水分傳感器及表層土壤參數(shù)采集裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水分傳感器及表層土壤參數(shù)采集裝置，涉及土壤信息采集【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種所述水分傳感器包括：兩個片狀的電極和兩個信號線，所述兩個信號線與所述兩個電極一一對應(yīng)連接，所述兩個電極為平行設(shè)置。本發(fā)明通過對水分傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)置，實現(xiàn)了采集與大氣直接接觸的表層土壤的含水率，能夠有效為田間土壤表面蒸發(fā)作用和水土保持提供數(shù)字化信息。
【專利說明】水分傳感器及表層土壤參數(shù)采集裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及土壤信息采集【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種水分傳感器及表層土壤參數(shù)采集裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]作為生態(tài)系統(tǒng)重要的環(huán)境因素和組成成分，土壤直接參與生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量循環(huán)。具體而言，土壤是一種自然資源和生產(chǎn)資料，為植物生長提供必須的水分和營養(yǎng)物質(zhì)，從而影響動物生長和活動。為了更好地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、促進大自然的物質(zhì)和能量循環(huán)，現(xiàn)代信息化社會對土壤環(huán)境監(jiān)測提出新的要求。
[0003]土壤水分是土壤肥力因素中最活躍的一個，它能夠影響土壤結(jié)構(gòu)和土壤耕性、控制土壤呼吸強度，改變土壤氣、熱和養(yǎng)分的構(gòu)成和分布?，F(xiàn)有的土壤含水率傳感器都只致力于測量一定深度下的土壤含水率，但對非常重要的與大氣直接接觸的表層土壤的含水率并無涉及，不能為田間土壤表面蒸發(fā)作用和水土保持提供數(shù)字化信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一)要解決的技術(shù)問題
[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:如何測量表層土壤的含水率。
[0006](二)技術(shù)方案
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種水分傳感器，所述水分傳感器包括:兩個片狀的電極和兩個信號線，所述兩個信號線與所述兩個電極一一對應(yīng)連接，所述兩個電極為平行設(shè)置。
[0008]本發(fā)明還公開了一種表層土壤參數(shù)采集裝置，所述裝置包括:絕緣固定板、水分傳感器和數(shù)據(jù)采集盒，所述水分傳感器的兩個電極敷設(shè)于所述絕緣固定板的下表面，所述數(shù)據(jù)采集盒內(nèi)設(shè)有相互連接的信號調(diào)理單元和微控制器，所述信號調(diào)理單元與所述水分傳感器連接；
[0009]所述信號調(diào)理單元向所述水分傳感器的兩個信號線發(fā)送高頻調(diào)制波，再接收由所述水分傳感器的兩個電極所獲得的與表層土壤含水率相關(guān)的第一感應(yīng)信號，所述信號調(diào)理單元將所述第一感應(yīng)信號進行調(diào)理，以獲得第一標準電信號，由所述微控制器對所述第一標準電信號進行處理，以獲得表層土壤含水率。
[0010]其中，所述信號調(diào)理單元包括:高頻信號源、調(diào)制電路、檢波電路、低通濾波電路和運放電路，所述水分傳感器與所述調(diào)制電路和所述檢波電路分別連接，所述檢波電路與所述低通濾波電路連接，所述高頻信號源與所述調(diào)制電路連接，所述低通濾波電路和運放電路連接，所述運放電路與所述微控制器連接；
[0011]所述高頻信號源產(chǎn)生高頻信號，由所述調(diào)制電路進行調(diào)制，以產(chǎn)生所述高頻調(diào)制波，所述檢波電路接收所述感應(yīng)信號，并對所述感應(yīng)信號進行檢波，以獲得表層土壤含水率信息，所述表層土壤含水率信息由所述低通濾波電路進行濾波處理，再由所述運放電路進行放大處理后，以獲得所述第一標準電信號。
[0012]其中，所述低通濾波電路和運放電路之間還設(shè)有調(diào)零電路。
