馮 磊 楊衛(wèi)中 石慶蘭 董喬雪 徐 云 高紅菊

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院， 北京 100083)

基于時(shí)域傳輸原理的土壤水分測(cè)試儀研究

馮 磊 楊衛(wèi)中 石慶蘭 董喬雪 徐 云 高紅菊

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院， 北京 100083)

為利用時(shí)域測(cè)量技術(shù)實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確地測(cè)量土壤水分，設(shè)計(jì)了一種低成本的基于時(shí)域傳輸(TDT)原理的土壤水分測(cè)試儀。儀器的探頭采用末端封閉的回路結(jié)構(gòu)，信號(hào)在探頭上單程傳輸，通過測(cè)量電磁波在土壤介質(zhì)中的傳輸時(shí)間測(cè)量出土壤的介電常數(shù)，再通過土壤標(biāo)定方程得到土壤水分。時(shí)域傳輸儀由高頻脈沖信號(hào)源、同軸傳輸線、U型回路結(jié)構(gòu)探頭、以TDC-GP2時(shí)間間隔測(cè)量芯片為核心的傳輸時(shí)間測(cè)量電路和以LPC2132 ARM微控制器為核心的控制電路組成。通過標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)試和土壤測(cè)試試驗(yàn)，驗(yàn)證了雙U型探頭的測(cè)量結(jié)果好于單U型探頭，儀器使用雙U型探頭測(cè)量傳輸時(shí)間的均方根誤差為43.9 ps，測(cè)量介電常數(shù)的均方根誤差為0.791，使用TOPP方程測(cè)量砂土土壤含水率的均方根誤差為0.029 cm3/cm3，測(cè)量壤土土壤含水率的均方根誤差為0.039 cm3/cm3。結(jié)果表明設(shè)計(jì)的時(shí)域傳輸土壤水分測(cè)試儀可以準(zhǔn)確地測(cè)量土壤介電常數(shù)和土壤體積含水率。

土壤水分; 時(shí)域傳輸; 時(shí)間差測(cè)量; 介電常數(shù)

引言

隨著農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的推廣和應(yīng)用，在生產(chǎn)和科研活動(dòng)中越來越需要實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)土壤水分，以確保農(nóng)作物適時(shí)、適量的灌溉，或者作為區(qū)域調(diào)水、配水和制定灌溉計(jì)劃的參考依據(jù)。土壤水分測(cè)定方法多達(dá)幾十種，傳統(tǒng)的測(cè)量方法有干燥法和張力計(jì)法，利用儀器測(cè)量主要有射線法和介電法兩大類。介電法是目前應(yīng)用最為廣泛的土壤水分測(cè)量方法。根據(jù)測(cè)量原理和實(shí)現(xiàn)途徑的不同，介電法又可分為時(shí)域反射法(TDR)、時(shí)域傳輸法(TDT)、相域反射法(PDR)、頻域反射法(FDR)、駐波率法(SWR)、探地雷達(dá)法(GPR)和微波吸收法等。其中，時(shí)域反射(Time domain reflectrometry，TDR)法[1-3]，是根據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳輸速度與介質(zhì)的介電特性有關(guān)的原理，通過測(cè)量電磁波在土壤介質(zhì)中傳播的時(shí)間來確定土壤介電常數(shù)。時(shí)域反射(TDR)技術(shù)是目前土壤水分測(cè)量中實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、快速性最高的儀器。但其技術(shù)難度大、成本高，限制了在國內(nèi)的發(fā)展和應(yīng)用。

時(shí)域傳輸(Time domain transmissometry，TDT)法[4-10]工作原理與TDR相似，同屬于時(shí)域測(cè)量技術(shù)，同樣是通過測(cè)量電磁波在土壤介質(zhì)中傳播的時(shí)間來測(cè)量土壤介電常數(shù)，不同的是TDR探頭末端是開路的，在信號(hào)的發(fā)射端有一個(gè)采樣點(diǎn)，測(cè)量的是電磁波在土壤探頭上雙程的傳播時(shí)間，而TDT的探頭是封閉的回路結(jié)構(gòu)，在探頭的兩端各有一個(gè)信號(hào)采樣點(diǎn)，測(cè)量的是單程傳播時(shí)間。目前典型的TDT儀器主要有：加拿大E.S.I公司研制的Terra. Point水分測(cè)試儀[11]和Gro. Point TDT水分傳感器[12]，美國Acclima公司開發(fā)生產(chǎn)的數(shù)字TDT濕度傳感器[13]，以及新西蘭生產(chǎn)的AquaFlex TDT帶狀水分測(cè)定儀[14]。國內(nèi)尚無此類產(chǎn)品。

