专利名称：一种土壤相对湿度和土壤肥力变化的检测装置及监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及土壤检测技术，具体涉及土壤相对湿度和土壤肥力变化的检测装置及监测系统。
背景技术：
“土壤”是指覆盖于地球陆地表面，具有肥力特征的，能够生长绿色植物的疏松物质层，其由各种颗粒状矿物质、有机物质、水分、空气、微生物等组成，它们互相联系，互相制约，为农作物提供必需的生活条件，是土壤肥力的物质基础。而土壤湿度决定农作物的水分供应状况，当土壤湿度过低时，形成土壤干旱，作用光合作用不能正常进行，从而降低农作物的产量和品质，严重缺水时甚至导致农作物凋萎和死亡；而当土壤湿度过高时，则恶化土壤通气性，影响土壤微生物的活动，使农作物根系的呼吸、生长等生命活动受到阻碍，从而影响农作物地上部分的正常生长，造成徒长、倒伏、病害滋生等；另外，土壤水分的多少还影响田间耕作措施和播种质量，并影响土壤温度的高低。土壤肥力则是土壤物理、化学、生物化学和物理化学特性的综合表现，也是土壤不同于母质的本质特性，其为植物生长提供营养支撑。但是，由于土壤肥力变好变坏既受自然气候等条件影响，也受栽培作物、耕作管理、灌溉施肥等农业技术措施以及社会经济制度和科学技术水平的制约等影响，因此，土壤肥力经常处于动态变化之中，而土壤中的N (氮)、 P (磷)、κ (钾)又是体现土壤肥力的主要要素，所以，及时掌握土壤中肥力因子的动态变化， 及时预测和调控，可使土壤肥力的发展与农作物的需求处于协调状态，以取得农作物高产稳产的效果。由于水对植物的生长起着至关重要的作用，土壤中有机养份的分解和矿化都离不开水分，施入土壤中的化学肥料只有在水中才能溶解，养分离子向根系迁移，植物根系对养分的吸收要通过水分介质来实现；同时土壤水分传感器的使用有利于合理使用水资源，达到节水灌溉的目的。而土壤肥力也对农作物的生长起着同样巨大的作用，近年来，由于农产品价格和肥料价格的提高，适时监测土壤肥力，合理施用肥料成为现代农业的一个重要问题。由于各种农作物的不同，比如大豆，有固氮的功能，种植大豆对于增加土壤肥力是有益处的；而玉米则是高度消耗土壤肥力的植物。土壤中肥力的变化还可能是土壤中的水分、雨水等等因素造成。因此，对于各种与土壤检测相关的传感器的使用及其发展是一个重要的基础问题，特别是农业温室大棚中，采用多种传感器来测量土壤的水分、土壤成分、PH值、降水量、 温度、空气湿度和气压、光照强度、二氧化碳浓度等的值来获得数据，并根据不同农作物生长的最佳条件，通过对温室大棚内的各种相关参数做精准调控，从而达到增加作物产量、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。虽然现代通讯技术和控制技术的发展已经解决了相关信息的远程传输和控制问题，但是由各类传感器提供实时的、稳定的、长期的、准确的监控数据一直是这个领域存在的问题。而在这一系列的传感器中，土壤水分和土壤肥力传感器是应用最为广泛的、最为重要的2种传感器。
而目前对于土壤湿度的测量有多种方法，比如称重烘干法、中子仪法、电阻法、热扩散法、时域反射法、频域反射法、电容法、遥感方法、地探雷达测试等。其中，称重烘干法是测定土壤湿度的基本方法，其测定精度较高，所需的土钻、烘箱均为常规设备，比较容易得到满足，同时它也是其他方法标定的基础，常用于检验其他测量方法的优劣性；但烘干法野外取样的工作量大，用烘箱烘干测定土壤水分所需的时间也比较长，对土壤有一定的破坏性，且不便于长期定点连续监测。而中子法则克服了烘干法的一些缺点，不必取土，不会破坏土壤的结构，可以实现对土壤水分的定点连续观测，但中子存在潜在的辐射性，当对表层土壤和干燥土壤进行水分测定时误差较大，需要现场标定，且设备价格高昂。电阻法虽然诞生时间比较长，但是目前在土壤湿度的测定中仍广泛使用，电阻法所用的传感器元器件价格低廉，不易腐坏，可以定点埋设，但是却也存在一定的缺陷，如测定土壤水分埋设探头时会破坏土壤结构，并存在滞后现象，而且测定结果易受温度和土壤溶盐的影响，测量前需要对各种不同质地的土壤分别进行标定。