一种土壤参数自动监测与评价设备及方法
【专利摘要】本发明提供一种土壤参数自动监测与评价设备及方法，其中，设备包括：利用核磁共振原理对被测原始土壤产生核磁共振信号的测量装置；与所述测量装置电连接，根据所述核磁共振信号对所述被测原始土壤进行即时分析，获取土壤参数的主控装置。本发明的方案适用于研究土壤的含水量、孔隙率、田间持水量、凋萎系数以及土壤水势与土壤墒情的关系等。
【专利说明】一种土壤参数自动监测与评价设备及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及水资源学、农学以及生态学实验研究【技术领域】，尤其涉及一种土壤参数自动监测与评价设备及方法。
【背景技术】
[0002]在监测土壤不同时期的含水率、孔隙率、田间持水量和凋萎系数，以及评价土壤墒情等方面亟需开展相关的研究工作，这也是水资源学、农学、生态学等相关领域的研究热点。
[0003]在目前的研究工作中，关于土壤参数的测定主要是以传统的室内取样测定方法为主，具体就是:取若干被测土体土样，经过烘干、压缩、注水，仪器称量、观测，再进行相应的计算最后得到土壤参数值。但是由于室内土壤与野外土壤所处的自然环境包括温度、湿度和风速等因素差距比较大，且室内传统测量速度较慢，取土样过程中难免会破坏土壤结构，难以获得精确数据。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是提供一种土壤参数自动监测与评价设备及方法，测量速度较快且能获得较为精确的土壤参数。
[0005]为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种土壤参数自动监测与评价设备，包括:
[0006]利用核磁共振原理对被测原始土壤产生核磁共振信号的测量装置；
[0007]与所述测量装置电连接，根据所述核磁共振信号对所述被测原始土壤进行即时分析，获取土壤参数的主控装置。
[0008]其中，所述测量装置包括:
[0009]两个盒体，分开设置且等大；
[0010]绕有线圈的磁铁，分别装设在所述两个盒体内；
[0011]射频发射器，装设在其中一个盒体内；
[0012]射频接收器，装设在另一个盒体内。
[0013]其中，在所述每个盒体的顶端可拆卸地固定有平衡板；和/或
[0014]在盒体上设有调节所述射频发射器与所述射频接收器的位置的调节螺母。其中，所述主控装置包括:
[0015]与所述射频发射器电连接，调节所述射频发射器发射电磁波频率的大小的射频开关;
[0016]与所述射频接收器电连接，将所述射频接收器输出的电磁波信号进行转换的转换器；
[0017]与所述转换器电连接，对转换后的电磁波信号进行分析，并输出所测原始土壤剖面的微观结构图的分析仪；[0018]与所述分析仪电连接，显示所述分析仪的输出信号的显示器；
[0019]与所述显示器电连接，对所述输出信号进行处理，获得土壤参数的单片机。
[0020]其中，所述测量装置还包括:与所述射频接收器电连接，对经过土壤的电磁波信号进行放大，并输出放大信号至所述射频接收器的放大器。
[0021]其中，所述主控装置的电源为蓄电池或锂电池。
[0022]其中，所述主控装置还包括:与所述电源连接的变压器系统。
[0023]其中，上述设备还包括:一箱体，所述主控装置设置于所述箱体内。
[0024]其中，所述箱体上还设有提手。
[0025]其中，所述箱体上还设置有USB数据芯片接口。
[0026]本发明的实施例还提供一种土壤参数自动监测与评价方法，包括:
[0027]获取利用核磁共振原理对被测原始土壤进行测量产生的核磁共振信号；
[0028]根据所述核磁共振信号对所述野外的被测原始土壤进行即时分析，获取所需的土壤参数。
[0029]其中，利用核磁共振原理对被测原始土壤进行测量的步骤包括:
[0030]在经过所述被测土壤的磁场中，通过射频发射器发出电磁波信号；
[0031 ]对经过所述被测土壤的电磁波信号进行放大，产生放大后的电磁波信号，并输出。
[0032]其中，根据所述核磁共振信号对所述野外的被测原始土壤进行即时分析，获取所需的土壤参数的步骤包括:
[0033]将接收到的电磁波进行信号转换；
[0034]对经所述转换后的信号进行分析；
[0035]对经分析后的信号，利用核磁共振原理显示所测原始土壤剖面的微观结构图；
[0036]对所述原始土壤剖面的微观结构图进行灰度处理并计算各灰度值百分比，获得各灰度值代表的土壤参数。
[0037]本发明的上述技术方案的有益效果如下:
[0038]上述方案中，能够对野外的原始土壤进行直接测量与即时分析，不会对土壤的原始结构进行破坏，不仅测量速度较快，而且能获得较为精确的土壤参数。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]图1为本发明的【具体实施方式】土壤参数自动监测与评价设备结构的方框示意图；
[0040]图2为本发明【具体实施方式】土壤参数自动监测与评价设备立体结构示意图；
