姜明梁，方嫦青，馬道坤

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

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基于TDR的土壤水分傳感器設(shè)計與試驗

姜明梁，方嫦青，馬道坤

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

針對農(nóng)田環(huán)境下觀測作物生長所需土壤水分變化的實際需要，研制了一種基于TDR原理的新型土壤水分傳感器。運用等效采樣原理和窄脈沖激勵來構(gòu)建高速波形重建方法，同時設(shè)計開發(fā)PC上位機軟件，通過藍牙技術(shù)將TDR測量設(shè)備與上位機軟件進行通信，測量結(jié)果可實時無線傳輸。為驗證其性能，進行了4種不同質(zhì)地土壤的標(biāo)定試驗，并與波蘭Easy Test公司的FOM/mts型TDR進行對比。試驗結(jié)果表明：該傳感器在土壤含水量非飽和狀態(tài)下，測量結(jié)果與土壤實際含水量線性相關(guān)度達到0.97以上，且?guī)缀醪皇芡寥蕾|(zhì)地影響，具有一定的推廣應(yīng)用價值。

土壤水分；時域反射；等效采樣；TDR

0 引言

在農(nóng)業(yè)種植過程中，土壤水分變化與作物的產(chǎn)量及資源的合理利用都有密切聯(lián)系，利用專業(yè)測量儀器對土壤水分進行實時監(jiān)測，并運用在農(nóng)業(yè)灌溉上，能夠在降低消耗能源的同時使產(chǎn)量達到最大值。

農(nóng)業(yè)節(jié)水裝備技術(shù)的快速發(fā)展推動了土壤水分傳感器的工業(yè)化應(yīng)用，目前測量土壤含水率的方法主要有基于介電原理的時域反射法(TDR)和頻域法(FD)[1-4]。近年來，國外普遍以TDR方法進行土壤水分測量，并已研制出多種TDR儀器，但目前國內(nèi)對于TDR的應(yīng)用研究仍處于初級階段，只有少數(shù)科研機構(gòu)進行TDR的自主研發(fā)試驗工作[5-7]。為此，研制了一種基于TDR的土壤水分測量系統(tǒng)，充分利用時域反射原理的高效、快速等特點，并結(jié)合數(shù)據(jù)存儲及藍牙傳輸技術(shù)，實現(xiàn)了對土壤水分含量的實時監(jiān)測及定時、定點監(jiān)測功能。

1 TDR傳感電路分析與設(shè)計

1.1 TDR土壤水分測量原理

測量原理建立在土壤介電常數(shù)是土壤含水率的函數(shù)這一物理事實基礎(chǔ)上。因為電磁波的傳播速度取決于傳播介質(zhì)的介電常數(shù)，TDR方法就是通過測定電磁波在土壤中的傳播速度來間接反映土壤含水率。電磁波在土壤中的傳播速度與土壤的介電常數(shù)具有以下關(guān)系，即

(1)

其中，c代表電磁波在真空中的傳播速度(即光速)；ε代表傳播介質(zhì)的介電常數(shù)[8]。

目前市場上成熟的TDR產(chǎn)品大多數(shù)采用的是階躍脈沖激勵的方式，其測量過程如圖1所示。

圖1 TDR的階躍脈沖激勵響應(yīng)

如圖2所示， f1(t)為階躍脈沖激勵，f2(t)為三角窄脈沖激勵，這兩種脈沖激勵之間存在著如下關(guān)系，即

經(jīng)過拉普拉斯變換后得

因此，階躍脈沖激勵在探針中的相應(yīng)效果可視為多個三角波窄脈沖激勵響應(yīng)疊加后的效果，這樣通過三角波窄脈沖激勵的方式就可實現(xiàn)TDR的測量。

圖2 階躍脈沖與三角波脈沖激勵響應(yīng)對比分析

1.2 等效采樣原理分析

一般TDR土壤水分傳感器探頭僅有15cm左右，對于土壤的水分測量而言，水和空氣是兩個極端條件，因此進行土壤水分測量的時候電磁波傳播時間約為1～9μs。TDR采用的階躍激勵信號只有約300ps的上升時間，信號上限頻率大于1.2G Hz，由采樣定理知，系統(tǒng)采樣頻率至少要達到2.4GHz，顯然在現(xiàn)有技術(shù)下實現(xiàn)如此高速的采樣是不現(xiàn)實的，這就是TDR廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題。為解決此問題，本文采用了等效采樣原理[9-11]，并結(jié)合波形重建方法，實現(xiàn)對高速脈沖的采樣。