时域反射法(TDR)虽然避免了中子仪测定具有放射性的缺点，能快速、准确地对土壤水分进行定点连续测定，目前在野外土壤水分自动监测中使用较为普遍，其不足之处在于价格较高。频域反射法(FDR)测定的精度较高，具有快速、准确、连续测定优点，不扰动土壤，能自动监测土壤水分及其变化，耐用，价格便宜，无放射性，其缺点是在野外土壤水分监测应用中因土壤类型不同需要现场标定。电容法耐腐蚀，造价低，适宜定点不取样遥测，与电阻法相比，电容法受土壤盐分的影响较小，但埋设探头时会破坏土壤结构，电容法对土壤接触状况敏感，易受土壤物理结构的影响，但先进的结构设计以及探头材料的合理选用，能够克服这些缺点。而时域反射法、频域反射法以及电容法都是以测量土壤的介电特性为基础来计算土壤水分的方法，他们的共同优点是测量快速便捷，但精度和安装方式有很大不同。同样，对于土壤肥力的变化，也可以用不同方法检测，但是目前的技术主要是实验室设备的检测，通过对一些离子进行分析和测试而实现检测的目的；而移动式设备也基本上沿用了实验室设备的结构和原理，这些设备基本上都是使用ISFET，即采用离子敏感场效应管，作为敏感器件，其他技术包括微波波谱分析、近红外线吸收光谱、太赫兹(T-RAY )吸收光谱等等。这些方法一般都只是对土壤表面的分析，基本上没有穿透能力，当将上述技术应用在野外进行固定点监测时，又存在价格过高，且容易被水的成分变化干扰等不利因素。例如，图1为近红外反射光谱分析技术(NIR)的测试原理图，如图1所示，该方法是利用近红外光源对被测进行照射，对携带该物质信息的反射光进行分析，从而快速估测出该物质中某一种或几种成分含量的技术。它具有以下几个特点1)测试速度快、效率高；光谱仪可在很短时间内完成光谱的扫描，并可通过事先建立好的校正模型，快速测定出样品的成分含量或性质，并且一次可以同时测出多种成分；2)分析成本低；在近红外光谱分析过程中不消耗样品，不消耗化学试剂；3)测量方便；可以测试气体、液体、固体和胶状类物品。同时，也存在一定的缺陷，如测试灵敏度相对较低，相对误差较大；且必须通过事先的标准方法进行标定，建立合适的数学模型，这个过程要花费大量的时间和费用；另外，由于土壤对近红外光的吸收比较强，这种测量只适用于土壤表层，不能对土壤较为深的部位进行测量，而且对水分敏感，容易产生测量误差。太赫兹(T-Ray)吸收光谱技术是利用太赫兹波段(介于微波和红外之间，频段为IOOGHf IOTHz)的电磁波进行成分分析的技术，其原理是利用物质的太赫兹光谱(包括透射谱和反射谱)所携带的丰富的物理和化学信息来研究物质的成分，其系统组成与近红外反射光谱分析技术相近。其缺点是光源的成本高昂，缺少合适的传输太赫兹波的波导，如今大部分的系统都是静态的，而且体积庞大，且水分对它的吸收率高，不适合用于湿润土壤的测量。离子敏电极技术(ISM)是利用膜电势测定溶液中离子的浓度的电化学方法，如图 2所示，其传感器上有一个对待侧离子有选择性吸附的敏感薄膜，当传感器和含待测离子的溶液接触时，在它的敏感膜和溶液的界面上产生与该离子活度直接有关的膜电势，通过测量这个电极与参考电极上的电势差，就能得到该吸附膜上所吸附离子的数量，从而得到液体中某种特定离子的含量。在这个技术中，电极对特定离子的选择性和响应是衡量系统优劣的主要因素，而选择性主要取决于电极材料的物理及化学性质以及膜对特定离子的吸附性；测试系统的性能还用其他指标来衡量，如测量范围(一般有几个数量级，由电极材料和电极缓冲液决定)、响应速度(它随电极种类、溶液的浓度、温度、电极处理方法而异，也是判断电极能否用于连续自动分析的重要参数)、准确度(电极在不同浓度范围有相同的绝对准确度，因此它较适用于低浓度组分的测定)、电极寿命(在数月至数年间)等。离子敏场效应三极管技术(ISFET)与离子敏电极技术相似，工作原理都是当它的敏感膜与溶液接触时，在溶液/敏感膜界面上发生可逆的电化学反应，当反应达到动态平衡时，界面电势与测量溶液的离子活度成线性关系，由此测量界面电动势就可以得到溶液离子浓度。