TDT的優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間測(cè)量電路相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)備成本低，測(cè)量精度和技術(shù)性能與TDR相當(dāng)。缺點(diǎn)是由于工作原理的要求，探頭無法制成末端開路的針式結(jié)構(gòu)，因此使用時(shí)必須埋入土壤中，做固定監(jiān)測(cè)使用，而且埋入時(shí)對(duì)土壤擾動(dòng)較大，破壞原狀土壤結(jié)構(gòu)。但其仍有很高的應(yīng)用和研究?jī)r(jià)值，本文設(shè)計(jì)基于時(shí)域傳輸原理的土壤水分測(cè)試儀樣機(jī)，分析TDT的測(cè)量原理和電路實(shí)現(xiàn)方法，并對(duì)技術(shù)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 測(cè)量原理

從電磁角度看，在常溫常壓下自由水的介電常數(shù)約為80，土壤固體顆粒為3～7，空氣為1。許多試驗(yàn)表明，無論土壤的構(gòu)成成分與質(zhì)地有何差異，土壤介電常數(shù)與容積含水率總是呈非線性單值函數(shù)關(guān)系，這個(gè)函數(shù)關(guān)系一般通過土壤標(biāo)定方程θv=f(εr)來表示。因此，土壤水分可以通過測(cè)定土壤介電常數(shù)來間接確定。目前最通用的θv-εr模型是由TOPP等[15]通過試驗(yàn)測(cè)定多種土壤得到的經(jīng)驗(yàn)公式，稱為TOPP方程

θv=-5.3×10-2+2.92×10-2εr-

(1)

式中θv——土壤體積含水率εr——土壤表觀介電常數(shù)

TDT土壤水分測(cè)試儀由階躍信號(hào)發(fā)生器、傳輸線、探頭、時(shí)間差測(cè)量電路和信號(hào)處理與控制電路等組成，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 TDT土壤水分測(cè)試儀系統(tǒng)原理框圖Fig.1 System schematic of TDT soil moisture meter

系統(tǒng)工作原理是：由脈沖信號(hào)發(fā)生器(信號(hào)源)產(chǎn)生快速沿方波信號(hào)，該信號(hào)沿傳輸線和傳感器探頭進(jìn)行傳輸，當(dāng)?shù)竭_(dá)探頭末端時(shí)，信號(hào)沿U型探頭和傳輸線返回接收端。由時(shí)間差測(cè)量單元來測(cè)量發(fā)射波與回波的時(shí)間差，即信號(hào)沿傳感器探頭傳輸?shù)臅r(shí)間Δt。

由于土壤的表觀介電常數(shù)εr可以確定為

(2)

式中c0——電磁波在真空中的傳播速度L——U型探頭的長(zhǎng)度

因此信號(hào)處理控制單元可以根據(jù)式(2)計(jì)算出土壤的表觀介電常數(shù)εr，再由土壤標(biāo)定方程求出土壤水分θv。

對(duì)于TDT測(cè)量方法而言，測(cè)量的是信號(hào)沿著傳輸網(wǎng)絡(luò)單程傳輸?shù)臅r(shí)間，信號(hào)的上升沿受反射信號(hào)干擾較小，波形本身的分辨率較高，無需通過取樣示波器記錄波形，也不需要經(jīng)過特別的算法處理，可以用較為簡(jiǎn)單的時(shí)間測(cè)量電路來實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸時(shí)間的測(cè)量，因此大大降低了對(duì)時(shí)間測(cè)量電路的技術(shù)要求和硬件成本。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的TDT土壤水分測(cè)試儀由脈沖發(fā)生器、傳輸網(wǎng)絡(luò)、探頭、時(shí)間差測(cè)量電路和控制電路組成，組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 TDT典型電路組成框圖Fig.2 Typical circuit schematic of TDT

