一种土壤含水量探测系统及方法与流程

1.本发明涉及土壤含水量测定领域，特别是涉及一种土壤含水量探测系统及方法。


背景技术：

2.土壤含水量的测定是环境领域调查研究的基础，是开展农业、水文、水利研究的重中之重，目前已广泛应用于农业、林业、生态学、水文学、水利工程、园艺等领域。目前，土壤含水量测定方法较多。烘干法是比较常用、直接的方法，但这种方法耗时费力，对土壤有一定的破坏性且不能对同一土壤重复测定。中子仪法和y射线法也运用较为广泛，但这两种方法存在测定不准确的问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种土壤含水量探测系统及方法，以实现快速、准确地测定土壤含水量。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种土壤含水量探测系统，包括：
6.电磁脉冲发射器，用于产生探测电磁波；
7.探针，与所述电磁脉冲发射器连接，且插入至目标土壤中，用于将所述探测电磁波传送至目标土壤中；
8.取样示波器，与所述电磁脉冲发射器连接，用于根据第一反射波和第二反射波确定电磁波的往返时间；所述第一反射波是所述探测电磁波经过所述探针的顶端时被反射产生的，所述第二反射波是所述探测电磁波经过所述探针的底端时被反射产生的；所述电磁脉冲发射器还用于接收所述第一反射波和所述第二反射波，并将所述第一反射波和所述第二反射法传送至所述取样示波器；
9.处理器，用于根据所述电磁波的往返时间确定目标土壤的表观介电常数，并根据所述目标土壤的表观介电常数和土壤含水量标定曲线确定目标土壤的土壤含水量；所述土壤含水量标定曲线是对若干采样点土壤的表观介电常数和采样点土壤的土壤含水量进行线性拟合得到的。
10.可选地，还包括：
11.线缆，用于连接所述探针和所述电磁脉冲发射器。
12.可选地，还包括：
13.电源，分别与所述电磁脉冲发射器、所述取样示波器和所述处理器连接，用于为所述电磁脉冲发射器、所述取样示波器和所述处理器供电。
14.可选地，还包括：
15.外壳，用于封装所述电磁脉冲发射器、所述取样示波器和所述处理器。
16.可选地，所述探针的材质为不锈钢。
17.可选地，所述探针的长度为50mm～80mm。
18.可选地，所述探针的测量温度为-40℃～100℃；所述探针的测量范围为0％～100％体积含水量。
19.可选地，所述电源为24v 12a的电池或220v交流电。
20.一种土壤含水量探测方法，所述土壤含水量探测方法应用于上述的土壤含水量探测系统，包括：
21.向目标土壤发射探测电磁波并接收第一反射波和第二反射波；
22.根据所述第一反射波和所述第二反射波确定电磁波的往返时间；
23.根据所述电磁波的往返时间确定目标土壤的表观介电常数；
24.根据所述目标土壤的表观介电常数和土壤含水量标定曲线确定目标土壤的土壤含水量。
25.可选地，根据所述电磁波的往返时间确定目标土壤的表观介电常数，具体公式为：
[0026][0027]
其中，k
α
为目标土壤的表观介电系数；t为电磁波的往返时间；l为探针的长度；c为电磁波在真空中的传播速度。
[0028]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0029]
本发明提供的土壤含水量探测系统，利用电磁脉冲发射器产生探测电磁波，并利用探针将探测电磁波传送至目标土壤中，由于电磁波在传播时，一部分电磁波会因为线缆和探针阻抗的不同，在传到探针顶端时被反射回来，剩余部分的电磁波则会通过探针达到底端被反射回来，从而可以利用取样示波器根据第一反射波和第二反射波确定电磁波的往返时间，进而利用处理器根据电磁波的往返时间确定目标土壤的表观介电常数，并根据目标土壤的表观介电常数和土壤含水量标定曲线确定目标土壤的土壤含水量。本发明基于时域反射(time-domain reflectometry，tdr)技术，能够快速、准确地实现对目标土壤的土壤含水量的测定，且对土壤的破坏性较小，能够实现对同一土壤的重复测定。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0031]
图1为本发明提供的土壤含水量探测系统的结构图；
[0032]
图2为本发明提供的土壤含水量探测方法的流程图。
[0033]
符号说明：
[0034]
电磁脉冲发射器—1，取样示波器—2，探针—3，线缆—4，外壳—5。
具体实施方式
[0035]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。
[0036]
本发明的目的是提供一种土壤含水量探测系统及方法，以实现快速、准确地测定土壤含水量。