与传统的离子敏电极(ISE)相比，离子敏场效应三极管技术具有以下优点1)全固态、可以微型化、机械强度高；2)它的敏感材料具有广泛性，不局限于导电材料，也包括绝缘材料；3)它采用标准 CMOS工艺和微加工技术相结合的制造工艺，制造方便、成本低、适合于批量生产，易于与多种传感器集成；4)它的敏感区面积小、敏感层薄、输入阻抗高、输出阻抗低、兼有信号放大的功能，可避免外界感应与次级电路干扰作用；5)灵敏度高、响应时间短、信噪比高等。因此， 离子敏场效应三极管传感器是适合于实现微型化、可以在线测量的传感器；但由于其性能的不稳定等原因尚未广泛地应用于土壤成分的实际测检。上面两种离子敏电极法具有快速的测量响应时间、尺寸相对较小、可以集成多个传感器探头的优势，但是他们只对液相和气相的成分敏感，在应用于土壤成分的测试中，需要土壤样品抽取辅助设备，并将土壤中的相关成分溶解于水中进行测量，因此，在实际应用中都存在着不便和诸多限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种土壤相对湿度和土壤肥力变化的检测装置及监测系统，通过长期埋放在土壤中的检测装置而对土壤不同深度处的相对湿度和土壤的肥力进行监测，以对农作物生长过程的精细管理提供有效的指导参数。本发明为了解决上述技术问题，公开一种土壤相对湿度和土壤肥力变化的检测装置，所述检测装置包括柱形体、设置在柱形体上的对土壤进行检测的电容式传感器、用于产生电容式传感器工作频率的频率发生器，通过频率发生器产生不同的谐振频率以使得同一电容式传感器对土壤相对湿度和土壤肥力变化进行检测、将电容式传感器获取的电容检测信号处理为反映土壤相对湿度和土壤肥力变化数据的处理电路、以及设置于电容式传感器和处理电路外部的抗腐蚀外壳。进一步，所述柱形体的不同高度处分别设置有一个电容式传感器，用于对土壤不同深度处的相对湿度和土壤肥力变化进行检测。
进一步，所述电容式传感器的的敏感部分由平行设置的两个环形铜电极组成。进一步，所述电容式传感器的环形铜电极同轴套设于柱形体的外侧。进一步，所述处理电路延柱形体轴向设置于电容式传感器的环形铜电极与柱形体之间。进一步，所述柱形体的一端设置有尖刺部，通过尖刺部刺破土壤将所述检测装置牵引至土壤中。进一步，所述频率发生器采用与电容器式传感器构成LC谐振回路的电感线圈或是LC谐振器。进一步，所述频率发生器产生不同的谐振频率分别为IOMHz或150MHz。进一步，所述频率发生器产生的谐振频率为150MHz时，所述电容式传感器对土壤的相对湿度进行检测。进一步，所述频率发生器产生的谐振频率为IOMHz时，所述电容式传感器对土壤的肥力变化进行检测。本发明还公开了一种土壤相对湿度和土壤肥力变化的监测系统，所述系统包括以上任一项所述的土壤相对湿度和土壤肥力变化的检测装置、数据传输模块以及控制中心，所述数据传输模块将检测装置获取的土壤相对湿度和土壤肥力变化的检测数据传输至控制中心。 进一步，所述控制中心包括用于向检测装置发送控制信号的输入装置以及用于输出检测装置获取的检测数据的输出装置。进一步，所述数据传输模块为有线数据传输模块或无线数据传输模块。采用上述本发明技术方案的有益效果是本发明的监测系统通过长期埋放在土壤中的检测装置而对土壤的相对湿度和土壤的肥力进行监测，并且可以同时监测土壤不同深度处的上述参数，以对农作物生长过程的精细管理提供有效的指导参数。
图1为近红外反射光谱分析技术的测试原理图；图2为离子敏电极测量技术原理图；图3为本发明实施例中检测装置的结构图；图4为本发明实施例中电容式传感器的工作原理示意图；图5为本发明实施例中沿图4中电容式传感器的A — A剖线的横截面图；图6为本发明实施例中监测系统的逻辑结构图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。本发明一实施例提供了一种土壤相对湿度和土壤肥力变化的检测装置，图3为本发明实施例中检测装置的结构图，如图3所示，在本发明实施例中，所述检测装置包括柱形体1、设置在柱形体1上的对土壤进行检测的电容式传感器2、用于产生电容式传感器2工作频率的频率发生器4，通过频率发生器4产生不同的谐振频率以使得同一电容式传感器2