脈沖發(fā)生器是TDT系統(tǒng)的信號(hào)源，它產(chǎn)生TDT系統(tǒng)的測(cè)試信號(hào)；傳輸網(wǎng)絡(luò)是同軸傳輸線，將探頭與信號(hào)源及時(shí)間差測(cè)量電路(TDC)連接起來；TDC通過2個(gè)觸發(fā)信號(hào)端分別接收通過探頭前后的測(cè)試信號(hào)，進(jìn)行時(shí)間差測(cè)量；控制電路負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分的工作時(shí)序、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及控制系統(tǒng)外設(shè)。

2.2 信號(hào)源

信號(hào)源產(chǎn)生的TDT系統(tǒng)測(cè)試信號(hào)為高頻脈沖信號(hào)。從頻域分析的角度看，測(cè)試信號(hào)是由各種頻率成分疊加而成的，其最低頻率分量fmin由脈沖信號(hào)的寬度(周期)決定，而最高頻率分量fmax是由脈沖的上升時(shí)間tr決定的。tr是指信號(hào)的幅度由穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%所經(jīng)歷的時(shí)間，最高頻率fmax的計(jì)算式為[16]

(3)

或可近似地簡(jiǎn)化為

(4)

由于當(dāng)電磁波頻率在100 MHz～1 GHz時(shí)，土壤中水分的影響占主導(dǎo)地位，受電導(dǎo)率的影響較小[15]，同時(shí)在這個(gè)頻段頻率越高土壤類型影響越小，因此選擇帶寬fmax為1 GHz的脈沖信號(hào)。根據(jù)式(4)可以得出帶寬為1 GHz的脈沖信號(hào)上升時(shí)間約為350 ps。因此根據(jù)系統(tǒng)要求，信號(hào)源由脈沖發(fā)生器、放大器和以階躍恢復(fù)二極管為核心的快速沿整形電路組成，如圖3所示。經(jīng)驅(qū)動(dòng)和整形后的脈沖信號(hào)上升時(shí)間(10%～90%)實(shí)測(cè)為324.7 ps。

圖3 信號(hào)源的組成結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Schematic of signal source

TDT土壤水分測(cè)試儀的高速脈沖信號(hào)是從信號(hào)源經(jīng)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)酵寥捞筋^，再經(jīng)土壤探頭傳輸后，返回到接收端，故在傳輸路徑上除土壤探頭兩端以外的各連接點(diǎn)阻抗應(yīng)做到匹配，使信號(hào)的反射減少到最低程度，從而得到分辨率高的傳輸波形，以便滿足時(shí)間差測(cè)量電路的測(cè)量要求。

2.3 探頭

根據(jù)TDT土壤水分測(cè)試儀的工作原理，TDT的探頭實(shí)際上是信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)上一段不規(guī)則的傳輸線，其周圍的介質(zhì)是土壤。不同于末端開路的TDR探頭，在TDT探頭上信號(hào)沿著探頭單程傳播，用于傳輸TEM波的傳輸線是雙導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的傳輸線，這類傳輸線主要有平行雙導(dǎo)線、同軸線、帶狀線和微帶線等。根據(jù)探頭的要求和工作特點(diǎn)，選擇平行雙導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出如圖4所示的2種探頭，它們都可看作在空間上不規(guī)則的雙線傳輸線結(jié)構(gòu)。P-U35型探頭和P-U30型探頭結(jié)構(gòu)類似，都是U型結(jié)構(gòu)。P-U35型探頭如圖4a所示，是雙U型結(jié)構(gòu)，導(dǎo)體材料為不銹鋼，直徑d為4 mm，內(nèi)圈與外圈的間距D為15 mm，外圈導(dǎo)體長(zhǎng)度L為350 mm，外圈與同軸傳輸線的內(nèi)導(dǎo)體連接，內(nèi)圈接同軸傳輸線的外導(dǎo)體(即屏蔽層)，與信號(hào)地連接，信號(hào)沿著如圖所示的方向傳輸。P-U30型探頭如圖4b所示，是單U型結(jié)構(gòu)，與P-U35型探頭不同的是中間接地的波導(dǎo)是一根直棒，因此信號(hào)在傳輸過程中發(fā)射信號(hào)和返回信號(hào)共地，波導(dǎo)材料為不銹鋼，直徑d為4 mm，外圈導(dǎo)體與中間導(dǎo)體的間距D為20 mm，外圈導(dǎo)體長(zhǎng)度L為300 mm。探頭的固定支座是PVC材料。

