利用介電物理傳輸原理的方法來測定土壤水分

0、引言我國作為最缺水的國家之一,人均水資源占有量僅僅是世界人均的1/4;然而由于不能合理利用水資源,我國在極度缺水的同時大量浪費(fèi)了有限的水資源。實(shí)時進(jìn)行土壤水分檢測、及時了解墑情的發(fā)生、對墑情做出有效的評估,利于進(jìn)行有效的抗旱決策和水資源有效分配,使有限的水資源得到優(yōu)化配置和合理使用。當(dāng)前,即時測量土壤水分主要是利用介電物理的方法,其中利用傳輸原理的方法來測定土壤水分是介電特性法技術(shù)中的一種。此方法克服了現(xiàn)有方法的局限性,適應(yīng)了將來測量土壤水分系統(tǒng)自動化程度高、經(jīng)濟(jì)性好、可持續(xù)開展以及測量精度高等開展方向的需要。1、土壤水分測試系統(tǒng)原理根據(jù)電磁原理,自由水、空氣、束縛水以及固體土壤物質(zhì)等構(gòu)成了土壤。在1個大氣壓、20℃的標(biāo)況下,純水的介電常數(shù)是80.4,固體土壤物質(zhì)約為3~7,空氣的僅為1。因此,水分含量的多少很大程度上決定了整個土壤介電常數(shù)的大小。Davis與Topp于1975年首次利用TDR技術(shù)來測量土壤的介電常數(shù);1984年,Dalon等人進(jìn)一步證明了TDR技術(shù)可以測量土壤的含水量,自此利用介電常數(shù)測量土壤水分的方法得到了迅速開展。主流的介電方法—TDR土壤水分含量測試方法原理如圖1所示。信號發(fā)生器發(fā)射波到待測的土壤介質(zhì)中,根據(jù)兩次接受的波(即返回波,實(shí)線線條表示)和反射返回波(虛線線條表示)之間的時間差來獲得電磁波在介質(zhì)中的傳播時間,建立反射時間差與介質(zhì)介電常數(shù)之間的關(guān)系,從而最終獲得土壤水分含量。實(shí)際應(yīng)用時,由于時間差非常短暫,大約只有幾微秒,測量時細(xì)微的誤差將會引起最終獲得水分的很大偏差,因此精度控制比擬困難,且設(shè)備昂貴?；趥鬏斣淼耐寥浪譁y試系統(tǒng)克服了TDR方法造價昂貴、電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn),設(shè)計了新型的傳感元件(即傳輸線),通過測量電路的頻率防止了對時間差的測量。傳輸線的幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了防止土壤鹽分對測量結(jié)果的影響,傳輸線外側(cè)包裹了一層絕緣皮。系統(tǒng)用于測量土壤水分含量時,將傳輸下埋設(shè)在待測土壤介質(zhì)中,環(huán)形振蕩電路發(fā)生振蕩信號,由于接收端信號的頻率與信號的傳播時間有關(guān)(即與待測土壤的介電常數(shù)有關(guān)),因此確立接收端信號頻率與土壤介電常數(shù)之間的關(guān)系即可確定土壤上水分含量大小。2、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)土壤水分測試由包括傳感模塊、信號預(yù)處理模塊和數(shù)據(jù)采集處理模塊等局部組成,如圖3所示。方波信號發(fā)生器產(chǎn)生的方波振蕩信號通過埋設(shè)在待測土壤中的傳輸線傳播,由于土壤介電特性將產(chǎn)生延時,使得方波振蕩信號的頻率變低;方波振蕩信號通過信號預(yù)處理模塊進(jìn)行整形,然后輸入信號采集處理模塊;信號采集處理模塊采集方波振蕩信號的頻率,根據(jù)信號頻率與介電常數(shù)之間的關(guān)系以及土壤介電特性,最終獲得待測土壤水分含量。方波振蕩信號頻率很高,大約幾十兆赫茲,為了滿足快速監(jiān)測以及實(shí)時性需求,采用了美國德州儀器公司的一款高速、高精度的工業(yè)控制芯片—TMS320F2812作為核心處理單元。3、系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1傳感模塊傳感模塊結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。方波信號發(fā)生器是一種特殊的輸電線路振蕩器,用于產(chǎn)生50~100MHz的方波信號,且振蕩信號頻率隨傳輸線傳輸延時變化而變化。采用Motorola公司生產(chǎn)的一款線接收器MC10H116,它屬于ECL電路元器件,非飽和狀態(tài)下的ECL電路,典型的傳輸延遲僅為1.0ns。