6对土壤相对湿度和土壤肥力变化进行检测、将电容式传感器2获取的电容检测信号处理为反映土壤相对湿度和土壤肥力变化数据的处理电路3、以及设置于电容式传感器2和处理电路4外部的抗腐蚀外壳5。在本发明实施例中，所述柱形体1的一端设置有尖刺部6，通过尖刺部6刺破土壤将所述检测装置牵引至土壤中。如图3所示，在本发明实施例中，可以在所述柱形体1的不同高度处分别设置一个电容式传感器2，用于对同一剖面上不同深度处的土壤中的相对湿度和土壤肥力变化进行检测。图4为本发明实施例中电容式传感器的工作原理示意图，如图4所示，所述电容式传感器2的敏感部分由平行设置的两个环形铜质电极组成，所述电容式传感器的环形铜质电极同轴套设于柱形体1的外侧。图5为本发明实施例中沿图4中电容式传感器的A — A剖线的横截面图，如图5所示，在本发明实施例中，所述电容式传感器的环形铜电极8同轴套设于柱形体1的外侧，所述处理电路3延柱形体1轴向设置于电容式传感器的环形铜电极8与柱形体1之间，可以减少信号传输的衰减，降低噪音；所述外壳5同轴设置于环形铜电极8的外围，其中，所述外壳5具有极强的耐腐蚀性，可以保证电容式传感器2能够在土壤中长期、稳定地进行检测。在本发明实施例中，监测土壤湿度的基本原理是干的土壤的介电常数一般为3 6，而当土壤湿度增加，达到100%的饱和土壤湿度时，其介电常数将接近80，以下为一个普遍适用的方程式
qv = -5. 3 + 2. 92Kd - 5. 5 χ 10_2 Kd2 + 4. 3 χ 10_4 Kd3其中，qv = 土壤湿度的体积百分比，Kd = 土壤的介电常数。因此，本实施例中可以通过电容式传感器的两个相邻的铜质电极之间的电容变化来反应周围土壤中水分的含量变化，从而可以通过两个铜质电极之间的边缘电场11测量出介质的介电常数或电容率。经实验证明，对于低化肥含量的土壤，在150MHz测量到的电容值和在IOMHz测量到的电容值基本一样；而当土壤的化肥含量提高时，在150MHz测量到的电容值和在IOMHz测量到的电容值就有差别，此时，在150MHz测量的土壤湿度值就比较准，而不受土壤化肥多少的影响；而在IOMHz测量到的电容值受土壤肥力的变化较大，这是因为当土壤的化肥含量增加时，土壤的导电率提高，而如果土壤的介电常数在高频区，比如在150MHz是时，则基本不受土壤导电率的变化影响，而当电容器工作在低频区，比如IOMHz时，就受土壤的电导率的变化影响很大。而在一个小范围内，其土壤的导电率是和土壤肥力成正比的，当使用更高频率时，比如，高于150MHz时，还可以继续减少盐分的变化对土壤湿度的影响，但是改善的非常有限，而且更高的频率会增加费用，信号随导线的衰减也更大。因此，在本发明实施例中，通过频率发生器产生不同的谐振频率以使得同一电容式传感器能够对土壤相对湿度和土壤肥力变化进行检测，当所述频率发生器产生的谐振频率为150MHz时，所述电容式传感器对土壤的相对湿度进行检测；当所述频率发生器产生的谐振频率为IOMHz时，所述电容式传感器对土壤的肥力变化进行检测；在该实施方式中，所述频率发生器内部可以通过采用不同的LC振荡电路实现，根据需要的谐振频率而导通相应的LC振荡电路，本实施例中，所述频率发生器内部至少包括谐振频率为IOMHz以及谐振频率为150MHz的LC振荡电路，并与电容器式传感器构成LC谐振回路；当然，所述频率发生器也可以采用LC谐振器，通过调节LC谐振器上可变元器件如电感线圈L的数值来实现其产生不同的谐振频率。本发明另一实施例提供了一种土壤相对湿度和土壤肥力变化的监测系统，图6为本发明实施例中监测系统的逻辑结构图，如图6所示，在本发明实施例中，所述系统包括本发明上述实施例中所述的土壤相对湿度和土壤肥力变化的检测装置11、数据传输模块12 以及控制中心13，所述数据传输模块12将检测装置11获取的土壤相对湿度和土壤肥力变化的检测数据传输至控制中心13。