[0013]其中，所述裝置還包括:支撐桿，所述支撐桿穿過且固定所述數(shù)據(jù)采集盒，所述數(shù)據(jù)采集盒上表面設(shè)有位移傳感器，所述支撐桿的下端設(shè)有壓力傳感器，所述壓力傳感器通過墊片設(shè)于所述絕緣固定板上，所述壓力傳感器和位移傳感器分別與所述低通濾波電路連接;
[0014]所述壓力傳感器獲得與表層土壤壓緊阻力對應(yīng)的第二感應(yīng)信號，所述位移傳感器獲得與下壓位移對應(yīng)的第三感應(yīng)信號，所述第二感應(yīng)信號和第三感應(yīng)信號分別由所述低通濾波電路進行濾波，再由所述運放電路進行放大處理后，獲得第二標準電信號和第三標準電信號，由所述微控制器對所述第二標準電信號和第三標準電信號進行處理，以獲得所述表層土壤壓緊阻力和下壓位移，并通過所述表層土壤壓緊阻力和下壓位移計算獲得表層土壤緊實度。
[0015]其中，所述絕緣固定板上設(shè)有若干通孔，所述水分傳感器的兩個電極通過所述絕緣固定板上的兩個通孔與所述水分傳感器的兩個信號線連接。
[0016]其中，所述裝置還包括:絕緣外殼，所述絕緣外殼為方形槽狀且開口朝下，所述數(shù)據(jù)采集盒和絕緣固定板均設(shè)于所述絕緣外殼內(nèi)，所述絕緣外殼的底面設(shè)有通孔，所述支撐桿通過所述通孔穿過所述絕緣外殼。
[0017]其中，所述支撐桿頂端設(shè)有手柄。
[0018]其中，所述裝置還包括:存儲單元和顯示器，所述存儲單元設(shè)于所述數(shù)據(jù)采集盒內(nèi)，所述顯示器設(shè)于所述絕緣外殼的底面，所述存儲單元和顯示器分別與所述微控制器連接，所述存儲單元用于存儲所述表層土壤含水率和/或所述表層土壤緊實度，所述顯示器用于顯示所述表層土壤含水率、所述表層土壤緊實度和所述下壓位移中的至少一個。
[0019]其中，所述裝置還包括:調(diào)零螺絲，所述調(diào)零螺絲設(shè)于所述絕緣外殼上，且與所述調(diào)零電路連接，用于實現(xiàn)調(diào)零。
[0020](三)有益效果
[0021]本發(fā)明通過對水分傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)置，實現(xiàn)了采集與大氣直接接觸的表層土壤的含水率，能夠有效為田間土壤表面蒸發(fā)作用和水土保持提供數(shù)字化信息。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明一種實施方式的表層土壤參數(shù)采集裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2是圖1所示的表層土壤參數(shù)采集裝置的分解結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3是圖1所示的表層土壤參數(shù)采集裝置的絕緣固定板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖4是圖1所示的表層土壤參數(shù)采集裝置中數(shù)據(jù)采集盒的結(jié)構(gòu)框圖；
[0026]圖5是圖4所示的數(shù)據(jù)采集盒中信號調(diào)理電路的結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0028]本實施方式利用水分傳感器采用頻域分解法測量表層土壤水分，但還可通過時域反射法或駐波比法等方法進行測量，只需調(diào)整電路即可實現(xiàn)。圖1是本發(fā)明一種實施方式的表層土壤參數(shù)采集裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1所示的表層土壤參數(shù)采集裝置的分解結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖1所示的表層土壤參數(shù)采集裝置的絕緣固定板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圖1所示的表層土壤參數(shù)采集裝置中數(shù)據(jù)采集盒的結(jié)構(gòu)框圖；參照圖1?4，所述裝置包括:絕緣固定板7、水分傳感器75和數(shù)據(jù)采集盒8，所述水分傳感器75包括:兩個片狀的電極74和兩個導(dǎo)線(即信號線)73，所述兩個導(dǎo)線73與所述兩個電極74 —一對應(yīng)連接，且對應(yīng)的導(dǎo)線73和電極74呈垂直設(shè)置，所述兩個電極74為平行設(shè)置，所述水分傳感器75的兩個電極74敷設(shè)于所述絕緣固定板7的下表面，所述數(shù)據(jù)采集盒8內(nèi)設(shè)有相互連接的信號調(diào)理單元82和微控制器83，所述信號調(diào)理單元82與所述水分傳感器75連接；
