专利名称：一种同步实时测量土壤剖面圆锥指数与含水率的设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种测量土壤圆锥指数与含水率的设备，尤其涉及一种同步实时测量土壤剖面圆锥指数与含水率的设备。
背景技术：
在农业生产过程中，土壤不仅对植物的生长提供物理支撑，也是植物生长的营养库。大量研究结果已经表明，土壤含水率与压实度是影响农作物生长的两个至关重要物理参数。水是保证农作物生长的命脉，土壤中所发生的一系列反应，能量与物质交换均与水分有关，它直接关系着作物产量与品质。土壤压实度不仅与种子的发芽破土率与植物的根系发育状况密切相关，同时也直接影响着土壤水分的运移过程。土壤圆锥指数定义为圆锥深入土壤过程中单位圆锥表面积所受到的阻力(N/cm2)，是目前国际上广泛使用的评价土壤压实度的测量参数。
自从TOPP等(1980)应用统计实验方法揭示了土壤含水率与土壤介电特性之间的定量关系以来，基于土壤介电特性的基础性研究引起了土壤科学工作者的广泛关注与重视。另一方面，土壤压实度尽管可以通过测量圆锥指数来刻画，但是多变量间耦合问题使得这种测量手段在实际应用上至今仍受到很大的局限性。在影响土壤水分与压实度测量精度的诸多因素中，人们逐渐意识到土壤介电与力学特性之间的相互耦合关系已经成为决定测量精度的主要误差因素。近年来Busscher等(1997，Soil & Tillage Research，43205-217)，曾尝试应用圆锥指数校正土壤含水率的测量，反过来Newman与Hummel(1999，Presentation for 1999ASAE/CSAE-SCGR Annual International Meeting，Toronto，Ontario，Canada，6，18-21)探讨了通过土壤含水率提高土壤压实度测量精度的可能性。此外，德国著名的TDR土壤水分测量仪生产厂家Micromodultechnik(Available atwww.mesasystemsco.com/pdf_files/TRIME_Theory.pdf，verified2001March 27)也对其生产的TRIME系列产品给出了一个基于土壤容重在1.4Mg m-3的校正公式。
虽然人们已经认识到土壤压实度与土壤含水率的重要性及其相关性，但对这两个物理里的测量始终是独立进行，使得测量过程繁琐，费时费力。尤其是由于两个参数测量得分别完成，前一个物理量测量对土壤产生的扰动严重影响到后一个物理量测量的准确度。
特别还应指出的是，目前测量土壤含水率常用的TDR方法(时域反射技术，Time DomainReflectrometry)所需测量时间较长，每两次测量间需要有一个数十秒的时间间隔，不能做到真正的连续实时测量，而且对传输导线长度有一定要求，与压力传感器融合时也存在不少问题。
发明内容
本实用新型的目的在于克服已有的土壤水分测量仪，存在连续实时测量时不能达到真正的连续，以及对传输导线长度要求苛刻的缺陷；从而提供一种通过同步实时测量圆锥的高频阻抗和圆锥受力指数，进而根据相关的多变量数学模型确定土壤含水率与压实度的土壤圆锥指数与含水率同步实时测量设备。
本实用新型提供的同步实时测量土壤剖面圆锥指数与含水率的设备，外形结构如图1所示，包括一底座20，该底座20上设置一根主立柱15，压力传感器4和深度传感器12；其特征在于，还包括一主安装台13，该主安装台13一侧安装一步进电机5，主立柱15顶端通过主安装台13用螺母与传感器安装台6相连，成为一个整体；在主立柱15的一侧面上自上而下设置一齿轮状导轨16，至少8个滑轮14安装在传感器安装台6上，从四个方向抱住主立柱并能使传感器安装台6沿主立柱方向上下移动；主安装台13通过滑轮14与主立柱15连接，滑轮14与步进电机5电连接，并由步进电机5驱动滑轮14沿着主立柱15的齿轮状导轨16上下行进；一上行程控制块17位于主立柱左侧面，一下行程控制块18位于底部；该传感器安装台6上安装一压力传感器4和深度传感器12；复合传感器的一根空心圆杆3通过球形链接键7安装在传感器安装台6下面；主安装台13顶部固定一蓄电池盒25和控制器11，蓄电池为步进电机5、控制器11、传感器及复合传感器供电；复合传感器通过信号线10与控制器11电连接，测量信号由空心长圆杆3内部的信号线10输出到控制器11；所述的控制器11控制步进电机的运转从而控制主安装台的运行，控制器11的主面板上有三个控制按钮，分别用于控制主安装台13向上，向下或停止运动。
