基于微悬臂梁的土壤湿度监测方法、装置、设备及介质与流程

文档序号：20569459发布日期：2020-04-29 00:40阅读：173来源：国知局

本发明涉及土壤检测技术领域，尤其涉及一种基于微悬臂梁的土壤湿度监测方法、装置、设备及介质。

背景技术：

土壤湿度即土壤含水量，在野外进行剖面观察时，区分土层湿润的程度，一般以干、稍润、润、潮以及湿来衡量，土壤湿度是连接里面水资源的一个重要环境因素，土壤湿度对水文、气象以及农业生产等领域都有重要的影响，所以如何对土壤湿度进行测量成为了近年来的研究重点。

现有的土壤测量技术都是通过无线传感器来对土壤的湿度进行测量，但是，现有技术仍存在以下缺陷，由于土壤检测的面积较大，通过无线传感器检测产生的数据量过大，系统需要耗费大量数据进行处理；对土壤测量的测量精度较低，所以，如何通过土壤中的水分子对土壤湿度进行精确的测量成为了一个亟待解决的问题。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出了一种基于微悬臂梁的土壤湿度监测方法、装置、设备及介质，旨在解决现有技术无法根据压电微悬臂梁对土壤中的水分子进行测量的技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一方面，本发明提供了一种基于微悬臂梁的土壤湿度监测方法，所述基于微悬臂梁的土壤湿度监测方法包括以下步骤：

s1，检测压电微悬臂梁的状态，记录压电微悬臂梁的初始共振频率；

s2，实时检测压电微悬臂梁的状态，当检测到水分子附着在压电微悬臂梁上时，获取压电微悬臂梁的数据，并根据压电微悬臂梁的振动方程计算压电微悬臂梁共振频率；

s3，通过压电微悬臂梁共振频率与初始共振频率计算压电微悬臂梁的共振频率改变量，根据该共振频率改变量对土壤湿度进行分析。

在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s1中，检测压电微悬臂梁的状态，记录压电微悬臂梁的初始共振频率，还包括以下步骤，检测压电微悬臂梁的状态，当检测到压电微悬臂梁的状态为初始状态时，记录此时压电微悬臂梁的初始共振频率；当检测到压电微悬臂梁的状态不为初始状态时，将压电微悬臂梁调至为初始状态，并记录此时压电微悬臂梁的初始共振频率。

在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s2中，实时检测压电微悬臂梁的状态，当检测到水分子附着在压电微悬臂梁上时，获取压电微悬臂梁的数据，并根据压电微悬臂梁的振动方程计算压电微悬臂梁共振频率，还包括以下步骤，设定数据阈值，当检测到水分子附着在压电微悬臂梁上时，实时获取压电微悬臂梁的数据，将获取的压电微悬臂梁的数据与数据阈值进行比较，当获取的压电微悬臂梁的数据大于数据阈值时，将此时的压电微悬臂梁的数据作为待计算数据，根据压电微悬臂梁的振动方程对该待计算数据进行计算，获取压电微悬臂梁共振频率。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括以下步骤，压电微悬臂梁的振动方程为：

其中，耗散常数γ是系统能量降到原有值的1/e所需的时间的倒数，γ＝b/m^*，b是与土壤密度、粘度有关的阻尼系数，m^*是压电微悬臂梁的有效质量，ω0是压电微悬臂梁在空气中的共振频率，f0e^iα是压电微悬臂梁的激励力，y是压电微悬臂梁在土壤中的深度，t是压电微悬臂梁在土壤中的测量时间。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括以下步骤，压电微悬臂梁在空气中的共振频率ω0的公式为：

其中，y是杨氏模量，b、h以及l分别是压电微悬臂梁的宽度、厚度和长度。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括以下步骤，压电微悬臂梁共振频率的计算公式为：

其中，n1是修正系数，r是常数，η以及ρ是土壤的粘度以及密度，m是土壤中压电微悬臂梁的有效质量，m＝m^*+m1，m1叫做感应质量，且m1＝2/3πρr³。

在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s3中，通过压电微悬臂梁共振频率与初始共振频率计算压电微悬臂梁的共振频率改变量，根据该共振频率改变量对土壤湿度进行分析，还包括以下步骤，设定土壤湿度等级，所述湿度等级包括：干、稍润、润、潮以及湿，不同的土壤湿度等级对应不同的共振频率改变量，根据该土壤湿度等级通过共振频率改变量对土壤进行评级。

更进一步优选的，所述基于微悬臂梁的土壤湿度监测装置包括：

记录模块，用于检测压电微悬臂梁的状态，记录压电微悬臂梁的初始共振频率；

计算模块，用于实时检测压电微悬臂梁的状态，当检测到水分子附着在压电微悬臂梁上时，获取压电微悬臂梁的数据，并根据压电微悬臂梁的振动方程计算压电微悬臂梁共振频率；

分析模块，用于通过压电微悬臂梁共振频率与初始共振频率计算压电微悬臂梁的共振频率改变量，根据该共振频率改变量对土壤湿度进行分析。

第二方面，所述基于微悬臂梁的土壤湿度监测方法还包括一种设备，所述设备包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的基于微悬臂梁的土壤湿度监测方法程序，所述基于微悬臂梁的土壤湿度监测方法程序配置为实现如上文所述的基于微悬臂梁的土壤湿度监测方法的步骤。