圖4 P-U35型和P-U30型探頭結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structures of P-U35 and P-U30 probes

TDT土壤水分測(cè)試儀的U型探頭可以看作一段傳輸線，其周圍填充的是介電常數(shù)為εr的土壤介質(zhì)，P-U30型和P-U35型2種探頭雖然空間的幾何結(jié)構(gòu)不同，但其本質(zhì)上都是平行雙導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，其等效電路模型為平行雙導(dǎo)線傳輸線，其特征阻抗為

(5)

U型探頭確保了信號(hào)可以返回接收端，從而大大降低了信號(hào)傳輸時(shí)間的測(cè)量難度，但由于結(jié)構(gòu)的限制無法直接插入土壤中，只能埋入土壤中做固定監(jiān)測(cè)用。

2.4 時(shí)間測(cè)量

對(duì)于長(zhǎng)度為30 cm的U型土壤探頭，在空氣中和純水中2個(gè)極端情況下，傳輸時(shí)間分別為1 ns和9 ns，而普通數(shù)字電路的響應(yīng)時(shí)間都是納秒級(jí)的，因此常規(guī)的方法根本無法實(shí)現(xiàn)僅幾納秒的超短時(shí)間測(cè)量。本系統(tǒng)中時(shí)間差測(cè)量的核心部件采用的是德國ACAM公司繼TDC-GP1之后新推出的高精度時(shí)間間隔測(cè)量芯片TDC-GP2[17]，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)納秒級(jí)時(shí)間間隔的測(cè)量，分辨率可達(dá)50 ps。

由控制電路初始化TDC，對(duì)其工作方式、測(cè)量范圍、參考時(shí)鐘、校準(zhǔn)方式、觸發(fā)方式和次數(shù)等進(jìn)行配置，對(duì)TDC進(jìn)行復(fù)位等待接收觸發(fā)信號(hào)，微控制器產(chǎn)生Start起始信號(hào)，同時(shí)控制信號(hào)源產(chǎn)生高速脈沖，信號(hào)源發(fā)出的脈沖作為Stop1信號(hào)，脈沖在發(fā)送傳輸網(wǎng)絡(luò)、探頭和返回傳輸網(wǎng)絡(luò)上傳輸最終達(dá)到負(fù)載端，負(fù)載端接收到的脈沖作為Stop2信號(hào)，由TDC測(cè)量Stop2信號(hào)和Stop1信號(hào)之間的時(shí)間差，并由TDC進(jìn)行校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)處理，最終由控制電路讀取測(cè)量結(jié)果。

2.5 控制電路

控制電路以NXP公司的LPC2132 ARM微控制器[18]為核心構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)，包括微控制器、復(fù)位電路、振蕩電路、USB通信接口、E2PROM存儲(chǔ)器、狀態(tài)指示電路、鍵盤控制電路、LCD顯示模塊、電源控制電路、NiMH電池以及充電電路等模塊，其組成結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 TDT土壤水分測(cè)試儀控制電路結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Control circuit schematic of TDT soil moisture meter

控制電路控制信號(hào)源產(chǎn)生高速脈沖，控制時(shí)間差測(cè)量電路并讀取信息，實(shí)現(xiàn)土壤介電常數(shù)和容積含水量的計(jì)算、顯示和存儲(chǔ)，通過USB通信接口與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，充電電路可對(duì)內(nèi)置充電電池進(jìn)行電量檢測(cè)和智能快速充電。

