2是本发明中土壤含水率检测电极和土壤电导率检测电极分布示意图；

图3是本发明中土壤含水率检测方法的原理示意图；

图4是本发明中土壤电导率检测方法的原理示意图；

图5是本发明中土壤含水率与电导率检测装置的简化实施***框图。

其中：

1、上位机，2、单片机，3、土壤含水率检测控制电路，4、双频率正弦激励信号发生电路，5、土壤含水率检测控制电路执行机构、6、土壤含水率检测电路，7、土壤含水率检测电极，8、土壤电导率检测电极，9、土壤电导率检测电路，10、A/D转换电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

一种土壤含水率与电导率检测方法，该检测方法包括以下步骤：

(1)将两个土壤含水率检测电极***到被测土壤中。

(2)在上述两个土壤含水率检测电极之间***两个土壤电导率检测电极，且使两个土壤含水率检测电极与两个土壤电导率检测电极位于同一直线上。

(3)对被测土壤交替循环施加两个不同频率的正弦激励信号。

(4)分别获取被测土壤在两个不同频率的正弦激励信号下的输出电压值，由分别获取的被测土壤在两个不同频率的正弦激励信号下的输出电压值，结合输入电压值以及电路参数计算被测土壤的电阻值与电容值，并根据被测土壤的电阻值与电容值，求得土壤含水率。

(5)获取两个土壤电导率检测电极之间在任一频率的正弦激励信号下的电压值与电流值，并结合土壤含水率检测电极与土壤电导率检测电极之间的距离参数，求得土壤电导率。

进一步的，两个土壤含水率检测电极和两个土壤电导率检测电极均为可***土壤的金属电极。上述四个电极呈一条直线等距离分布，两个土壤含水率检测电极在两边，两个土壤电导率检测电极在中间。此外，在进行土壤含水率与电导率检测过程中，要将上述四个电极至少***土壤10㎝以上，并使其与土壤接触。

进一步的，所述的对被测土壤交替循环施加两个不同频率的正弦激励信号的具体过程为：设两个不同频率的正弦激励信号分别为ui1和ui2。首先，通过多次试验，确定交替施加两个不同频率的正弦激励信号的时间间隔t。然后，按照先t时间长度ui1、再t时间长度ui2，或者先t时间长度ui2、再t时间长度ui1循环对被测土壤施加正弦激励信号，直至检测结束。

如图1-图4所示，本发明还涉及一种采用上述检测方法的土壤含水率与电导率检测方法的检测装置。该检测装置包括上位机1、单片机2、双频率正弦激励信号发生电路4、土壤含水率检测控制电路3、土壤含水率检测控制电路执行机构5、土壤含水率检测电极7、土壤含水率检测电路6、土壤电导率检测电极8、土壤电导率检测电路9和A/D转换电路10。

具体地说，所述的上位机，用于与单片机进行通讯、控制单片机对土壤含水率与电导率检测数据进行采集与发送，并对单片机获取的检测数据进行处理、显示与存储。所述的单片机，用于控制双频率正弦激励信号发生电路和土壤含水率检测控制电路，并获取来自土壤含水率检测电路和土壤电导率检测电路经过A/D转换电路转换后的数据。所述的双频率正弦激励信号，用于产生两个不同频率的正弦激励信号，并通过土壤含水率检测电极施加于被测土壤、土壤含水率检测电路以及土壤电导率检测电极上。所述的土壤含水率检测电路，用于获取在两个不同频率的正弦激励信号下的输出信号。根据土壤含水率检测电路的检测数据，并结合两个不同频率的正弦激励信号、土壤含水率检测电路参数等可求得被测土壤的电阻与电容。所述的土壤电导率检测电路，用于检测不同频率的正弦激励信号下的、两个土壤电导率检测电极之间的电压。根据土壤电导率检测电路的检测数据，并结合电流值、两个土壤含水率检测电极、两个土壤电导率检测电极之间的距离参数，能够计算出土壤电导率的大小。

进一步的，所述的上位机1与单片机2交互连接。所述的单片机2，其输入输出端与土壤含水率检测控制电路3交互连接，并且其输出端与双频率正弦激励信号发生电路4的输入端相连、输入端与A/D转换电路10的输出端相连。所述的双频率正弦激励信号发生电路4，其输出端通过土壤含水率检测控制电路执行机构5与土壤含水率检测电极7的输入端相连；所述的土壤含水率检测控制电路执行机构5的输入端与土壤含水率检测控制电路3的输出端相连。所述的土壤含水率检测电极7，其输出端与含水率检测电路6的输入端相连；所述的土壤含水率检测电路6，其输出端与A/D转换电路10的输入端相连。所述的土壤电导率检测电极8与土壤电导率检测电路9的输入端相连；所述的土壤电导率检测电路9，其输出端与A/D转换电路10的输入端相连。

进一步的，所述的土壤含水率检测电极7、土壤电导率检测电极8均为成对设置，且两个成对设置的土壤电导率检测电极8位于两个成对设置的土壤含水率检测电极7之间。

更进一步的，所述的双频率正弦激励信号发生电路4包括相互独立的第一正弦激励信号源u_i1和第二正弦激励信号源u_i2，且第一正弦激励信号源u_i1和第二正弦激励信号源u_i2的频率不同。