第三方面，所述基于微悬臂梁的土壤湿度监测方法还包括一种介质，所述介质为计算机介质，所述计算机介质上存储有基于微悬臂梁的土壤湿度监测方法程序，所述基于微悬臂梁的土壤湿度监测方法程序被处理器执行时实现如上文所述的基于微悬臂梁的土壤湿度监测方法的步骤。

本发明的一种基于微悬臂梁的土壤湿度监测方法相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)通过在压电微悬臂梁上涂抹材料涂抹层，用于吸附土壤中的水分子，通过土壤中的水分子对土壤的湿度进行分析，可以精确获取土壤的湿度信息，同时也避免了在监测过程中，需要处理的数据过多可能会导致系统崩溃的情况；

(2)通过压电微悬臂梁对土壤的湿度进行分析，土壤中水分子附着在压电微悬臂梁上，通过观察压电微悬臂梁共振频率的变化，利用共振频率的改变量对被测物体进行定量的分析，通过这种方式，可以精确且快捷的获取土壤的湿度，避免了在检测过程中需要测量大量数据，浪费资源的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的设备的结构示意图；

图2为本发明基于微悬臂梁的土壤湿度监测方法第一实施例的流程示意图；

图3为本发明基于微悬臂梁的土壤湿度监测方法第一实施例的功能模块示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，该设备可以包括：处理器1001，例如中央处理器(centralprocessingunit，cpu)，通信总线1002、用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏(display)、输入单元比如键盘(keyboard)，可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如无线保真(wireless-fidelity，wi-fi)接口)。存储器1005可以是高速的随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)存储器，也可以是稳定的非易失性存储器(non-volatilememory，nvm)，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。

本领域技术人员可以理解，图1中示出的结构并不构成对设备的限定，在实际应用中设备可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

如图1所示，作为一种介质的存储器1005中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及基于微悬臂梁的土壤湿度监测方法程序。

在图1所示的设备中，网络接口1004主要用于建立设备与存储基于微悬臂梁的土壤湿度监测方法系统中所需的所有数据的服务器的通信连接；用户接口1003主要用于与用户进行数据交互；本发明基于微悬臂梁的土壤湿度监测方法设备中的处理器1001、存储器1005可以设置在基于微悬臂梁的土壤湿度监测方法设备中，所述基于微悬臂梁的土壤湿度监测方法设备通过处理器1001调用存储器1005中存储的基于微悬臂梁的土壤湿度监测方法程序，并执行本发明实施提供的基于微悬臂梁的土壤湿度监测方法。

结合图2，图2为本发明基于微悬臂梁的土壤湿度监测方法第一实施例的流程示意图。

本实施例中，所述基于微悬臂梁的土壤湿度监测方法包括以下步骤：

s10：检测压电微悬臂梁的状态，记录压电微悬臂梁的初始共振频率。

应当理解的是，原子力显微镜的发明和发展为我们提供了一种高灵敏度的传感器件，即微悬臂梁，微悬臂梁有两种工作模式，即弯曲模式和共振模式。弯曲模式测量微悬臂梁在外力作用下的静态形变，共振模式测量微悬臂共振频率的变化。理论上，微悬臂梁的共振频率与其有效质量的1/2次幂成倒数关系，当被测物质吸附于微悬臂梁上后，微悬臂梁的共振频率减小，通过检测微悬臂梁的共振频率的变化可以进行被测物质的定量分析。

应当理解的是，在进行检测之前，会对压电微悬臂梁的状态进行检查，当检查到压电微悬臂梁的状态不是初始状态时，系统会自动将压电微悬臂梁的状态调整到初始状态，同时会记录此时压电微悬臂梁的共振频率。通过这种方式，将其他因素对压电微悬臂梁的影响降到最小，可以确保压电微悬臂梁在检测土壤湿度的精确度。

s20：实时检测压电微悬臂梁的状态，当检测到水分子附着在压电微悬臂梁上时，获取压电微悬臂梁的数据，并根据压电微悬臂梁的振动方程计算压电微悬臂梁共振频率。

应当理解的是，在微悬臂梁表面涂上敏感层，当水分子吸附到微悬臂梁上时，微悬臂梁的有效质量会增加，将导致微悬臂梁共振频率降低，微悬臂梁的共振频率改变量与被测量之间存在一定的关系，通过检查微悬臂梁的振动变化情况就可以得到所需要的被测量。