3 試驗(yàn)

3.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)試

TDT土壤水分測(cè)試儀直接測(cè)量的參數(shù)是電磁波在埋于土壤中的探頭上傳輸?shù)臅r(shí)間Δt，傳輸時(shí)間與土壤介電常數(shù)εr有式(1)所表示的確定關(guān)系，因此如果時(shí)間測(cè)量得準(zhǔn)確，即可準(zhǔn)確地得到土壤的介電常數(shù)值。土壤體積含水率θv再由土壤標(biāo)定方程計(jì)算得到。

因此土壤水分的測(cè)量精度與土壤介電常數(shù)εr的測(cè)量精度及土壤的標(biāo)定模型有關(guān)，而土壤是一種非常復(fù)雜的介質(zhì)，土壤水分與介電常數(shù)之間的關(guān)系受到土壤類型、容重、電導(dǎo)率等多個(gè)因素的影響，在測(cè)量時(shí)又會(huì)因試驗(yàn)方案、操作方法、土壤變異性各種因素的影響而帶來隨機(jī)誤差。因此首先設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)溶液試驗(yàn)，測(cè)試TDT土壤水分測(cè)試儀測(cè)量傳輸時(shí)間和介電常數(shù)的準(zhǔn)確性。即用TDT土壤水分測(cè)試儀對(duì)一組介電常數(shù)已知的化學(xué)有機(jī)溶液進(jìn)行測(cè)試，將其測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較[19]。

3.1.1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

試驗(yàn)材料有空氣、去離子水和9種有機(jī)溶液，如表1所示，表中列出的是20℃時(shí)介質(zhì)介電常數(shù)的理論值，其中乙醇-水混合溶液分別按2∶1、1∶1和1∶3的比例混合而成，其介電常數(shù)根據(jù)2種液體配比的權(quán)重按線性關(guān)系計(jì)算得到。

表1 空氣、水、有機(jī)溶液的介電常數(shù)(20℃)Tab.1 Permittivities of air, water and organic solution(20℃)

試驗(yàn)設(shè)備有TDT土壤水分測(cè)試儀、Agilent公司的Infiniium54853A型高頻采樣數(shù)字示波器(帶寬1.5 GHz)和10個(gè)容積為2 000 mL的量筒。

3.1.2 試驗(yàn)方法

標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)溶液測(cè)試的試驗(yàn)裝置如圖6所示。用2 000 mL的量筒分別量取1 200 mL表1中所列的溶液，用TDT土壤水分測(cè)試儀分別連接P-U30型和P-U35型探頭對(duì)每種介質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量信號(hào)在探頭的傳輸時(shí)間并計(jì)算出介質(zhì)的介電常數(shù)。表1中給出的有機(jī)溶劑的介電常數(shù)值為參考值，信號(hào)在探頭的傳輸時(shí)間由高頻數(shù)字示波器測(cè)量，測(cè)量結(jié)果作為傳輸時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)值。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)試的試驗(yàn)裝置和所用的儀表與探頭Fig.6 Experiment device for organic solution testing and TDT meter with probe

3.1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖7a、7b是TDT土壤水分測(cè)試儀分別對(duì)P-U30型探頭和P-U35型探頭在有機(jī)溶液中信號(hào)傳輸時(shí)間的測(cè)量結(jié)果，從圖中可以看到，TDT土壤水分測(cè)試儀測(cè)量的傳輸時(shí)間與示波器觀測(cè)到的時(shí)間偏差非常小，使用P-U30型探頭和P-U35型探頭時(shí)測(cè)量的均方根誤差(RSME)僅為53.8 ps和43.9 ps。

圖7 TDT土壤水分測(cè)試儀對(duì)有機(jī)溶液中信號(hào)傳輸 時(shí)間的測(cè)試結(jié)果Fig.7 Measurement results of signal transmission time along probe in organic solution by TDT soil moisture meter