在上述技术方案中，还包括在底座20上安装一付脚踏板21，克服测量过程中土壤反作用力产生的反弹。
在上述技术方案中，还包括一行走轮22，该行走轮22安装在底座20的一侧面。
在上述技术方案中，所述的控制器11包括信号调节单元、A/D转换器、CPU单元、数据存储器和数据通讯接口；其中CPU单元接到控制器面板上按钮的控制信号后，开始发出控制信号驱动电机运行，并根据情况开始采集传感器的信号输入，并通过信号调节单元做整流滤波相应信号处理，和经A/D转换器转换处理后，再把数据存储到存储器中；当阻力大于500N时，CPU也会向电机发出控制信号，驱动电机回转。
还包括一PC机，该PC机与CPU单元电连接，CPU单元则会同时把数据传给PC机；数据采集与存储器与多路传感器电连接，采集多路传感器信号并通过通讯接口24传输到PC。
所述的信号调节单元为普通的整流滤波电路。
所述的空心圆杆的长度根据要测土壤剖面深度选择。
利用本实用新型的设备进行测量的过程如下首先按下控制器面板上的向下按钮，控制器的CPU接到信号后向步进电机发出控制信号，驱动步时电机向下行进；测量开始时，复合传感器与传感器安装台6及主安装台13一起向下运行，同时控制器开始接收传感器信号，并做处理、存储，如果同时接有PC机且PC机与控制器的通讯是联通的，则控制器同时向PC机传送测量数据。当传感器安装台碰到下行程块时，CPU会收到一个下行程块信号，接到这个信号后就向步进电机发出向上运行的控制信号，驱动步进电机向上行进，同时结束传感器信号的采集并停止向PC机传送数据。当传感器向上行进碰到上行程块时，CPU会收到一个上行程块信号并给步进电机发出停止的控制信号，停止步进电机运行，一个测量操作过程结束。使用者可以根据实际测量深度的要求调整上下行程块17、18的位置，从而改变土壤含水率传感器2的移动范围。所述的导轨的长度是固定的，行程控制块所控制的范围是小于或等于导轨的长度的。
本实用新型的优点本实用新型提供的同步实时测量土壤剖面圆锥指数与含水率的设备具有(1)在一个传感器内融合两种不同物理量的测量，并通过对这两个相关物理量的数学建模同时提高两者的测量精度；可在0-50cm的深度范围内连续同步实时测量土壤圆锥指数与含水率两个重要土壤物理参数，绘出土壤圆锥指数与含水率的纵向分布剖面；实现了土壤圆锥指数与含水率的同步实时测量。
(2)所测量的土壤圆锥指数与含水率均为剖面含参数，剖面深度可通过选择不同长度的空心圆杆实现。
(3)传感器插入土壤的速度是恒定的，从而保证了对土壤圆锥指数解译的一致性。
(4)提供了操作时可以让操作者站立的脚踏板，有效的克服了测量过程中土壤反作用力产生的反弹。
(5)行走轮安装于主立柱底侧部，即不影响测量，又便于田间移动。
(6)通过机械上的设计，例如传感器与立柱的连接部位是采用的活动连接的，这样传感器以恒定的速度插入土壤中，保证对土壤圆锥指数解释的一致性；另外，当传感器插入土壤过程中，遇到异物有避让能力；或者可以防止在测量过程中出现的土壤压实过大，而导致压力传感器超负荷。
(7)本实用新型中还具有两种自我保护功能首先，当来自土壤的阻力过大时，阻力大于500N(500牛顿)的时候，控制器将不再向下行进，而是返回，以防止电机过载烧毁；其二，传感器与设备的连接部位是活动的，对传感器插入土壤过程中所碰到的异物，可以自动躲避土壤中的异物，例如石头。
(8)设备还设置数据采集与存储器部分，并可以与PC机联接。