应当理解的是，压电微悬臂梁是指在微悬臂梁的表面利用微加工技术制备了一层压电薄膜，可以通过施于压电薄膜交流电压激励微悬臂梁振动，当微悬臂梁振动时，在压电薄膜表面产生电荷，当电荷累积后，会形成电流。这个电流与压电微悬臂梁的振幅成正比。因此，通过电荷，可以更好对压电微悬臂梁的共振频率进行捕捉。

应当理解的是，本实施例会设定数据阈值，当系统检测到水分子附着在压电微悬臂梁上时，系统会实时获取压电微悬臂梁的数据，并且将这个数据与设定的数据阈值进行比较，只有当获取的压电微悬臂梁的数据大于数据阈值时，且获取的压电微悬臂梁的数据不在发生变化时，才会将此时的压电微悬臂梁的数据作为待计算数据，并根据压电微悬臂梁的振动方程对该待计算数据进行计算，获取压电微悬臂梁共振频率。

本实施例中，压电微悬臂梁在空气中的共振频率ω0的公式为：

其中，y是杨氏模量，b、h以及l分别是压电微悬臂梁的宽度、厚度和长度。

在土壤中，压电微悬臂梁的振动方程为：

可以将压电微悬臂梁看做是一个半径是r的振动球，其在土壤中受到的阻力为：

其中，η以及ρ是土壤的粘度以及密度，ω是压电微悬臂梁共振频率，m1叫做感应质量，且m1＝2/3πρr³，它增加了压电微悬臂梁的有效质量，因此，压电微悬臂梁的有效质量是m＝m^*+m1，根据上述说明书中的公式，振动方程可以变为：

其中，耗散常数在压电微悬臂梁的固定端，即x＝0处的状态，可以得到：y(0)＝0,y'(0)＝0，在自由端可以得到：y'(0)＝0,y”(0)＝0，由此求得压电微悬臂梁的共振频率ω：

其中，由于压电微悬臂梁并非真正的球体，由此公式中增加了修正系数n1。

s30：通过压电微悬臂梁共振频率与初始共振频率计算压电微悬臂梁的共振频率改变量，根据该共振频率改变量对土壤湿度进行分析。

应当理解的是，系统会设定土壤湿度等级，所述湿度等级包括：干、稍润、润、潮以及湿，不同的湿度等级对应不同的共振频率改变量，且这个湿度等级与共振频率改变量之间的对应关系由用户自行设定，当系统计算出压电微悬臂梁的共振频率后，会将该共振频率与初始频率进行比较，得到共振频率改变量，然后通过湿度等级与共振频率改变量之间的对应关系来对当前的土壤湿度进行判断。

需要说明的是，以上仅为举例说明，并不对本申请的技术方案构成任何限定。

通过上述描述不难发现，本实施例通过检测压电微悬臂梁的状态，记录压电微悬臂梁的初始共振频率；实时检测压电微悬臂梁的状态，当检测到水分子附着在压电微悬臂梁上时，获取压电微悬臂梁的数据，并根据压电微悬臂梁的振动方程计算压电微悬臂梁共振频率；通过压电微悬臂梁共振频率与初始共振频率计算压电微悬臂梁的共振频率改变量，根据该共振频率改变量对土壤湿度进行分析。本实施例通过在压电微悬臂梁上面涂抹测量水分子的涂层，通过水分子吸附到压电微悬臂梁上，来使压电微悬臂梁上产生振动，根据共振频率的改变量来对土壤的湿度进行分析。通过这种方式，对水分子进行统计，能够更加精确测量土壤湿度。

此外，本发明实施例还提出一种基于微悬臂梁的土壤湿度监测装置。如图3所示，该基于微悬臂梁的土壤湿度监测装置包括：记录模块10、计算模块20、分析模块30。

记录模块10，用于检测压电微悬臂梁的状态，记录压电微悬臂梁的初始共振频率；

计算模块20，用于实时检测压电微悬臂梁的状态，当检测到水分子附着在压电微悬臂梁上时，获取压电微悬臂梁的数据，并根据压电微悬臂梁的振动方程计算压电微悬臂梁共振频率；

分析模块30，用于通过压电微悬臂梁共振频率与初始共振频率计算压电微悬臂梁的共振频率改变量，根据该共振频率改变量对土壤湿度进行分析。

此外，需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，并不对本发明的保护范围构成限定，在实际应用中，本领域的技术人员可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的，此处不做限制。

另外，未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明任意实施例所提供的基于微悬臂梁的土壤湿度监测方法，此处不再赘述。

此外，本发明实施例还提出一种介质，所述介质为计算机介质，所述计算机介质上存储有基于微悬臂梁的土壤湿度监测方法程序，所述基于微悬臂梁的土壤湿度监测方法程序被处理器执行时实现如下操作：

s1，检测压电微悬臂梁的状态，记录压电微悬臂梁的初始共振频率；

s3，通过压电微悬臂梁共振频率与初始共振频率计算压电微悬臂梁的共振频率改变量，根据该共振频率改变量对土壤湿度进行分析。