傳輸線為扁平電纜傳輸線,外層包裹絕緣層,消除土壤介質(zhì)電導(dǎo)率對測量結(jié)果的影響。信號發(fā)生器的輸出端與埋設(shè)在待測土壤的傳輸線相連接,高頻振蕩信號通過傳輸線傳播。受土壤介電特性的影響,傳播速度與土壤介電常數(shù)之間的關(guān)系為v=c/k槡a。其中,c表示光速,ka表示土壤介電常數(shù)。根據(jù)土壤介電特性,干土以及空氣等的介電常數(shù)僅為1~4,而水分的介電常數(shù)在80左右,這意味著水分含量的多少對土壤的介電特性起決定性作用。由此可知:當(dāng)含水量變高時,土壤介電常數(shù)變大,信號中的方波頻率降低,傳播速率也隨之變小。3.2信號預(yù)處理模塊此模塊主要由直流偏置、限幅放大以及方波整形3個根本處理電路構(gòu)成。其功能是對采集到的信號進(jìn)行預(yù)處理,降低頻率測量過程中的干擾,提高測量精度。限幅放大電路采用MAX3645限幅放大器,電路接口圖如圖5所示。去除過高或過低的電壓信號,保護(hù)電路不因?yàn)樘呋蛱偷碾妷憾斐呻娐饭ぷ鞑徽?然后,信號再經(jīng)直流偏置電路以及波形整波電路,轉(zhuǎn)換成3.3V的方波信號;最后再進(jìn)入DSP,通過其豐富的外設(shè)資源完成信號頻率的測量。3.3TMS320F2812及其外圍接口電路設(shè)計本系統(tǒng)選用精度高且速度高的DSP芯片—TMS320F2812作為核心處理單元。它是近年來美國德州儀器公司主推的芯片,有非?？斓倪\(yùn)算處理速度,低于6.67ns的極短指令周期和高達(dá)150MHz的工作頻率。另外,其輸入輸出電壓為3.3V,1.8V的核心電壓使得它功耗很低。它的操控能力非常全面,總線結(jié)構(gòu)使用的是哈佛總線。2個串行SCI通信接口、3個32位的定時器、串行SPI接口和12位的16通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成了此芯片的外圍設(shè)備。EVA與EVB模塊是用來控制芯片時間的,1個正交編碼脈沖單元、2個通用定時器、3個捕獲電路和3個脈寬調(diào)制單元構(gòu)成了EVA與EVB模塊。本系統(tǒng)選用多周期的方法來測量頻率,其多周期原理的電路見圖6,測量頻率的時序圖見圖7。4、系統(tǒng)軟件設(shè)計初始化、主監(jiān)控、頻率測量和中斷等模塊構(gòu)成了本系統(tǒng)根本的軟件設(shè)計(見圖8),其中主監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)其余各模塊的調(diào)用以及合理配置。主監(jiān)控程序流程圖如圖9所示。頻率測量模塊流程如下:1)計數(shù)的功能由定時器T1與T2來實(shí)現(xiàn),負(fù)責(zé)計數(shù)標(biāo)準(zhǔn)與被測信號,同時還必須輸入1給T1的比擬值;另外,預(yù)設(shè)的閘門時間通過T3來完成。2)通過T1的比擬處理,輸出的脈寬調(diào)制發(fā)生突變,利用其上升沿(或下降沿)觸發(fā)T3,使其預(yù)設(shè)閘門時間。3)T3的計數(shù)時間到達(dá)后,輸出邏輯0,使上升沿出現(xiàn)后D觸發(fā)器輸出邏輯0,從而切斷T1輸出,完成T1脈寬調(diào)制的第2次突變。4)事實(shí)上的閘門時間即是T1的脈寬調(diào)制輸出兩次突變的相隔時間,從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)頻率的測試。5、結(jié)論具體介紹了基于電磁波傳輸原理的土壤水分測試系統(tǒng)的設(shè)計方法。該系統(tǒng)具有高精度、低本錢、非破壞性和操作簡單的等優(yōu)點(diǎn),可適用于各種需要對土壤水分含量檢測的場合,在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)以及農(nóng)業(yè)自動化開展中具有廣闊的應(yīng)用前景。---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------感謝您使用本套資料，您可以根據(jù)您的風(fēng)格和實(shí)際情況對本套資料做相應(yīng)的修改，這樣才能變成屬于您的東西，切勿完全照抄照搬哦，這樣就失去了本套資料存在的初心，相信您在工作和學(xué)習(xí)路上會一路高歌，完成您最