[0029]所述信號調(diào)理單元82向所述水分傳感器75的兩個導(dǎo)線73發(fā)送高頻調(diào)制波，再接收由所述水分傳感器75的兩個電極74所獲得的與表層土壤含水率相關(guān)的第一感應(yīng)信號(即經(jīng)過表層土壤的高頻調(diào)制波)，所述信號調(diào)理單元82將所述第一感應(yīng)信號進行調(diào)理，以獲得第一標準電信號，由所述微控制器83對所述第一標準電信號進行處理(通過既定的算法和公式進行處理)，以獲得表層土壤含水率；
[0030]本實施方式中，所述數(shù)據(jù)采集盒8通過聚氯乙烯(PVC)材料制成，且長10cm、寬IOcm且高3cm，所述數(shù)據(jù)采集盒內(nèi)還設(shè)有電源81，所述電源為所述信號調(diào)理單元82、微控制器83、存儲單元84、顯示器85和數(shù)據(jù)傳輸單元86進行供電，所述電源81采用9?12V干(蓄)電池，所述微控制器83采用MSP430H49芯片，所述絕緣固定板I長10cm、寬IOcm且高0.3cm,所述兩個導(dǎo)線73由銅制成且其截面為0.1cmX0.5cm,呈U型,所述兩個電極均為長9cm、寬Icm且厚度可忽略不計，所述兩個電極之間間隔1cm，所述兩個導(dǎo)線之間間隔1cm。
[0031]為便于實現(xiàn)表層土壤含水率，參照圖5，優(yōu)選地，所述信號調(diào)理單元82包括:高頻信號源822、調(diào)制電路821、檢波電路823、低通濾波電路824和運放電路826，所述水分傳感器與所述調(diào)制電路821和所述檢波電路823分別連接，所述檢波電路823與所述低通濾波電路824連接，所述高頻信號源822與所述調(diào)制電路821連接，所述低通濾波電路824和運放電路826連接，所述運放電路826與所述微控制器82連接；
[0032]所述高頻信號源822產(chǎn)生高頻信號，由所述調(diào)制電路821進行調(diào)制，以產(chǎn)生所述高頻調(diào)制波，由所述檢波電路823對所述第一感應(yīng)信號進行檢波，接著由所述低通濾波電路824進行濾波處理，再由所述運放電路826進行放大處理后，獲得所述第一標準電信號；
[0033]本實施方式中，所述高頻信號源822為IOOMHz的貼片晶振，所述檢波電路823進行檢波時，采用二極管包絡(luò)檢波。
[0034]為防止出現(xiàn)傳感器的初始值不為零的情況，優(yōu)選地，所述低通濾波電路824和運放電路826之間還設(shè)有調(diào)零電路825。
[0035]為便于測量表層土壤的緊實度，以利于研究表層土壤含水率和表層土壤緊實度之間的耦合關(guān)系，優(yōu)選地，所述裝置還包括:支撐桿2(所述支撐桿為空心圓桿，可降低重量，節(jié)約成本，并且還可將部件的連接線設(shè)于所述支撐桿內(nèi))，所述支撐桿2穿過且固定(通過螺紋結(jié)構(gòu)等可拆卸的固定方式進行固定)所述數(shù)據(jù)采集盒8，所述數(shù)據(jù)采集盒8上表面設(shè)有位移傳感器9，所述支撐桿2的下端設(shè)有壓力傳感器77，所述壓力傳感器77通過墊片76設(shè)于所述絕緣固定板7上，所述壓力傳感器和位移傳感器分別與所述低通濾波電路連接；
[0036]所述壓力傳感器77獲得與表層土壤壓緊阻力對應(yīng)的第二感應(yīng)信號，所述位移傳感器獲得與下壓位移對應(yīng)的第三感應(yīng)信號，所述第二感應(yīng)信號和第三感應(yīng)信號分別由所述低通濾波電路824進行濾波，再由所述運放電路826進行放大處理后，獲得第二標準電信號和第三標準電信號，由所述微控制器83對所述第二標準電信號和第三標準電信號進行處理，以獲得所述表層土壤壓緊阻力和下壓位移，并通過所述表層土壤壓緊阻力和下壓位移計算獲得表層土壤緊實度；
[0037]本實施方式中，所述壓力傳感器77采用電阻應(yīng)變片式壓力傳感器、且外形為直徑3cm高3cm的圓柱,所述支撐桿2為直徑Icm且長45cm的空心聚氯乙烯(PVC)圓柱,所述墊片為橡膠制成，且4cmX4cmX0.1cm,所述數(shù)據(jù)采集盒8位于支撐桿2靠下三分之一處。
[0038]為便于對土壤進行下壓時，可使被壓的土壤能夠通過一部分，防止土壤被壓實而導(dǎo)致的壓力值不準確，優(yōu)選地，所述絕緣固定板7上設(shè)有若干通孔71 (所述通孔直徑為
0.5cm)，所述水分傳感器的兩個電極74通過所述絕緣固定板7上的兩個通孔71與所述水分傳感器的兩個導(dǎo)線73連接，本實施方式中，所述絕緣固定板7為硬質(zhì)聚氯乙烯(PVC)材料制成的正方形薄板，可通過改變兩個電極74的相對面積和距離，來改變水分傳感器的靈敏度。