[0037]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0038]
如图1所示，本发明提供的土壤含水量探测系统包括：电磁脉冲发射器1、探针3、取样示波器2和处理器。其中，所述电磁脉冲发射器1、所述取样示波器2和所述处理器构成土壤含水量仪。
[0039]
具体地，所述电磁脉冲发射器1用于产生探测电磁波。所述探针3与所述电磁脉冲发射器连接，且插入至目标土壤中，用于将所述探测电磁波传送至目标土壤中。优选地，所述探测电磁波的频率为0.5ghz～1.5ghz。
[0040]
作为一种具体的实施方式，将不锈钢探针插入目标土壤中。其中探针长度约为50mm～80mm；材质为不锈钢材料，需保证在土壤含盐量高的区域工作时探针不被侵蚀；探针测量范围应保持在0％～100％体积含水量；探针测量温度应保持在-40℃～+100℃；因此，本发明提供的土壤含水量测量系统具有较高的土壤体积含水量测量精度以及分辨率。
[0041]
在本实施例中，探针3作为插入土壤中探测土壤数据的感应传感器，需满足连续性监测的要求，只要将探针3暂时性或长期性的埋入土壤中，并将其连接至土壤含水量仪即可。土壤含水量仪采用tdr技术，通过监测电磁脉冲信号在土壤中的传播时间来计算土壤的表观介电常数，再根据土壤各组分含量及其介电常数之间的关系计算得到土壤含水量。
[0042]
所述取样示波器2与所述电磁脉冲发射器连接，用于根据第一反射波和第二反射波确定电磁波的往返时间；由于电磁波在传播时，一部分电磁波会因为线缆和探针阻抗的不同，在传到探针顶端时被反射回来，剩余部分的电磁波则会通过探针达到底部被反射回来，因此所述第一反射波是所述探测电磁波经过所述探针的顶端时被反射产生的，所述第二反射波是所述探测电磁波经过所述探针的底端时被反射产生的；所述电磁脉冲发射器还用于接收所述第一反射波和所述第二反射波，并将所述第一反射波和所述第二反射法传送至所述取样示波器。
[0043]
具体地，取样示波器2作为测量交流电或脉冲电流波的形状的仪器，由电子管放大器、扫描振荡器、阴极射线管等组成。所述取样示波器2能够在电磁波传输过程中进行取样而得到电压/振幅时间/距离变化值，进而测定得到电磁波从探针顶端到底端反射回来的往返时间t。
[0044]
所述处理器用于根据所述电磁波的往返时间确定目标土壤的表观介电常数，并根据所述目标土壤的表观介电常数和土壤含水量标定曲线确定目标土壤的土壤含水量；所述土壤含水量标定曲线是对若干采样点土壤的表观介电常数和采样点土壤的土壤含水量进行线性拟合得到的。
[0045]
作为一种具体的实施方式，本发明采用tdr监测技术确定目标土壤的表观介电常数。tdr监测技术如下式所示：
[0046][0047]
通过对上式进行变形，得到计算目标土壤的表观介电常数的具体公式为：
[0048][0049]
其中，k
α
为目标土壤的表观介电系数；t为电磁波的往返时间；l为探针的长度；c为电磁波在真空中的传播速度。
[0050]
作为一种具体的实施方式，土壤含水量检测过程中，一般不需要考虑以下因素：体积密度、孔隙度、有机含量等。土壤含水量的计算往往是将tdr测得的采样点土壤的表观介电常数与其他方法(例如遥感技术、探地雷达、现场试验、大地测量等)获得的采样点土壤的土壤含水量进行线性拟合，得到土壤含水量标定曲线，并将tdr测得的目标土壤的表观介电常数代入该土壤含水量标定曲线，从而得到目标土壤的土壤含水量。
[0051]
所述土壤含水量标定曲线的表达式为：
[0052][0053]
其中，系数α0，α1，α2，α3均为拟合参数，与土壤质地及土地类型相关。θ为土壤含水量。
[0054]
进一步地，所述系统还包括：线缆4；所述线缆4用于连接所述探针3和所述电磁脉冲发射器1。
[0055]
进一步地，所述系统还包括：电源；所述电源分别与所述电磁脉冲发射器1、所述取样示波器2和所述处理器连接，用于为所述电磁脉冲发射器1、所述取样示波器2和所述处理器供电。
[0056]
作为一种具体的实施方式，所述电源为24v 12a的电池或220v交流电。
[0057]
进一步地，所述系统还包括：外壳5；所述外壳5用于封装所述电磁脉冲发射器1、所述取样示波器2和所述处理器。
[0058]
作为一种具体的实施方式，所述外壳紧凑，可以防止里面的零件存在缝隙，产生碰撞。
[0059]
进一步地，本发明还提供一种土壤含水量探测方法，所述方法应用于上述系统，如图2所示，所述方法包括：
[0060]
步骤s1：向目标土壤发射探测电磁波并接收第一反射波和第二反射波。
[0061]
步骤s2：根据所述第一反射波和所述第二反射波确定电磁波的往返时间。
[0062]