等效采樣方法對于采樣電路的要求較高，因此本研究提出了一種基于窄脈沖疊加和峰值檢波相結(jié)合的方法進行波形重建，具體過程如圖3所示。

圖3(a)中，f(t)代表待測信號，h(t)代表三角窄脈沖信號。第1周期內(nèi)，同時觸發(fā)f(t)和h(t)，然后對兩組信號疊加后的波形進行峰值檢波，記錄結(jié)果；第2周期內(nèi)，使得h(t)較f(t)晚觸發(fā)△t時間，并用同樣方法記錄峰值檢波的結(jié)果。以此類推，n個周期后，將得到的n組峰值檢波值按時間整合，即可實現(xiàn)波形重建，如圖3(b)所示。重建波形的結(jié)果與原始波形幅值將相差一個固定的偏移量[12-13]。

1.3 TDR傳感電路設(shè)計

針對該系統(tǒng)的傳感探頭與信號調(diào)理電路部分，設(shè)計了基于窄脈沖和等效采樣原理的時域反射儀的整體框架，如圖4所示。

圖3 波形重建過程

圖4 基于窄脈沖的時域反射系統(tǒng)的整體框架圖

窄脈沖發(fā)生器將信號發(fā)射出去后，由電路分為兩路：一路S1信號直接傳入同軸電纜；另一路S2經(jīng)過精密延時電路，后再傳入同軸電纜。S2作為周期疊加信號，經(jīng)由MCU控制其延時時長后與S1匯聚后傳入同軸電纜，這樣周期性地重復(fù)進行，配以峰值檢波和A/D采樣，就能夠?qū)崿F(xiàn)通過等效采樣的方式采集TDR波形，如圖5(a)、圖5(b)所示。

S1、S2觸發(fā)的時間間隔由MCU控制，同時MCU也控制觸發(fā)電路進行周期性工作，進而使S2在一定的時間窗口內(nèi)以掃描方式和S1進行疊加。圖5(b)和圖5(c)分別為S2掃描至S1的探頭末端反射信號與探頭始端反射信號時的情形。

圖5 等效采樣疊加過程

2 傳感器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

TDR土壤水分測量系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集與控制單元、信號調(diào)理單元、傳感器探頭、數(shù)據(jù)存儲單元與無線發(fā)送單元組成。數(shù)據(jù)采集與控制單元選用MSP430單片機，系統(tǒng)上電后，單片機等待由上位機通過藍牙模塊發(fā)送的實時測量、定時測量、數(shù)據(jù)讀取、時鐘設(shè)置等指令。圖6為TDR土壤水分測量系統(tǒng)總體設(shè)計框圖，其中虛線框部分為系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖。

圖6 TDR土壤水分測量系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

3 標(biāo)定與對比試驗

3.1 試驗材料

以4種不同質(zhì)地土壤(見表1)作為試驗對象，制成不同容積含水率的土樣，使用本文研制的土壤水分傳感器進行標(biāo)定試驗[14]。

表1 試驗所用土壤質(zhì)地

3.2 試驗步驟

1)將土壤風(fēng)干之后用最大孔徑為2mm的篩子進行過篩，然后將土壤放入105℃下的烘箱中烘干48h，在干燥的環(huán)境下冷卻到室溫之后備用。

2)選取內(nèi)徑15cm、深度25cm的塑料桶，用精密電子天平稱得空桶質(zhì)量M0(g)，確定要裝入的待測土壤體積Vs(mL)，并在桶內(nèi)標(biāo)記出土柱高度。根據(jù)事先確定好的土壤干容重ρs(g/mL)計算得出所需要的干土質(zhì)量Ms=ρsVs，之后稱取該質(zhì)量的干土。

3)根據(jù)事先確定好的土壤體積含水量計算出所需要的水的體積和質(zhì)量，并稱取該質(zhì)量的去離子水。

4)將上述土樣與去離子水混合均勻，用分層填裝的方法將混合好的土樣裝入塑料桶中并壓實至2)中所標(biāo)記的土壤高度，用塑料薄膜將塑料桶口密封，靜置24h待測。

5)24h后，用天平稱量塑料桶和待測土壤的總質(zhì)量Mt(g)，則該土壤中水的質(zhì)量Mt=Mt-Mo-Ms，則可計算出所含水分的體積為Vw=Mw/ρw，因此待測土壤的體積含水率為θv=Vw/Vs。

6)將本文研制的TDR探頭插入到待測土壤中，通過TDR測量系統(tǒng)，在上位機上讀取出信號在探針上傳播的時間tp(ps)，這樣就能得到一組(tp，θv)的數(shù)據(jù)。

