专利名称：一种同步实时测量三参数的复合传感器及其测量设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量土壤参数的传感器及其支持设备，尤其涉及一种同步实时测量土壤剖面含水率、电导率与压实度的复合传感器及其测量设备。
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 1999 ASAE/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，verified2001 March 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。
土壤电导率是另一个重要的土壤物理参数，它是土壤盐分，水分，有机质含量，土壤质地结构等的综合反映，对于农田作业，环境污染等研究与应用有着相当重要的作用。土壤电导率的测量目前采用的方法主要是介电损耗的方法，与测量土壤含水率的介电测量方法同属于电磁测量方法。正如前面所述，土壤电导率是多种土壤性能的综合反应，因此它与测量土壤其它参数I如水分)等有着密切的联系。故此，同步实时获取土壤电导率信息将为土壤其它参数的测量提供更加精确的校正。
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
本发明的目的在于克服已有的土壤参数传感器对土壤参数分离测量，忽略各参数间相关性与相互影响的缺陷；从而提供一种通过同步实时测量圆锥的高频阻抗、高频损耗和圆锥受力指数，进而根据相关的多变量数学模型确定土壤含水率、土壤电导率与土壤压实度的复合传感器及其测量设备。
本发明提供的土壤三参数复合传感器，外型结构如图1所示，包括圆锥头8，土壤含水率传感器2，空心圆杆3及通过空心圆杆3内的信号导线10；其特征在于还包括土壤电导率传感器5，压力传感器4，隔离各传感器的绝缘体9；其中圆锥头8设置在空心圆杆3的一端口，绝缘体9、土壤含水率传感器2、绝缘体9、土壤电导率传感器5、绝缘体9、土壤电导率传感器5、绝缘体9、土壤电导率传感器5、绝缘体9、土壤电导率传感器5和绝缘体9顺序围在空心圆杆3外，压力传感器4安装在空心圆杆3的另一端口；信号导线10与金属环采用的是无焊链接，信号导线10再与压力传感器4电连接穿出空心圆杆3。
所述的土壤水份传感器2是由圆锥头8及靠近圆锥头8最近的一个金属环组成，圆锥头8即可以在插入土壤时测量圆锥指数，同时也作为水分传感器的一个组成部分。
所述的绝缘体9选自PVC绝缘材料。
本发明提供的同步实时测量土壤三参数传感器的测量设备，外形结构如图2所示，包括一根主立柱15设置在底座20上，一深度传感器12安装在主立柱15一侧；其特征在于，还包括一主安装台13，主立柱15顶端通过安装主安装台13与传感器安装台6固定为一整体；该主安装台13一侧安装一步进电机11，所述的主立柱15的一侧面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15，并使传感器安装台6沿主立柱15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11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上安装土壤三参数传感器和深度传感器12；土壤三参数感器的空心圆杆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26，蓄电池为步进电机11、控制器26、深度传感器12及土壤三参数传感器供电；土壤三参数传感器通过信号线10与控制器26电连接，测量信号由空心圆杆3内部的信号线10输出到控制器26；所述的控制器26控制步进电机11的运转从而控制主安装台6的运行，控制器26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，用以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26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。
所述的上行程控制块或下行程控制块为一金属块。
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。
利用本发明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，土壤三参数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，从而改变土壤三参数传感器的移动范围。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。
本发明的优点本发明提供的同步实时测量土壤三参数传感器及其支持设备具有(1)在一个传感器内融合三种不同物理量的测量，并通过对这三个相关物理量的数学建模同时提高三者的测量精度；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、电导率三个重要土壤物理参数，绘出土壤圆锥指数与含水率、电导率的纵向分布剖面；实现了土壤圆锥指数与含水率、电导率的同步实时测量。