图1本实用新型的同步实时测量设备立体结构图图2本实用新型的设备中复合传感器锥部剖面图图3本实用新型的设备中主安装台与主立柱结合部图参考图2，制作一本实施例的复合传感器包括一用于支持传感器的空心长圆杆3，其末端有一圆锥体，该圆锥体为美国农业工程师协会规定的标准尺寸的金属圆锥，以及在空心长圆杆3内依次嵌入PVC材料制作的圆环为绝缘体9、土壤含水率传感器2、PVC圆环绝缘体9、土壤含水率传感器2、和PVC圆环绝缘体9。圆锥指数测量原理为，在步进电机5的驱动下，圆锥体1插入土壤，土壤阻力通过空心长圆杆3传递给压力传感器4，并由其转换成电压输出。土壤含水率传感器2内嵌于圆锥体1上，作用机理为电磁场的边缘效应。根据Maxwell公式，导电环电磁场的边缘效应与其周围介质的介电常数相关，进一步再根据Topp公式指出的土壤介电常数与土壤含水率的关系即可得出被测土壤含水率的初始值。土壤含水率传感器2由PVC绝缘体9与锥头8及空心长圆杆3隔开，测量信号由空心长圆杆3内部的信号线10输出到设备控制器11。
参考图1，制作一本实施例的同步实时测量土壤剖面圆锥指数与含水率的设备，一市场上购买的压力传感器4安装于传感器安装台6上部，复合传感器的空心长圆杆3通过球形链接键7与传感器安装台6连接。由于球形链接键的链接有一定的空间自由度，保证了在传感器安装台6向下行进过程中，圆锥体1碰到异物(如石块等)时，空心长圆杆3有一定的偏移能力，从而躲开异物，避免异物对传感器的损坏。
一底座20，该底座20上设置一根主立柱15，主立柱15的正面自上而下设置一导轨16；主立柱15的顶面通过主安装台13通过螺母与传感器安装台6相连，成为一个整体。一深度传感器12和步进电机5均固定于主安装台13上，主安装台13通过十二个滑轮14与主立柱15连接，十二个滑轮14分别安装在传感器安装台6上，安装的位置是传感器安装台的内侧面与主立柱包合的部位，详见图3，从四个方向抱住主立柱15，并能使传感器安装台6沿主立柱15方向上下移动；滑轮14与步进电机5电联接，并由步进电机5驱动沿着主立柱15正面的齿轮状导轨16上下行进。深度传感器12采用电位器原理，当主安装台13上下移动时引起电位器电阻值的改变，从而改变传感器输出电压。步进电机5在控制器11的控制下，驱动主安装台13恒速运行，从而保证了对土壤圆锥指数解译的一致性。主立柱15左侧面的顶部安装有上行程控制块17，底部安装有下行程控制块18。完整的测量过程如下测量开始时，复合传感器与传感器安装台6及主安装台13一起向下运行，当碰到下行程控制块18时，改变运行方向向上运行，直到碰到上行程控制块17运行停止。使用者可以根据实际测量深度的要求调整上下行程块17、18的位置，从而改变土壤含水率传感器2的移动范围。
还包括通过螺丝19将主立柱15紧固于底座20上，在底座20上设置一付脚踏板21，供使用者在测量时站立，从而防止测量时由于阻力过大而产生的反弹现象。
还可将一付行走轮22安装于底座后部，设备工作时，行走轮22悬空；移动时，通过手柄23向后倾斜主立柱15使行走轮22着地行走，便于移动。
参考图4，本实施例的控制器11安装于主立柱15顶部。它的主面板上有三个控制按钮分别用于控制主安装台向上，向下和停止运动。控制器11的功能有两个方面控制步进电机的运转从而控制主安装台的运行，以及采集多路传感器信号并通过通讯接口24传输到PC机。控制器11包括一由普通的整流滤波电路作为信号调节单元；一A/D转换器为TSC7106；一CPU单元为MSP430；一数据存储器为FLASH628；一数据通讯接口为MAX232；其中CPU接到面板上按钮的控制信号后，开始发出控制信号驱动电机运行，并根据情况开始采集传感器的信号输入并做相应信号处理，然后把数据存储到存储器中；当阻力大于500N时，CPU也会向电机发出控制信号，驱动电机回转。
还包括一PC机，该PC机与CPU单元电连接，CPU单元则会同时把数据传给PC机；数据采集与存储器与多路传感器电连接，采集多路传感器信号并通过通讯接口24传输到PC。
本设备采用蓄电池为步进电机5、设备控制器11及复合传感器供电，工作时蓄电池放置于控制器11背面的蓄电池盒25。