7)逐漸增加土壤含水量，重復(fù)上述2～4步，得到若干組(tp，θv)的數(shù)據(jù)，直到待測土壤含水量達到飽和狀態(tài)。

8)將試驗選取的4種土壤分別按照1)～7)步進行完整測量。

3.3 試驗結(jié)果

通過試驗，測得的信號傳播時間 與土壤容積含水率關(guān)系如表2所示。

表2 TDR土壤水分測試性能分析

將表2中數(shù)據(jù)進行回歸分析，如圖7所示。

由圖7可以看出：對同一質(zhì)地的土壤，其容積含水率與信號傳播時間具有良好的線性關(guān)系，所測得的4種不同質(zhì)地土壤的結(jié)果相關(guān)系數(shù)都在0.98以上。對于不同質(zhì)地的土壤在相同容積含水率下測得的信號傳播時間具有一定差異，但不明顯。

用對應(yīng)擬合曲線與土壤實際容積含水率做均方根誤差分析，所得結(jié)果如表3所示。

圖7 一次曲線擬合結(jié)果圖

壤質(zhì)砂土砂質(zhì)壤土壤土粘土土壤0．01890．01170．04430．04590．0510

由表3可以看出：當(dāng)土壤粘粒含量較高時，測得的信號傳播時間相對較短，這在土壤含水率較小的時候尤為明顯。如果用一次擬合曲線作為標(biāo)定曲線，則會導(dǎo)致粘粒含量較高的土壤相關(guān)度越小均方根誤差越大。

在本試驗中，還利用波蘭Easy Test生產(chǎn)的FOM/mts TDR裝置進行了對比試驗。FOM/mts 對上述4種土壤進行水分測量后的擬合曲線如圖8所示。

圖8 FOM/mts型TDR測量結(jié)果曲線擬合圖

對FOM/mts型TDR的標(biāo)定結(jié)果作均方根誤差分析結(jié)果如表4所示。

由圖8可以看出：FOM/mts 對每一種土壤測量的線性相關(guān)度也都為0.98以上。同時，圖中數(shù)據(jù)顯示：當(dāng)土壤粘粒含量較高時，測得的信號傳播的時間相對較短，而且粘粒含量越高，均方根誤差也越大，這與本研究設(shè)計的土壤傳感器效果一致。

將對比試驗分析結(jié)果整理后如表5所示。由表5可知：本TDR測量精度已達到國外先進產(chǎn)品的水平。另外，Hook[15]認為：Ts/Ta的取值變化范圍在1.4～1.7之間(Ts為脈沖在干土中的傳播時間，Ta為脈沖在空氣中的傳播時間)。在土壤標(biāo)定試驗過程中，本研究設(shè)計的TDR系統(tǒng)與FOM/mts的輸出結(jié)果中，Ts/Ta取值也都在這個范圍之中，這與Hook的理論分析結(jié)果一致。

表4 FOM/mts型TDR RMSE分析結(jié)果

表5 對比試驗分析結(jié)果

4 結(jié)論

研制了一種新型TDR土壤水分測量系統(tǒng)，開發(fā)了與TDR土壤水分測量裝置配套的基于藍牙無線傳輸?shù)纳衔粰C軟件。TDR土壤水分測量裝置可在農(nóng)田環(huán)境中自動采集，上位機可對設(shè)備進行相關(guān)參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)讀取工作，后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作可在上位機軟件上完成。本文對不同質(zhì)地的土壤樣本進行了土壤水分傳感器標(biāo)定試驗，結(jié)果表明：對于相同質(zhì)地的土壤，其容積含水率與信號傳播時間的相關(guān)系數(shù)達到0.98以上，在不區(qū)分土壤質(zhì)地的情況下，相關(guān)系數(shù)也能達到0.97以上，具有精度高、幾乎不受土壤類型影響、攜帶方便、操作簡單、測量迅速等特點，對于農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉研究具有重要意義。

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Design and Experimental Research of an Instrument for Soil Moisture Sensor Based on TDR

Jiang Mingliang, Fang Eqing, Ma Daokun

(College of Information and Electrical Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

For the actual need for observing the environment required for the growth of crops under farmland soil moisture regime,developed a new type of soil moisture sensor based on the principle of TDR.Equivalent sampling theory and using incentives to build high-speed narrow pulse waveform reconstruction method, and PC software design and development of PC, using Bluetooth technology TDR measurement equipment and PC software to communicate real-time wireless transmission of measurement results. To test its performance, conducted four different calibration test soil texture, and Easy Test with Poland's FOM / mts type TDR for comparison. The test results showed that the soil moisture sensor in a non-saturated state, the measurement results with actual soil moisture linear correlation reaches 0.97 or more, and almost free from influence of soil texture, has a certain application value.

time domain reflectometry; soil moisture; equivalent sampling； TDR

2016-06-19

農(nóng)業(yè)部“948計劃”項目(2004-Q1)

姜明梁(1991-),男，河南輝縣人，碩士研究生，(E-mail)mingliang_0201@163.com。

馬道坤(1976-)，男，江蘇高郵人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)madaokun@cau.edu.cn。

S126；S24

A

1003-188X(2017)08-0147-07