所述的土壤含水率检测控制电路3为常用的功率驱动电路，其作用是将单片机2所输出的信号进行功率放大，以便有足够的功率驱动土壤含水率检测控制电路执行机构5，所述的土壤含水率检测控制电路执行机构5为常用的继电器。

所述的土壤含水率检测电路6为常用的高频滤波电路，目的是滤除干扰杂波，提高检测精度。

所述的土壤电导率检测电路9为常用的高频滤波电路，目的是滤除干扰杂波，提高检测精度。

本发明的工作原理为：

如图1～图2所示，上位机1控制单片机2对土壤含水率与电导率检测数据进行采集与发送。上位机1接收单片机2的检测数据并对检测数据进行处理、存储和显示。单片机2发送控制信号，控制双频率正弦激励信号发生电路4和土壤含水率检测控制电路3工作。双频率正弦激励信号发生电路4产生的双频率正弦激励信号通过土壤含水率检测控制电路执行机构5的选通后再通过一对间隔一定距离的土壤含水率检测电极7施加于被测土壤中以及土壤含水率检测电路6上。土壤含水率检测电路6获取的信号经过A/D转换电路10转换后被单片机2采集。通过土壤含水率检测电极7施加于被测土壤中的双频率正弦激励信号，在一对间隔一定距离的土壤电导率检测电极8上产生相应的电压信号。该电压信号被土壤电导率检测电路9检测到并经A/D转换电路10转换后被单片机2进行采集。

图3为土壤含水率检测方法的原理示意图，其中第一正弦激励信号源ui1的幅值为Ui1，角频率为ω1,内阻为r1。第二正弦激励信号源ui2的幅值为Ui2，角频率为ω2,内阻为r2。被测土壤的电容为Cx，被测土壤的电阻为Rx。R为负载取样电阻，U0为负载取样电阻R上的输出电压。如图3所示，在土壤含水率检测控制电路3的控制下，土壤含水率检测控制电路执行机构5使得开关K与a端闭合、与b端断开。此时设电阻R两端的输出电压为u_o1，那么

$u_{\mathrm{ol}}=\frac{u_{\mathrm{il}}}{X_1+R+r_1}\·R$

则

$X_1=\frac{u_{i1}\·R}{u_{\mathrm{ol}}}-(R+r_1)...\left(1\right)$

式(1)中X₁为在正弦激励信号u_i1激励下被测土壤的电抗。

经过时间间隔t后，在土壤含水率检测控制电路3的控制之下，土壤含水率检测控制电路执行机构5使得开关K与a端断开、与b端闭合，此时设电阻R两端的输出电压为u_o2，那么

$u_{o2}=\frac{u_{i2}}{X_2+R+r_2}\·R$

则

$X_2=\frac{u_{i2}\·R}{u_{o2}}-(R+r_2)...\left(2\right)$

式(2)中X₂为在正弦激励信号u_i2激励下被测土壤的电抗。

又因为：

$X_1=\frac{\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_1\·c_x}}{1+\frac{1}{R_x\·{\mathrm{\ω}}_1\·c_x}}...\left(3\right)$

$X_2=\frac{\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_2\·c_x}}{1+\frac{1}{R_x\·{\mathrm{\ω}}_2\·c_x}}...\left(4\right)$

由式(3)和(4)得到

$c_x=\frac{\frac{1}{X_2}-\frac{1}{X_1}}{{\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_1}...\left(5\right)$

$R_x=\frac{{\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_1}{\frac{{\mathrm{\ω}}_2}{X_1}-\frac{{\mathrm{\ω}}_1}{X_2}}...\left(6\right)$

将式(1)、(2)分别代入式(5)、(6)就得到

$c_x=\frac{\frac{1}{\frac{u_{i2}R}{u_{02}}-(R+r_2)}-\frac{1}{\frac{u_{i1}R}{u_{01}}-(R+r_1)}}{{\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_1}---\left(7\right)$

$R_x=\frac{{\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_1}{\frac{{\mathrm{\ω}}_2}{\frac{u_{i1}R}{u_{01}}-(R+r_1)}-\frac{{\mathrm{\ω}}_1}{\frac{u_{i2}R}{u_{02}}-(R+r_2)}}---\left(8\right)$

由c_x可得相对介电常数ε_r：

ε_r＝Cx/k          (9)

(9)式中k是与一对土壤含水率检测电极6结构参数以及两电极之间的距离有关的常数。

土壤含水率与相对介电常数ε_r之间的关系可采用Topp公式计算：

θ_V(ε_r)＝-5.3+2.92ε_r-0.055ε_r ²+0.00043ε_r ³      (10)

式(10)中，θV(ε_r)为与土壤相对介电常数ε_r相关的土壤含水率，单位(V/V)％。

土壤含水率也与土壤电阻之间存在定量关系，其关系可表示为：

${\mathrm{\θ}}_V\left(\mathrm{Rac}\right)=k_1/\sqrt{\mathrm{Rac}}+k_2---\left(11\right)$