圖8a、8b分別是TDT土壤水分測(cè)試儀用P-U30型探頭和P-U35型探頭測(cè)量的結(jié)果和有機(jī)溶液介電常數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值的對(duì)比。從對(duì)比結(jié)果可以看出，測(cè)量值與1∶1線非常接近，使用P-U30型探頭測(cè)量的RSME為1.624，使用P-U35型探頭測(cè)量的RSME為0.791，說明使用2種U型探頭可以準(zhǔn)確地直接測(cè)量出探頭周圍介質(zhì)的介電常數(shù)。

圖8 TDT土壤水分測(cè)試儀對(duì)有機(jī)溶液介電常數(shù) 的測(cè)量結(jié)果Fig.8 Measurement results of organic solution permittivity by TDT soil moisture meter

3.2 土壤水分準(zhǔn)確度測(cè)試

準(zhǔn)確度是表征測(cè)量?jī)x器品質(zhì)和特性的最主要的性能指標(biāo)。土壤的理化性質(zhì)非常復(fù)雜，很多因素都會(huì)影響測(cè)量的結(jié)果，在田間實(shí)際測(cè)量時(shí)，土壤的空間變異性也會(huì)帶來許多不確定因素，因此準(zhǔn)確度試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的，測(cè)試的對(duì)象是制備好的土壤標(biāo)準(zhǔn)試樣，制備方法采用的是滲水法[20]。

3.2.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

砂土：砂粒含量為99.33%，粉粒含量為0.67%，粘粒含量為0，電導(dǎo)率為0.06 dS/m；壤土：砂粒含量為51.4%，粉粒含量為42%，粘粒含量為6.6%，電導(dǎo)率為0.15 dS/m。

試驗(yàn)設(shè)備有TDT土壤水分測(cè)試儀、孔徑為3 mm和1 mm的土壤篩、規(guī)格為Φ90 mm×250 mm的有機(jī)玻璃圓桶(有效容積為1 500 mL)、不銹鋼托盤、100 mL的量筒、TC10KB型電子秤(量程10 kg，精度0.1 g)以及恒溫干燥箱。

3.2.2 試驗(yàn)方法

首先將采集到的土壤預(yù)處理，在陰涼通風(fēng)處風(fēng)干，用孔徑3 mm的土壤篩過篩1遍，然后再用孔徑1 mm的土壤篩過篩1遍。將篩好的土壤平鋪于不銹鋼托盤上在105℃的干燥箱中干燥24 h后，冷卻至室溫(20℃)。將干燥后的土樣裝入有機(jī)玻璃圓桶中，同時(shí)將TDT傳感器探頭埋入土柱中并壓實(shí)，確保土柱的體積V0為1 500 mL，用電子秤稱量裝入有機(jī)玻璃土柱中的干土質(zhì)量為WS。然后用量筒量取50 mL的水加入土柱中，放置30 min左右，待土柱表面無自由水，充分滲入土壤后，用電子秤稱量土柱中濕土質(zhì)量W，同時(shí)用TDT土壤水分測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量，記錄測(cè)量結(jié)果。測(cè)量裝置如圖9所示。重復(fù)以上步驟逐次加水至土柱中，直到土壤飽和為止。

圖9 滲水稱量法土壤測(cè)試試驗(yàn)裝置Fig.9 Experiment device for soil testing by percolation gravimetric method

按照以上方法分別用P-U30型和P-U35型探頭進(jìn)行試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)結(jié)果。以上試驗(yàn)土壤的干容重為

(6)

TDT土壤水分測(cè)試儀的測(cè)量敏感區(qū)主要集中在沿探頭方向Φ90 mm×200 mm的圓柱體積范圍內(nèi)，測(cè)量的是土壤平均體積含水率，水分分布不均勻?qū)y(cè)量結(jié)果影響不大。因此加水后土壤實(shí)際體積含水率可表示為

(7)

由式(7)計(jì)算出土壤體積含水率作為標(biāo)準(zhǔn)值，TDT土壤水分測(cè)試儀測(cè)量的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖10a、10b分別是使用P-U30型和P-U35型探頭對(duì)砂土和壤土測(cè)試結(jié)果與稱量法測(cè)量結(jié)果的對(duì)比。TDT土壤水分測(cè)試儀測(cè)量的讀數(shù)均是在未對(duì)壤土進(jìn)行特殊標(biāo)定情況下，用式(1)所示的TOPP方程測(cè)量出的結(jié)果。

