基于相位检测原理的土壤水分时域反射测量技术

针对土壤水分测量的特点,提出了用高频正弦波代替脉冲信号作为测试信号,利用相位检测原理测量信号传播时间,从而测量土壤含水量的方法.设计了由高频信号发生器、相位检测器、微处理器和土壤水分探头等组成的P-TDR原理样机.试验表明,该样机测量信号传播时间的精度可达到10 ps,在砂土、壤土和粘壤土中的土壤含水量测量结果与称重法对比差值不超过0.03.     

测试土壤含水率和电导率的时域反射仪系

研究了用于土壤参数测试的时域反射仪(TDR)系统原理与电路实现方法.根据系统设计要求设计出时域反射仪样机,该样机脉冲发生电路产生140 ps上升沿的时域脉冲,接收电路等效采样精度为8.69 ps,并设计了时域反射仪系统控制程序,给出了程序的系统控制和数据处理流程图.利用研制的TDR样机对两种土壤样本的相对介电常数进行了测试,反演了土壤样品的体积含水率,同时利用采集波形反演计算出不同湿度土壤样品的体积含水率和体积电导率,反演体积含水率与称量法测的结果接近,测试误差均小于4%.     

面向车载式测量的土壤含水量与电导率复合传感器设计

基于介电方法设计了符合车载测量要求的四环电极结构土壤含水量与电导率复合传感器。分别在NaCl电导率溶液、含水土样和混合土样中进行标定试验分析,结果证实了复合传感器的可行性。通过分析混合土样中含水量和电导率与传感器输出信号之间的相关性,分别建立土壤含水量与电导率的统计预测模型。     

基于时域反射法土壤探头的性能研究

TDR时域反射法(Time Domain Refletrometry)是近些年发展起来的一种测定土壤含水量的新技术,因其快速、简便、高可靠性、高精度等优点受到越来越多的关注.为此,介绍了基于相位检测的TDR时域反射法土壤探头的测试原理以及结构组成,从理论上推导出该土壤探针采用PVC绝缘涂层和增加探针首端与同轴电缆同的阻抗变换能够有效地增大测量值的线性范围,改善土壤水分含量与信号传播时间间的线性关系.从土壤针绝缘涂层的对比实验和阻抗变换影响的对比实验中验证了上述结论.     

基于相位检测的高盐碱与高有机土壤水分传感器研究

为解决高盐碱土壤与高有机土壤水分实时检测难题,研究了一种基于相位检测的时域传输(TDT)型土壤水分检测方法,并对传感器的探头结构、测量频率进行了分析。通过试验分析可知:当探针直径为2 mm、两针间距为10 mm、针长120 mm、测量频率为100 MHz时,在砂壤土、粘壤土、盐碱土、高有机土中的测量误差分别为±0.87%、±0.95%、±2.20%、±1.94%,动态响应时间约为4ms左右,测量性能较好,满足实际测量需要。通过与国外设备TRIME(TDR)及国产设备BD-Ⅲ型土壤水分传感器的对比研究,得出测量频率100 MHz时的TDT型土壤水分传感器能够满足高盐碱土壤、高有机土壤水分实时检测的要求,具有良好的动态性能和稳定性,且技术难度较小、成本低,有着很好的研究和应用前景。     

TDR在土壤盐分测试中的试验研究

提供了用TDR土壤水分测试仪在测试土壤含水率的同时可测到土壤含盐总量的方法。以黄河上游宁夏惠农县典型的黄河淤积平原的主要质地土壤为基础。利用德国产TRIME-T3管式TDR土壤水分测量系统在测试田间土壤含水率时表示出的VOL和LEVEL值．经过与电导法测定的土壤含盐总量的拟合，得出它们与土壤含盐总量的函数关系。通过统计原理对该方程的检验．表明了方程的显著性和可用性。     

