基于时域传输原理的土壤水分测试仪研究-农业机械学报.PDF

２０１７年 ３月 农 业 机 械 学 报 第 ４８卷 第 ３期 ｄｏｉ：１０．６０４１／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１２９８．２０１７．０３．０２３ 基于时域传输原理的土壤水分测试仪研究 冯　磊　杨卫中　石庆兰　董乔雪　徐　云　高红菊 （中国农业大学大学信息与电气工程学院，北京 １０００８３） 摘要：为利用时域测量技术实时、快速、准确地测量土壤水分，设计了一种低成本的基于时域传输（ＴＤＴ）原理的土 壤水分测试仪。仪器的探头采用末端封闭的回路结构，信号在探头上单程传输，通过测量电磁波在土壤介质中的 传输时间测量出土壤的介电常数，再通过土壤标定方程得到土壤水分。时域传输仪由高频脉冲信号源、同轴传输 线、Ｕ型回路结构探头、以ＴＤＣ ＧＰ２时间间隔测量芯片为核心的传输时间测量电路和以ＬＰＣ２１３２ＡＲＭ微控制器 为核心的控制电路组成。通过标准溶液测试和土壤测试试验，验证了双 Ｕ型探头的测量结果好于单 Ｕ型探头，仪 器使用双 Ｕ型探头测量传输时间的均方根误差为４３９ｐｓ，测量介电常数的均方根误差为０７９１，使用ＴＯＰＰ方程测 ３ ３ ３ ３ 量砂土土壤含水率的均方根误差为００２９ｃｍ／ｃｍ ，测量壤土土壤含水率的均方根误差为００３９ｃｍ／ｃｍ。结果表 明设计的时域传输土壤水分测试仪可以准确地测量土壤介电常数和土壤体积含水率。 关键词：土壤水分；时域传输；时间差测量；介电常数 中图分类号：Ｓ２３７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００１２９８（２０１７）０３０１８１０７ ＳｏｉｌＭｏｉｓｔｕｒｅＭｅｔｅｒＢａｓｅｄｏｎＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＰｒｉｎｃｉｐｌｅ ＦＥＮＧＬｅｉ　ＹＡＮＧＷｅｉｚｈｏｎｇ　ＳＨＩＱｉｎｇｌａｎ　ＤＯＮＧＱｉａｏｘｕｅ　ＸＵＹｕｎ　ＧＡＯＨｏｎｇｊｕ （ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｉｎｒｅａｌｔｉｍｅ，ｑｕｉｃｋｌｙａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｌｙｂｙｕｓｉｎｇｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ａｌｏｗｃｏｓｔｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｍｅｔｅｒｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ（ＴＤＴ）ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．ＴｈｅｐｒｏｂｅｏｆＴＤＴｍｅｔｅｒａｄｏｐｔｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｃｌｏｓｅｄｌｏｏｐ，ｓｏｔｈａｔ ｔｈｅｓｉｇｎａｌｗａｓｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄｏｎｔｈｅｐｒｏｂｅｉｎｏｎｅｗａｙ．Ｔｈｅｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙｏｆｓｏｉｌｗａｓｍｅａｓｕｒｅｄｂｙｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｉｍｅｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｗａｖｅｉｎｓｏｉｌｍｅｄｉｕｍ，ａｎｄｔｈｅｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｔｈｒｏｕｇｈ ｓｏｉｌｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎ．ＴＤＴｍｅｔｅｒｗａｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆａｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｐｕｌｓｅｓｉｇｎａｌｓｏｕｒｃｅ，ａｃｏａｘｉａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅ，ａｐｒｏｂｅｉｎＵｓｈａｐｅｄｌｏｏｐｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｉｍｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｕｓｉｎｇＴＤＣ ＧＰ２ｔｉｍｅｉｎｔｅｒｖａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｃｈｉｐａｓｔｈｅｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔａｎｄａｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔｕｓｉｎｇＬＰＣ２１３２ＡＲＭ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｕｎｉｔａｓｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄｓｏｌｕｔｉｏｎｔｅｓｔａｎｄｓｏｉｌｔｅｓｔ，ｉｔｗａｓｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆＴＤＴｍｅｔｅｒｗｉｔｈｄｏｕｂｌｅ