從圖10可以看出對(duì)2種類型的土壤進(jìn)行測(cè)量時(shí)，測(cè)量較干的土壤結(jié)果偏低，在水分接近飽和時(shí)測(cè)量結(jié)果偏高，2種探頭測(cè)量結(jié)果趨勢(shì)相同。

表2是使用2種探頭在2種不同類型的土壤中測(cè)量時(shí)，最大誤差和均方根誤差的比較。從表中可以看出TDT土壤水分測(cè)試儀對(duì)砂土的測(cè)量準(zhǔn)確度較高，對(duì)壤土測(cè)量的偏差較大；使用P-U35型探頭的測(cè)量準(zhǔn)確度高于P-U30型探頭。使用P-U35型探頭測(cè)量砂土的均方根誤差僅為0.029 cm3/cm3，有較高的測(cè)量精度。

表2 TDT土壤水分測(cè)試儀土壤測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Measurement results of soil testing by TDT soil moisture meter cm3/cm3

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)的基于時(shí)域傳輸原理的TDT土壤水分測(cè)試儀，能夠通過測(cè)量高頻電磁波在土壤中單程的傳輸速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤水分的測(cè)量。

(2)通過對(duì)有機(jī)溶液的測(cè)試，驗(yàn)證了TDT土壤水分測(cè)試儀能夠準(zhǔn)確測(cè)量信號(hào)在探頭波導(dǎo)上傳播的時(shí)間，從而準(zhǔn)確地測(cè)量介質(zhì)的介電常數(shù)。

(3)對(duì)砂土和粘壤土的測(cè)試試驗(yàn)表明，TDT土壤水分測(cè)試儀在不進(jìn)行特殊標(biāo)定的情況下，使用TOPP方程可以準(zhǔn)確測(cè)量砂土和壤土的土壤含水率。使用P-U35型探頭測(cè)量的結(jié)果優(yōu)于P-U30型探頭。

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Soil Moisture Meter Based on Time Domain Transmission Principle

FENG Lei YANG Weizhong SHI Qinglan DONG Qiaoxue XU Yun GAO Hongju

(CollegeofInformationandElectricalEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)

In order to measure the soil moisture in real time, quickly and accurately by using time domain measurement technique, a low cost soil moisture measuring meter was designed based on time domain transmission (TDT) principle. The probe of TDT meter adopted structure of closed loop, so that the signal was transmitted on the probe in one way. The permittivity of soil was measured by measuring the transmission time of electromagnetic wave in soil medium, and the soil moisture was obtained through soil calibration equation. TDT meter was composed of a high frequency pulse signal source, a coaxial transmission line, a probe in U-shaped loop structure, a transmission time measuring circuit using TDC-GP2 time interval measurement chip as the key component and a control circuit using LPC2132 ARM micro controller unit as key component. Through the standard solution test and soil test, it was proved that the measurement results of TDT meter with double U-shaped probe were better than those of single U-shaped probe. The root mean square error (RMSE) of transmission time measurements by using TDT meter with double U-shaped probe was 43.9 ps, and the RMSE of dielectric constant measurements was 0.791. Using TOPP equation, the RMSE of soil moisture measurements in sand soil determined by TDT meter was 0.029 cm3/cm3, and the RMSE of soil moisture measurements in loam soil determined by TDT meter was 0.039 cm3/cm3. The results showed that the soil permittivity and soil moisture could be measured accurately by using TDT soil moisture measuring meter.

soil moisture; time domain transmission; time difference measurement; permittivity

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.03.023

2016-06-12

2016-11-24

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31371531)

馮磊(1975—)，男，副教授，博士，主要從事智能化檢測(cè)與控制技術(shù)研究，E-mail： fenglei@cau.edu.cn

楊衛(wèi)中(1963—)，男，副教授，主要從事智能化檢測(cè)與控制技術(shù)研究，E-mail： ywz@cau.edu.cn

S237

A

1000-1298(2017)03-0181-07