TDR技术及其在土壤水分及土壤溶质测定方面的应用

测量土壤含水量有许多方法 ,称量法费时费力 ,不能原位重复测量 ,中子仪法测量土壤表层含水量时 ,特别是在低含水量测量时由于中子的泄漏而测不准确。时域反射仪 ( TDR)为表层土壤的精确测量提供了有效的手段 ( Nielson,1 995)。用 TDR测量土壤含水量由 Topp( 1 980 )首创 ,近 2 0年来 ,无论是在技术上还是应用上都得到了长足的发展。近年来 ,出于对植物营养需求及溶质输运的研究 ,特别是无机污染物迁移的研究的兴起 ,使得迅速测定土壤溶液的化学组成变得越来越重要。以往土壤溶液组成的测定是用真空陶土头抽提土壤水溶液进行分析 ( Rho…     

基于近红外光谱信息的土壤电导率预测模型研究

利用土壤含水率与近红外光谱土壤反射率和土壤电导率三者之间的关系,以土壤含水率为中间变量,间接表达土壤光谱反射率和土壤电导率之间的关系。土壤含水率与土壤光谱反射率存在指数关系,土壤含水率与土壤电导率存在线性关系,消除中间变量（土壤含水率）,得到土壤光谱反射率和土壤电导率之间的关系。以土壤水分敏感波段1450nm作为研究对象,研究土壤电导率的预测模型,分别建立指数预测模型和对数预测模型,并分别对两种模型进行验证。本文实验建模集样本72个,验证集样本48个,土壤电导率对数预测模型R2达0.80,土壤电导率指数预测模型R2达0.85,预测效果均可满足农田电导率估算,但对数模型在土壤电导率较低区间预测效果不理想,因此土壤电导率指数预测模型预测效果优于对数模型的预测效果。研究结果表明,土壤光谱反射率预测土壤电导率的方案可行,并为光谱信息预测土壤电导率提供了新思路。     

应用TDR对土壤含水率及土壤冻结融解深的计测

运用 TDR(Time Domain Reflectometry)计测土壤含水量 ,80年代以来就受到了瞩目 ,到今天为止TDR方法在土壤盐分浓度 ,浸润面深度 ,冻结融解面深度等许多领域得到广泛应用。为了确认在运用 TDR方法进行土壤含水率测定时介电常数 ε与含水率 θ之间的关系曲线的滞后现象的有无 ,以及确认运用 TDR方法计测土壤冻结融解面深度的有效性 ,进行了一系列的实验。实验证明 ,在运用 TDR方法进行土壤含水率测定时介电常数ε与含水率θ之间的标定曲线中没有出现滞后现象 ,运用 TDR方法计测土壤冻结融解面深度不论在室内实验还是在田间实验中都很有效 ,并取得了较高的精度。     

基于TDR的土壤水分传感器设计与试验

针对农田环境下观测作物生长所需土壤水分变化的实际需要,研制了一种基于TDR原理的新型土壤水分传感器。运用等效采样原理和窄脉冲激励来构建高速波形重建方法,同时设计开发 PC 上位机软件,通过蓝牙技术将TDR测量设备与上位机软件进行通信,测量结果可实时无线传输。为验证其性能,进行了4种不同质地土壤的标定试验,并与波兰Easy Test 公司的FOM／mts型TDR进行对比。试验结果表明：该传感器在土壤含水量非饱和状态下,测量结果与土壤实际含水量线性相关度达到0．97以上,且几乎不受土壤质地影响,具有一定的推广应用价值。     

同轴电缆电磁波反射技术测试土体

从电磁波传播方程出发，基于时域有限差分法（FDTD）进行离散求解，获得了适合含水量测试同轴电缆电磁波反射系统的FDTD方程。在此基础上用Matlab编制了程序进行模拟计算，并与试验曲线进行比较。经研究发现，该方法对于含水量测试同轴电缆电磁波反射系统反射曲线的模拟，当测试对象为单一介质时符合良好，当测试对象为分层介质时有一定差距，但能较准确地模拟出曲线拐点从而可用于计算介质的介电常数，为模拟同轴电缆电磁波反射系统的反射曲线的反分析提供依据。     