(2)所测量的土壤圆锥指数与含水率、电导率均为剖面含参数，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)本发明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本发明的土壤三参数传感器示意2本发明的同步实时测量土壤三参数的测量设备立体结构3本发明的设备中主安装台与主立柱结合部剖面4本发明的控制器的组成框面说明如下圆锥体-1； 土壤含水率传感器-2；空心圆杆-3；压力传感器-4； 土壤电导率传感器-5；安装台-6；球形链接键-7； 圆锥体-8； 绝缘体-9；信号线-10；步进电机-11； 深度传感器-12；主安装台-13； 滑轮-14； 主立柱-15；齿轮状导轨-16；上行程控制块-17； 下行程控制块-18；螺丝-19； 底座-20； 脚踏板-21；行走轮-22；手柄-23； 通讯接口-24；电池盒-25；控制器-26；具体实施方式
实施例1，以下结合附图和实施例详细说明本发明。
参考图1，制作一本实施例的土壤三参数传感器包括一用于支持各个传感器的空心圆杆3，其末端有一圆锥体8，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，在空心圆杆3内依次嵌入PVC材料制作的圆环状的绝缘体9、土壤含水率传感器2、PVC圆环绝缘体9、土壤电导率传感器5、PVC圆环绝缘体9、土壤电导率传感器5、PVC圆环绝缘体9、土壤电导率传感器5、PVC圆环绝缘体9、土壤电导率传感器5和PVC圆环绝缘体9顺序围在空心圆杆3外，压力传感器4安装在空心圆杆3的另一端口；信号导线10与金属环采用的是无焊链接，信号导线10再与压力传感器4电连接穿出空心圆杆3，测量信号由信号线10输出到设备控制器26。
本实施例的土壤含水率传感器2是由圆锥体8及靠近圆锥体8最近的一个镍铬合金金属环组成的，环的大小只要围着空心圆杆3即可。圆锥体即可以在插入土壤时测量圆锥指数，同时也作为水分传感器的一个组成部分。从电路角度来说，就是一段电容(对于水分传感器)或是导线(对于电导率传感器)。
本实施例的土壤电导率传感器5由4个镍铬合金金属圆环组成。
本实施例的压力传感器4是一市场上购买的压力传感器是德国产(HDM公司)的C9B应变片。
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及土壤电导率传感器5隔开，测量信号由空心圆杆3内部的信号线10输出到设备控制器26。土壤电导率传感器5内嵌于圆锥体1上，作用机理为电磁场的高频介电损耗，根据损耗角的大小，即可得出被测量土壤的电导率。土壤电导率传感器6由PVC绝缘体9与土壤含水率传感器2及空心圆杆3隔开，测量信号由空心圆杆3内部的信号线10输出到设备控制器26。一市场上购买的压力传感器4安装于土壤三参数传感器上部，其信号由信号线10输出到设备控制器26。
参考图2，制作一本实施例的同步实时测量土壤三参数传感器测量设备，土壤三参数传感器的空心圆杆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齿轮状导轨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。主安装台13顶部固定一电源盒25和控制器26，电源盒25可以是外接电源，也可以是蓄电池盒，蓄电池为步进电机11、控制器26、深度传感器12及土壤三参数传感器供电；一深度传感器12和步进电机11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11电联接，并由步进电机11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。一带通讯接口24的控制器26与步进电机11电连接，步进电机11在控制器26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测量的一致性。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，上行程控制块17与下行程控制块18为一金属块，例如铜块，当主安装台碰到这个行程块的时候就会反方向行进或是停止。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，从而改变土壤三参数传感器的移动范围。
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26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25的功能有两个方面控制步进电机11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26包括一由普通的整流滤波电路作为信号调节单元，该信号调节单元将做整流滤波相应信号处理；一A/D转换器为TSC7106；它将输入的模拟信号转换成数字信号，和经A/D转换器转换处理后，再把数据存储到存储器中；一CPU单元为MSP430；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，输入到信号调节单元；一数据存储器为FLASH628，用于存储采集到的传感器的数据；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11、设备控制器26、深度传感器及土壤三参数传感器供电，工作时蓄电池放置于控制器26背面的蓄电池盒25。