式(11)中，θ_V(R_ac)为与土壤电阻R_ac相关的土壤含水率，单位(V/V)％；R_ac为土壤电阻值，k₁和k₂为与检测机构结构参数、土壤类型等有关的常数。

兼容土壤电阻和电容检测数据可得到土壤含水率的综合模型为：

θ_V＝αθ_V(ε_r)+βθ_V(R_ac)      (12)

式(12)中，θ_V为土壤含水率，α、β为常数且α+β＝1。

图4为土壤电导率检测方法的原理示意图。其中，P为土壤含水率检测电极且为土壤电导率检测激励信号施加电极之一；Q为土壤含水率检测电极且为土壤电导率检测激励信号施加电极之二；M为土壤电导率检测电极之一；N为土壤电导率检测电极之二。如图4所示，分别在同一直线上设置四个电极P、Q、M和N。间隔一定距离的电极P和电极Q作为土壤含水率检测电极7。电极P经土壤含水率检测控制电路执行机构5和激励信号源的一端相连，电极Q与负载取样电阻R的一端相连，负载取样电阻R的另一端与激励信号源的另一端相连，从而构成电流回路。回路电流i可由负载取样电阻R两端的电压U₀除以电阻R得到。间隔一定距离的电极M和电极N，位于电极P与电极Q之间。通过土壤电导率检测电路9对电极M和电极N之间的电压进行检测，则被测土壤的电导率σ为：

σ＝{[(1/d_PM-1/d_PN)+(1/d_QN-1/d_QM)]/(2π)}×i/V_MN       (13)

式(13)中，d_PM为电极P到电极M之间的距离，d_PN为电极P到电极N之间的距离，d_QN为电极Q到电极N之间的距离，d_QM为电极Q到电极M之间的距离，V_MN为电极M与电极N之间的电压，i为回路电流，且i＝Uo/R。

图5为本发明中土壤含水率与电导率检测装置的简化实施***框图。与前述实施方式不同的是：本实施例中没有土壤含水率检测控制电路3和土壤含水率检测控制电路执行机构5，直接由单片机2发送一个指令给双频率正弦激励信号发生电路4，使其产生角频率为ω1的正弦激励信号ui1，施加于土壤含水率检测电极7，同时单片机2采集来自A/D转换电路10的检测数据，并对数据作标记，延时时间t以后，单片机2中断前一指令，再发送一个指令给双频率正弦激励信号发生电路4，使其产生角频率为ω2的正弦激励信号ui2，施加于土壤含水率检测电极7，同时单片机2采集来自A/D转换电路10的检测数据，并对数据作不同的标记，再延时时间t后，重复上述过程，即可得到土壤含水率与电导率的源源不断地实时检测数据。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种土壤含水率与电导率检测方法，其特征在于：该检测方法包括以下步骤：

（1）将两个土壤含水率检测电极***到被测土壤中；

（2）在上述两个土壤含水率检测电极之间***两个土壤电导率检测电极，且使两个土壤含水率检测电极与两个土壤电导率检测电极位于同一直线上；

（3）对被测土壤交替循环施加两个不同频率的正弦激励信号；

（4）分别获取被测土壤在两个不同频率的正弦激励信号下的输出电压值，由分别获取的被测土壤在两个不同频率的正弦激励信号下的输出电压值，结合输入电压值以及电路参数计算被测土壤的电阻值与电容值，并根据被测土壤的电阻值与电容值，求得土壤含水率；

（5）获取两个土壤电导率检测电极之间在任一频率的正弦激励信号下的电压值与电流值，并结合土壤含水率检测电极与土壤电导率检测电极之间的距离参数，求得土壤电导率。

2.根据权利要求1所述的一种土壤含水率与电导率检测方法的检测装置，其特征在于：包括上位机（1）、单片机（2）、双频率正弦激励信号发生电路（4）、土壤含水率检测控制电路（3）、土壤含水率检测控制电路执行机构（5）、土壤含水率检测电极（7）、土壤含水率检测电路（6）、土壤电导率检测电极（8）、土壤电导率检测电路（9）和A/D转换电路（10）；

所述的上位机（1）与单片机（2）交互连接；

所述的单片机（2），其输入输出端与土壤含水率检测控制电路（3）交互连接，其输出端与双频率正弦激励信号发生电路（4）的输入端相连，其输入端与A/D转换电路（10）的输出端相连；

所述的双频率正弦激励信号发生电路（4），其输出端通过土壤含水率检测控制电路执行机构（5）与土壤含水率检测电极（7）的输入端相连；所述的土壤含水率检测控制电路执行机构（5）的输入端与土壤含水率检测控制电路（3）的输出端相连；

所述的土壤含水率检测电极（7），其输出端与土壤含水率检测电路（6）的输入端相连；所述的土壤含水率检测电路（6），其输出端与A/D转换电路（10）的输入端相连；

所述的土壤电导率检测电极（8）与土壤电导率检测电路（9）的输入端相连；所述的土壤电导率检测电路（9），其输出端与A/D转换电路（10）的输入端相连。