基于时域反射法土壤含水量测量方法研究

论文摘要

在农业科学、水文科学和气象科学等领域中,土壤含水量是一个十分重要的指标。本文以土壤含水量的测量为研究对象,研究一种基于时域反射法、小时间测量方法和窄脉冲产生技术的土壤含水量测量方法,并搭建了实验平台。在此平台上完成测试实验,论证时域反射法的可行性。论文探讨了土壤介电常数与土壤含水量关系的理论公式与经验公式,研究时域反射法测量土壤含水量的原理和方法。研究并设计了小时间间隔测量系统,采用ADμC812单片机并结合高度集成的先进时间间隔测量芯片（TDC-GP2）,解决了纳秒级时间间隔测量的难题；设计了窄脉冲发生电路,采用超宽带频域技术（UWB）中的窄脉冲发生技术实现纳秒级可调的高频窄脉冲。对设计的测量系统中各模块分别进行测试,测试结果表明时间间隔测量系统可将时间误差控制在0.294ns以内；窄脉冲发生电路可产生上升沿小于1000ps且脉宽可调的符合测量所需的高频窄脉冲。系统实验对理论预期值与实际测量值进行了比较,并对其产生的误差进行了分析,分析结果表明基于时域反射法测量土壤含水量的方法在土壤含水量测量中具有速度快,操作简便,精确度高等优点,能实现土壤含水量的测量要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 土壤含水量测量研究背景及意义
• 1.2 测量土壤含水量的主要方法与特点
• 1.2.1 烘干法
• 1.2.2 电阻法
• 1.2.3 中子仪法
• 1.2.4 伽玛射线透射法
• 1.2.5 热传导法
• 1.2.6 时域反射法
• 1.3 时域反射法测量土壤含水量的研究现状
• 1.4 课题的研究内容
• 2 时域反射法测量土壤含水量原理
• 2.1 土壤混合物相对介电常数
• 2.2 土壤介电常数与体积含水量的关系
• 2.3 时域反射法测量原理
• 2.4 本章小结
• 3 土壤含水量测量系统设计
• 3.1 土壤含水量测量系统构成
• 3.2 单片机的选型与性能参数
• 3.3 液晶显示屏的选型与性能参数
• 3.4 探针的设计及参数
• 3.4.1 探针的类型与结构
• 3.4.2 探针的几何参数
• 3.4.3 探针的选择
• 3.5 脉冲发射单元设计
• 3.5.1 脉冲反射测量原理
• 3.5.2 窄脉冲发射的主要方法与特点
• 3.5.3 BFP183性能参数介绍
• 3.5.4 窄脉冲产生电路设计
• 3.6 高精度时间测量单元设计
• 3.6.1 高精度时间测量技术
• 3.6.2 TDC-GP2介绍
• 3.6.3 TDC-GP2时间间隔测量原理
• 3.6.4 TDC-GP2设置应用
• 3.6.5 时间间隔测量流程
• 3.7 测量系统软件设计
• 3.8 本章小结
• 4 实验与数据分析
• 4.1 时间测量单元测试实验
• 4.1.1 高精度时间测量系统
• 4.1.2 标准信号发生电路
• 4.1.3 实验结果与分析
• 4.2 窄脉冲发生电路仿真与测试
• 4.2.1 系统对窄脉冲的要求
• 4.2.2 窄脉冲仿真分析实验
• 4.2.3 窄脉冲发射电路测试
• 4.3 探针的标定
• 4.4 系统实验与数据分析
• 4.5 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 研究生期间发表论文