[0039]為便于保護所述數(shù)據(jù)采集盒和傳感器等部件，優(yōu)選地，所述裝置還包括:絕緣外殼3，所述絕緣外殼3為方形槽狀且開口朝下，所述數(shù)據(jù)采集盒8和絕緣固定板7均設(shè)于所述絕緣外殼3內(nèi)，所述絕緣外殼3的底面設(shè)有通孔，所述支撐桿2通過所述通孔(該通孔的直徑略大于所述支撐桿的外徑，以便于支撐桿2和絕緣外殼3能夠自由地相對滑動)穿過所述絕緣外殼3，絕緣外殼3保證了整個裝置能平穩(wěn)地放置在土壤表面，并能夠在測量時，引導(dǎo)測量裝置的支撐桿2按照特定的軌道向下移動；本實施方式中，所述絕緣外殼3是外觀為16cmX 16cmX 16cm的正方體，在開口方向的中心處開有10.5cmX 10.5cmX 13.5cm的方形槽，底面中心處開有一直徑1.5cm的圓形通孔。
[0040]所述支撐桿可采用設(shè)備提供下壓力，但為了使裝置更為靈活，能夠通過人工進行下壓操作，優(yōu)選地，所述支撐桿2頂端設(shè)有手柄1，所述手柄I與所述支撐桿2呈“T”字形垂直連接，本實施方式中，所述手柄I為直徑Icm且長20cm的空心聚氯乙烯PVC圓柱。
[0041]為便于存儲和顯示數(shù)據(jù)，優(yōu)選地，所述裝置還包括:存儲單元84和顯示器4，所述存儲單元84設(shè)于所述數(shù)據(jù)采集盒8內(nèi)，所述顯示器4設(shè)于所述絕緣外殼3的底面，所述存儲單元84和顯示器4分別與所述微控制器83連接，所述存儲單元84用于存儲所述表層土壤含水率和/或所述表層土壤緊實度，所述顯示器4用于顯示所述表層土壤含水率、所述表層土壤緊實度和所述下壓位移中的至少一個，本實施方式中，所述顯示器4為液晶(IXD)顯示器，所述IXD顯示器采用12864液晶屏，所述存儲單元84采用E2PR0M芯片。
[0042]為便于使得裝置能夠與上位機進行通訊，優(yōu)選地，所述裝置還包括:數(shù)據(jù)傳輸單元86，所述數(shù)據(jù)傳輸單元86與所述微控制器83連接，所述數(shù)據(jù)傳輸單元86通過數(shù)據(jù)傳輸線與上位機進行數(shù)據(jù)交互，本實施方式中，所述數(shù)據(jù)傳輸單元86采用RS485接口或USB接口，所述上位機為掌上電腦PDA等便攜設(shè)備。
[0043]為便于控制下壓的啟停，優(yōu)選地，所述裝置還包括:指示燈5，所述指示燈5與所述微控制器83連接，當下壓位移達到預(yù)設(shè)值(本實施方式中，所述預(yù)設(shè)值為5cm)時，指示燈亮，本實施方式中，所述指示燈5為發(fā)光二極管(LED)燈。
[0044]為便于在絕緣外殼上即可實現(xiàn)調(diào)零，優(yōu)選地，所述裝置還包括:調(diào)零螺絲6，所述調(diào)零螺絲6設(shè)于所述絕緣外殼3上，且與所述調(diào)零電路連接825，用于實現(xiàn)調(diào)零。
[0045]本實施方式的裝置的工作原理為:通過調(diào)零螺絲進行調(diào)零；把測量裝置放置于田間土壤表面，使測量裝置下端的絕緣固定板及電極與土壤充分接觸；握持手柄向下按壓；觀察指示燈，當指示燈亮時停止按壓；從液晶屏上讀取表層土壤含水率和表層土壤緊實度。重復(fù)上述步驟，即可獲得不同時間、不同地點的田間表層土壤含水率和表層土壤緊實度。
[0046]本實施方式的表層土壤參數(shù)采集裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比，存在以下有益效果:(1)致力于表層土壤信息的數(shù)字化采集，填補大氣與土壤交界面處水分和緊實度獲取的空白；
(2)可同時測量兩個物理量，并通過經(jīng)驗?zāi)Ｐ屯瑫r提高兩個參數(shù)的測量精度；(3)壓力值采用短距離內(nèi)多次采樣求平均值的方法，弱化了對緊實度測量速度的苛刻要求；(4)利用土壤介電原理，測量裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成本低廉；(5)測量裝置設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸單元，可以與PDA等便攜裝置交換數(shù)據(jù)，便于田間環(huán)境的統(tǒng)一監(jiān)測和管理。
[0047]以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
【權(quán)利要求】
1.一種水分傳感器，其特征在于，所述水分傳感器包括:兩個片狀的電極和兩個信號線，所述兩個信號線與所述兩個電極一一對應(yīng)連接，所述兩個電極為平行設(shè)置。