虽然已结合附图对本发明进行了充分的描述，但需要注意，对于本领域的普通技术人员来说，各种改变和修改都是可能的。因此，除了这种改变和修改背离本发明的范畴之外，它们都应被包括在本发明之中。
权利要求
1.一种同步实时测量土壤三参数的复合传感器，包括圆锥头(8)，土壤含水率传感器(2)，空心圆杆(3)及通过空心圆杆(3)内的信号导线(10)；其特征在于还包括土壤电导率传感器(5)，压力传感器(4)，隔离各传感器的绝缘体(9)；其中圆锥头(8)设置在空心圆杆(3)的一端口，绝缘体(9)、土壤含水率传感器(2)、绝缘体(9)、土壤电导率传感器(5)、绝缘体(9)、土壤电导率传感器(5)、绝缘体(9)、土壤电导率传感器(5)、绝缘体(9)、土壤电导率传感器(5)和绝缘体(9)顺序围在空心圆杆(3)外，压力传感器(4)安装在空心圆杆(3)的另一端口，信号导线(10)与土壤含水率传感器(2)和土壤电导率传感器(5)采用的是无焊链接，信号导线(10)再与压力传感器(4)电连接穿出空心圆杆(3)。
2.按权利要求1所述的同步实时测量土壤三参数的复合传感器，其特征在于所述的土壤含水率传感器(2)和土壤电导率传感器(5)为一金属圆环。
3.一种同步实时测量土壤三参数的测量设备，包括一根主立柱(15)设置在底座(20)上，一深度传感器(12)安装在主立柱(15)一侧；其特征在于，还包括一固定在主立柱(15)顶端的主安装台(13)，该主安装台(13)一侧安装一步进电机(11)，主立柱(15)顶端通过主安装台(13)与传感器安装台(6)连接为一个整体；在主立柱(15)的一侧面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(15)，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(11)电连接，并由步进电机(11)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(15)一侧面，一下行程控制块(18)位于主立柱(15)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)顶部固定电源盒(25)和控制器(26)，蓄电池为步进电机(11)、控制器(26)、深度传感器(12)及土壤三参数传感器供电；土壤三参数传感器通过信号线(10)与控制器(26)电连接，测量信号由空心圆杆(3)内部的信号线(10)输出到控制器(26)；所述的控制器(26)控制步进电机的运转从而控制主安装台的运行，控制器(26)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。
4.按权利要求2所述的同步实时测量土壤三参数的测量设备，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。
5.按权利要求3所述的同步实时测量土壤三参数的测量设备，其特征在于，所述的信号调节单元为普通的整流滤波电路。
6.按权利要求2所述的同步实时测量土壤三参数的测量设备，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。
7.按权利要求2所述的同步实时测量土壤三参数的测量设备，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2所述的同步实时测量土壤三参数的测量设备，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2所述的同步实时测量土壤三参数的测量设备，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。
10.按权利要求2所述的同步实时测量土壤三参数的测量设备，其特征在于，所述的电源盒为一蓄电池盒或是外接电源插座。
全文摘要
本发明涉及同步实时测量土壤三参数的复合传感器及其测量设备。传感器包括测量土壤圆锥指数的圆锥头，复合在圆锥头上的土壤含水率与土壤电导率传感器。测量设备包括主立柱，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。本发明的设备通过同步实时测量圆锥的高频阻抗、高频损耗和圆锥受力指数，进而根据相关的多变量数学模型确定土壤含水率、土壤电导率与压实度，实现土壤三参数的同步实时测量。
文档编号G01N33/00GK1815228SQ200510063149
公开日2006年8月9日 申请日期2005年4月5日 优先权日2005年4月5日
发明者孙宇瑞, 马道坤, 林剑辉 申请人:中国农业大学