权利要求1.一种同步实时测量土壤剖面圆锥指数与含水率的设备，包括一底座(20)，该底座(20)上设置一根主立柱(15)，压力传感器(4)和深度传感器(12)；其特征在于，还包括一主安装台(13)，该主安装台(13)一侧安装一步进电机(5)，主立柱(15)顶端通过主安装台(13)用螺母与传感器安装台(6)相连，成为一个整体；在主立柱(15)的一侧面上自上而下设置一齿轮状导轨(16)，至少8个滑轮(14)安装在传感器安装台(6)上，从四个方向抱住主立柱并能使传感器安装台(6)沿主立柱方向上下移动；主安装台(13)通过滑轮(14)与主立柱(15)连接，滑轮14与步进电机(5)电连接，并由步进电机(5)驱动滑轮(14)沿着主立柱(15)的齿轮状导轨(16)上下行进；一上行程控制块(17)位于主立柱左侧面，一下行程控制块(18)位于底部；该传感器安装台(6)上安装一压力传感器(4)和深度传感器(12)；复合传感器的一根空心圆杆(3)通过球形链接键(7)安装在传感器安装台(6)下面；主安装台(13)顶部固定一蓄电池盒(25)和控制器(11)，蓄电池为步进电机(5)、控制器(11)、传感器及复合传感器供电；复合传感器通过信号线(10)与控制器(11)电连接，测量信号由空心长圆杆(3)内部的信号线(10)输出到控制器(11)；所述的控制器(11)控制步进电机的运转从而控制主安装台的运行，控制器(11)的主面板上有三个分别用于控制主安装台(13)向上，向下或停止运动的控制按钮。
2.按权利要求1所述的同步实时测量土壤剖面圆锥指数与含水率的设备，其特征在于，所述的控制器包括信号调节单元、A/D转换器、CPU单元、数据存储器和数据通讯接口；其中CPU单元接到控制器面板上按钮的控制信号后，开始发出控制信号驱动电机运行，并根据情况开始采集传感器的信号输入，并通过信号调节单元做整流滤波相应信号处理，和经A/D转换器转换处理后，再把数据存储到存储器中；当阻力大于500N时，CPU也会向电机发出控制信号，驱动电机回转。
3.按权利要求2所述的同步实时测量土壤剖面圆锥指数与含水率的设备，其特征在于，所述的信号调节单元为普通的整流滤波电路。
4.按权利要求1所述的同步实时测量土壤剖面圆锥指数与含水率的设备，其特征在于，还包括一PC机，该PC机与通讯接口24电联接，数据存储器与多路传感器电连接，采集多路传感器信号并通过通讯接口24传输到PC机。
5.按权利要求1所述的同步实时测量土壤剖面圆锥指数与含水率的设备，其特征在于，所述的复合传感器包括一空心长圆杆(3)，在空心长圆杆(3)内依次嵌入绝缘体(9)、土壤含水率传感器(2)、绝缘体(9)、土壤含水率传感器(2)、和绝缘体(9)，其空心长圆杆(3)末端有一标准尺寸的金属圆锥体。
6.按权利要求4所述的同步实时测量土壤剖面圆锥指数与含水率的设备，其特征在于，所述的绝缘体(9)为PVC材料制作的圆环。
7.按权利要求1所述的同步实时测量土壤剖面圆锥指数与含水率的设备，其特征在于，还包括一付脚踏板(21)，安装在底座(20)正面上。
8.按权利要求1所述的同步实时测量土壤剖面圆锥指数与含水率的设备，其特征在于，还包括一行走轮(22)，该行走轮(22)安装在底座(20)的背面。
9.按权利要求1所述的同步实时测量土壤剖面圆锥指数与含水率的设备，其特征在于，所述的空心圆杆的长度根据要测土壤剖面深度选择。
专利摘要本实用新型涉及一种同步实时测量土壤剖面圆锥指数与含水率的设备，包括主立柱，用于支撑主立柱的底座，设置在主立柱上的导轨，沿导轨上下行进的传感器安装台；固定于主立柱上的控制器和蓄电池盒，控制器有信号输入接口与信号输出接口，驱动传感器安装台沿导轨行进的步进电机，测量传感器行进深度的位置传感器，以及用于支持传感器的空心长圆杆及压力传感器；给传感器和步进电机提供能源的蓄电池，安装于主立柱侧下部的行走轮，安装于主立柱顶部的数据采集器平台。本实用新型的设备通过同步实时测量圆锥的高频阻抗和圆锥受力指数，进而根据相关的多变量数学模型确定土壤含水率与压实度的土壤圆锥指数与含水率同步实时测量。
文档编号G01N27/12GK2758741SQ20042012013
公开日2006年2月15日 申请日期2004年12月24日 优先权日2004年12月24日
发明者孙宇瑞, 马道坤, 林剑辉 申请人:中国农业大学