2.一種表層土壤參數(shù)采集裝置，其特征在于，所述裝置包括:絕緣固定板、權(quán)利要求1所述的水分傳感器和數(shù)據(jù)采集盒，所述水分傳感器的兩個電極敷設(shè)于所述絕緣固定板的下表面，所述數(shù)據(jù)采集盒內(nèi)設(shè)有相互連接的信號調(diào)理單元和微控制器，所述信號調(diào)理單元與所述水分傳感器連接； 所述信號調(diào)理單元向所述水分傳感器的兩個信號線發(fā)送高頻調(diào)制波，再接收由所述水分傳感器的兩個電極所獲得的與表層土壤含水率相關(guān)的第一感應(yīng)信號，所述信號調(diào)理單元將所述第一感應(yīng)信號進行調(diào)理，以獲得第一標準電信號，由所述微控制器對所述第一標準電信號進行處理，以獲得表層土壤含水率。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述信號調(diào)理單元包括:高頻信號源、調(diào)制電路、檢波電路、低通濾波電路和運放電路，所述水分傳感器與所述調(diào)制電路和所述檢波電路分別連接，所述檢波電路與所述低通濾波電路連接，所述高頻信號源與所述調(diào)制電路連接，所述低通濾波電路和運放電路連接，所述運放電路與所述微控制器連接； 所述高頻信號源產(chǎn)生高頻信號，由所述調(diào)制電路進行調(diào)制，以產(chǎn)生所述高頻調(diào)制波，所述檢波電路接收所述第一感應(yīng)信號，并對所述感應(yīng)信號進行檢波，以獲得表層土壤含水率信息，所述表層土壤含水率信息由所述低通濾波電路進行濾波處理，再由所述運放電路進行放大處理后，以獲得所述第一標準電信號。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述低通濾波電路和運放電路之間還設(shè)有調(diào)零電路。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括:支撐桿，所述支撐桿穿過且固定所述數(shù)據(jù)采集盒，所述數(shù)據(jù)采集盒上表面設(shè)有位移傳感器，所述支撐桿的下端設(shè)有壓力傳感器，所述壓力傳感 器通過墊片設(shè)于所述絕緣固定板上，所述壓力傳感器和位移傳感器分別與所述低通濾波電路連接； 所述壓力傳感器獲得與表層土壤壓緊阻力對應(yīng)的第二感應(yīng)信號，所述位移傳感器獲得與下壓位移對應(yīng)的第三感應(yīng)信號，所述第二感應(yīng)信號和第三感應(yīng)信號分別由所述低通濾波電路進行濾波，再由所述運放電路進行放大處理后，獲得第二標準電信號和第三標準電信號，由所述微控制器對所述第二標準電信號和第三標準電信號進行處理，以獲得所述表層土壤壓緊阻力和下壓位移，并通過所述表層土壤壓緊阻力和下壓位移計算獲得表層土壤緊實度。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述絕緣固定板上設(shè)有若干通孔，所述水分傳感器的兩個電極通過所述絕緣固定板上的兩個通孔與所述水分傳感器的兩個信號線連接。
7.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括:絕緣外殼，所述絕緣外殼為方形槽狀且開口朝下，所述數(shù)據(jù)采集盒和絕緣固定板均設(shè)于所述絕緣外殼內(nèi)，所述絕緣外殼的底面設(shè)有通孔，所述支撐桿通過所述通孔穿過所述絕緣外殼。
8.如權(quán)利要求5或6所述的裝置，其特征在于，所述支撐桿頂端設(shè)有手柄。
9.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括:存儲單元和顯示器，所述存儲單元設(shè)于所述數(shù)據(jù)采集盒內(nèi)，所述顯示器設(shè)于所述絕緣外殼的底面，所述存儲單元和顯示器分別與所述微控制器連接，所述存儲單元用于存儲所述表層土壤含水率和/或所述表層土壤緊實度，所述顯示器用于顯示所述表層土壤含水率、所述表層土壤緊實度和所述下壓位移中的至少一個。
10.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括:調(diào)零螺絲，所述調(diào)零螺絲設(shè)于所述絕緣外殼上，且與所述調(diào)零電路連接，用于實現(xiàn)調(diào)零。
【文檔編號】G01N22/04GK103616391SQ201310512718
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年10月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月25日
【發(fā)明者】林劍輝, 蔡祥, 王巧利, 高大帥 申請人:北京林業(yè)大學