基于差动放大原理的信号测量系统设计

利用热脉冲技术测量植物蒸腾速率时存在由于热敏电阻引起的热脉冲信号温差峰值时间确定困难的问题.为此,提出了基于差动放大原理的热脉冲检测及信号处理方法,研究了PIC单片机与数字电位器间的IIC通信.其中,数字电位器的线性特性可以便捷地应用于放大电路的反馈网络中,从而提高了检测精度并降低了对后续采集设备的要求.     

基于数字示波器的车载式土壤电导率检测系统研究

在电流-电压四端法原理基础上,采用信号发生器替代恒流源作为激励源来提供振幅更大、稳定性更高的正弦信号,以数字示波器替代电压源进行反馈信号检测从而解决电压有效值转换和AD转换频率较慢的问题,改进设计开发了一款基于数字示波器的土壤电导率检测系统。农田现场车载式测量实验分为稳定性检测和定点测量两部分。稳定性实验测试下该检测系统能够稳定读取相关数据。农田定点测量实验结合土壤样本采集和实验室实验,得出每个定点测量点土壤电导率测量值和土壤电导率实验室真值（R2=0.7531）。根据实验中拖拉机牵引犁盘抖动导致电极与待测土壤之间形成的两种测量接触面的情况,分析并消除了实验中拖拉机抖动现象对数据结果的影响后,土壤电导率实测数据与实验数据之间的决定系数R2提高到0.8552~0.9066,表明设备能够在排除测量方式等外界因素影响下,测量精度达到较高水平。实验数据对比结果显示,基于数字示波器的车载式土壤电导率仪能够在农田现场进行稳定测量,并且具有较好的性能和准确度。     

基于交流“四端法”的土壤电导率在线实时检测系统

设计了一种土壤电导率在线实时检测系统,给出了交流四端法测量土壤电导率的全套设计方案,完成了信号源、交流恒流源、探针结构、传感器信号调理电路以及采集系统的设计,与直流四端法土壤电导率传感器相比,交流四端法测量土壤电导率方法具有更佳的检测性能。通过与国外同类产品对比研究,本测试系统性能达到了国外同类产品水平,具有更高的性价比。以北京地区土壤为测试样本,本系统检测量程:0~1 520μS/cm,检测误差:-2.2%~2.4%,动态响应时间:544 ms,测量带宽:1 MHz,满足土壤电导率实时在线测量的要求。     

基于交叉验证的农田土壤饱和导水率传递函数研究

基于北京大兴区农田土壤剖面采样数据,采用多元回归及多折交叉验证方法,建立并验证以不同土壤质地、有机质含量为自变量的农田土壤饱和导水率(Ks)土壤传递函数(PTF),对比了其他3种现有的Ks土壤传递函数预测结果,并对0~80 cm农田土壤Ks进行预测。结果表明:以土壤粉粒质量分数、粘粒质量分数、有机质质量比的组合项及常数项为自变量建立的多元回归方程,对所采剖面样本0~100 cm内土壤饱和导水率预测的均方根误差为40.525 cm/d,平均相对误差为204.738%,决定系数为0.544,相关系数为0.742,均好于其他3种预测结果。大兴区域农田土壤Ks表层变化范围较大,北部及西南部永定河一带Ks较小。所建立的PTF模型对采育镇60~80 cm深度处的粘壤土夹层也有较好表征,可以用作大兴区域土壤饱和导水率的评估。     

基于时域传输原理的土壤水分测试仪研究

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LPC2132 ARM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43.9 ps,测量介电常数的均方根误差为0.791,使用TOPP方程测量砂土土壤含水率的均方根误差为0.029 cm~3/cm~3,测量壤土土壤含水率的均方根误差为0.039 cm~3/cm~3。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。