其中，所述控制中心包括用于向检测装置发送控制信号的输入装置以及用于输出检测装置获取的检测数据的输出装置，可以应用于塑料大棚监测，以及智能农业和物联网的管理与应用；所述数据传输模块可以采用金属导线、光纤等有线数据传输模块进行数据传输，或采用3G、WLAN、GPRS等无线数据传输模块进行数据传输。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种土壤相对湿度和土壤肥力变化的检测装置，其特征在于，所述检测装置包括柱形体、设置在柱形体上的对土壤进行检测的电容式传感器、用于产生电容式传感器工作频率的频率发生器，通过频率发生器产生不同的谐振频率以使得同一电容式传感器对土壤相对湿度和土壤肥力变化进行检测、将电容式传感器获取的电容检测信号处理为反映土壤相对湿度和土壤肥力变化数据的处理电路、以及设置于电容式传感器和处理电路外部的抗腐蚀外壳。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述柱形体的不同高度处分别设置有一个电容式传感器，用于对土壤不同深度处的相对湿度和土壤肥力变化进行检测。
3.根据权利要求1或2所述的检测装置，其特征在于，所述电容式传感器的的敏感部分由平行设置的两个环形铜电极组成。
4.根据权利要求3所述的检测装置，其特征在于，所述电容式传感器的环形铜电极同轴套设于柱形体的外侧。
5.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，所述处理电路延柱形体轴向设置于电容式传感器的环形铜电极与柱形体之间。
6.根据权利要求1或2所述的检测装置，其特征在于，所述柱形体的一端设置有尖刺部，通过尖刺部刺破土壤将所述检测装置牵引至土壤中。
7.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述频率发生器采用与电容器式传感器构成LC谐振回路的电感线圈或是LC谐振器。
8.根据权利要求1或7所述的检测装置，其特征在于，所述频率发生器产生不同的谐振频率分别为IOMHz或150MHz。
9.根据权利要求8所述的检测装置，其特征在于，所述频率发生器产生的谐振频率为150MHz时，所述电容式传感器对土壤的相对湿度进行检测。
10.根据权利要求8所述的检测装置，其特征在于，所述频率发生器产生的谐振频率为IOMHz时，所述电容式传感器对土壤的肥力变化进行检测。
11.一种土壤相对湿度和土壤肥力变化的监测系统，其特征在于，所述系统包括如权利要求1至10任一项所述的土壤相对湿度和土壤肥力变化的检测装置、数据传输模块以及控制中心，所述数据传输模块将检测装置获取的土壤相对湿度和土壤肥力变化的检测数据传输至控制中心。
12.根据权利要求11所述的监测系统，其特征在于，所述控制中心包括用于向检测装置发送控制信号的输入装置以及用于输出检测装置获取的检测数据的输出装置。
13.根据权利要求11所述的监测系统，其特征在于，所述数据传输模块为有线数据传输模块或无线数据传输模块。
全文摘要
本发明涉及一种土壤相对湿度和土壤肥力变化的检测装置及监测系统，所述检测装置包括柱形体、设置在柱形体上的对土壤进行检测的电容式传感器、用于产生电容式传感器工作频率的频率发生器，通过频率发生器产生不同的谐振频率以使得同一电容式传感器对土壤相对湿度和土壤肥力变化进行检测、对电容式传感器获取的检测信号进行信号处理的处理电路、以及设置于电容式传感器和处理电路外部的抗腐蚀外壳。本发明通过长期埋放在土壤中的检测装置而对土壤的相对湿度和土壤的肥力进行监测，并且可以同时监测土壤不同深度处的上述参数，以对农作物生长过程的精细管理提供有效的指导参数。
文档编号G01N27/22GK102565150SQ20121001038
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月13日 优先权日2012年1月13日
发明者詹姆斯·刘 申请人:北京盈胜泰科技术有限公司