步骤s3：根据所述电磁波的往返时间确定目标土壤的表观介电常数。
[0063]
步骤s4：根据所述目标土壤的表观介电常数和土壤含水量标定曲线确定目标土壤的土壤含水量。
[0064]
综上所述，本发明提供的土壤含水量探测系统及方法，采用了最为广泛的土壤含水量测定方法之一—tdr技术，通过监测电磁脉冲信号在土壤中的传播时间来计算土壤的表观介电常数，再根据介电常数与土壤各组分含量的关系拟合，科学、合理地确定土壤含水量标定曲线(即土壤表观介电常数和土壤含水量之间的关系)，进而利用该土壤含水量标定曲线与目标土壤的表观介电常数计算目标土壤的土壤含水量，可用于室内、室外快速、准确、自动测定土壤含水量。与现有技术相比，本发明具有实时测量、对土壤及工程无任何破坏、准确性及精度较好、测量速度快等优势。
[0065]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0066]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种土壤含水量探测系统，其特征在于，包括：电磁脉冲发射器，用于产生探测电磁波；探针，与所述电磁脉冲发射器连接，且插入至目标土壤中，用于将所述探测电磁波传送至目标土壤中；取样示波器，与所述电磁脉冲发射器连接，用于根据第一反射波和第二反射波确定电磁波的往返时间；所述第一反射波是所述探测电磁波经过所述探针的顶端时被反射产生的，所述第二反射波是所述探测电磁波经过所述探针的底端时被反射产生的；所述电磁脉冲发射器还用于接收所述第一反射波和所述第二反射波，并将所述第一反射波和所述第二反射法传送至所述取样示波器；处理器，用于根据所述电磁波的往返时间确定目标土壤的表观介电常数，并根据所述目标土壤的表观介电常数和土壤含水量标定曲线确定目标土壤的土壤含水量；所述土壤含水量标定曲线是对若干采样点土壤的表观介电常数和采样点土壤的土壤含水量进行线性拟合得到的。2.根据权利要求1所述的土壤含水量探测系统，其特征在于，还包括：线缆，用于连接所述探针和所述电磁脉冲发射器。3.根据权利要求1所述的土壤含水量探测系统，其特征在于，还包括：电源，分别与所述电磁脉冲发射器、所述取样示波器和所述处理器连接，用于为所述电磁脉冲发射器、所述取样示波器和所述处理器供电。4.根据权利要求1所述的土壤含水量探测系统，其特征在于，还包括：外壳，用于封装所述电磁脉冲发射器、所述取样示波器和所述处理器。5.根据权利要求1所述的土壤含水量探测系统，其特征在于，所述探针的材质为不锈钢。6.根据权利要求1所述的土壤含水量探测系统，其特征在于，所述探针的长度为50mm～80mm。7.根据权利要求1所述的土壤含水量探测系统，其特征在于，所述探针的测量温度为-40℃～100℃；所述探针的测量范围为0％～100％体积含水量。8.根据权利要求3所述的土壤含水量探测系统，其特征在于，所述电源为24v 12a的电池或220v交流电。9.一种土壤含水量探测方法，其特征在于，所述土壤含水量探测方法应用于如权利要求1-8中任意一项所述的土壤含水量探测系统，包括：向目标土壤发射探测电磁波并接收第一反射波和第二反射波；根据所述第一反射波和所述第二反射波确定电磁波的往返时间；根据所述电磁波的往返时间确定目标土壤的表观介电常数；根据所述目标土壤的表观介电常数和土壤含水量标定曲线确定目标土壤的土壤含水量。10.根据权利要求9所述的土壤含水量探测方法，其特征在于，根据所述电磁波的往返时间确定目标土壤的表观介电常数，具体公式为：
其中，k
α
为目标土壤的表观介电系数；t为电磁波的往返时间；l为探针的长度；c为电磁波在真空中的传播速度。

技术总结
本发明公开一种土壤含水量探测系统及方法，涉及土壤含水量测定领域，本发明利用电磁脉冲发射器产生探测电磁波，并利用探针将探测电磁波传送至目标土壤中，由于电磁波在传播时，一部分电磁波会因为线缆和探针阻抗的不同，在传到探针顶端时被反射回来，剩余部分的电磁波则会通过探针达到底端被反射回来，从而可以利用取样示波器根据第一反射波和第二反射波确定电磁波的往返时间，进而利用处理器根据电磁波的往返时间确定目标土壤的表观介电常数，并根据目标土壤的表观介电常数和土壤含水量标定曲线确定目标土壤的土壤含水量。本发明能够快速、准确地实现对目标土壤的土壤含水量的测定，且对土壤的破坏性较小，能够实现对同一土壤的重复测定。同一土壤的重复测定。同一土壤的重复测定。


技术研发人员：雷添杰 李翔宇 朱宣谕 张亚珍 叶回春 邹彦龙 周子淇 张丽 王玮伟 王麒粤 季子琦
受保护的技术使用者：雷添杰
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/16