[0041]图3为本发明【具体实施方式】土壤参数自动监测与评价方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0042]为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0043]如图1所示，本发明【具体实施方式】一种土壤参数自动监测与评价设备1，包括:利用核磁共振原理对被测原始土壤产生核磁共振信号的测量装置2 ;与所述测量装置电连接，根据所述核磁共振信号对所述被测原始土壤进行即时分析，获取土壤参数的主控装置3。[0044]所述的土壤参数测量设备，能够对野外的原始土壤进行直接测量与即时分析，不会对土壤的原始结构进行破坏，不仅测量速度较快，而且能获得较为精确的土壤参数。
[0045]参看图2所示，在前述【具体实施方式】中，优选地，所述测量装置2包括:两个盒体21a、21b，分开设置且等大；绕有线圈的磁铁22a、22b，分别装设在所述两个盒体21a、21b内；射频发射器23a，装设在其中一个盒体21a内；射频接收器23b，装设在另一个盒体21b内。
[0046]盒体21a、21b可采用招合金制成。优选采用非金属材质,如采用塑料制成,能够避免影响核磁共振信号的读取与接收。在盒体21a、21b上设有调节螺母(未图示)，可调节射频发射器23a与射频接收器23b的位置，达到不同深度土壤的测定。
[0047]绕有线圈的磁铁22a、22b、射频发射器23a和射频接收器23b分别由两个分开且等大的盒体盛装，一方面起到保护的作用，另一方面可以保证发射与接收的高度位于同一水平线上。在一个实施例中，N极磁铁22a与射频发射器23a共同装设在其中一个盒体21a内，S极磁铁22b与射频接收器23b共同装设在另一个盒体21b内。
[0048]该测量装置利用核磁共振原理，可以对任意不含金属片的土壤4进行扫描测量，从而便于迅速获取土壤剖面的微观结构图像。
[0049]参看图2所示，在前述【具体实施方式】中，优选地，在所述盒体21a、21b的顶端可拆卸地固定有平衡板24a、24b。平衡板24a、24b与盒体2la、2Ib之间可用固定钉连接，平衡板24a,24b紧贴地面放置，这样便于控制两盒体21a、21b水平放置，保证射频发射器23a与射频接收器23b相对应。平衡板与盒体易组装，可拆卸，方便携带。
[0050]所述测量装置2还包括:与所述射频接收器23b连接，对经过土壤的电磁波信号进行放大，并输出放大信号至所述射频接收器23b的放大器(图中未示出)，其中，该放大器可以是射频接收器23b的内置放大器，也可以是独立放大器。
[0051]在前述【具体实施方式】中，进一步地，所述主控装置3包括:射频开关31，与所述射频发射器23a电连接，用于调节射频发射器23a发射电磁波频率的大小；转换器32，与所述射频接收器23b电连接，用于将接收到的电磁波进行信号转换；分析仪33，用于对经所述转换器32转换后的电磁波信号进行分析，输出所测原始土壤剖面的微观结构图；显示器34，与所述分析仪33电连接，用于对经所述分析仪33分析后的信号，利用核磁共振原理显示所测原始土壤剖面的微观结构图；单片机35，与所述显示器34电连接，用于利用已经设定好的程序对所述被测原始土壤剖面的微观结构图进行灰度处理并计算各灰度值百分比，即可获得各灰度值代表的土壤参数，如土壤孔隙率及实际含水率的百分比，并进行旱情的评价，同时将结果显示在显示器34上。
[0052]其中，射频(RF)开关31可以人为调节发射的电磁波强度，以保证电磁波强度适中。RF开关31可随时按需要调控电磁波频率。显示器34可以直观地呈现图像、数据、以及评价结果，从而对区域土壤参数做出更深入的评价。另外显示器34的显示屏与操作按键板36位于同一平面，可直接操作控制。通过单片机35，对获得的土壤微观结构图像进行灰度设置，并计算不同灰度值所对应的面积百分比，即得出不同灰度值所代表的土壤孔隙率及实际含水率的百分比。再利用田间持水量，凋萎系数与孔隙率的关系，可获取以上两种土壤水分常数。
[0053]在前述【具体实施方式】中，进一步地，所述单片机35同时具有存储功能，可以将原始土壤结构图像及计算结果进行存储与输出，从而达到人为对数据资料的自由管理。
[0054]参看图2所示，在前述【具体实施方式】中，所述设备还包括一箱体，所述主控装置3设置于所述箱体内，优选地，所述主控装置3还包括:设置于所述箱体上的USB数据芯片接口 37，与所述单片机35连接，用于将区域土壤的正常数据输入单片机35 ;单片机35将通过测量所得的所述土壤参数，与所述区域土壤4的正常数据中的相应数据进行对比，进而判断该区域土壤4墒情是否正常。
[0055]存储有区域土壤正常数据的USB数据芯片(图中未示出)通过USB数据芯片接口37，将区域土壤的正常数据提供给单片机35。USB-数据库芯片可以通过USB数据芯片接口37与测量设备连接，同时USB-数据芯片亦可以直接与电脑连接，进行数据的实时更新与储存，方便携带与数据处理。USB数据芯片本身还可以存储和转移数据，实现资料的动态传输。
[0056]在一测量土壤墒情的实施例中，通过所述USB数据芯片接口 37，可以插入存储不同土壤类型干旱参数的USB数据芯片，实时完成不同土壤的数据分析，对当前土壤墒情进行初步判定。在该实施例中，对当前土壤墒情进行初步判定的过程包括:通过对土壤发射与接收电磁波信号，利用核磁共振分析原理，实现土壤剖面的微观结构成像，再经单片机分析与计算求得土壤剖面的孔隙率和实际含水率。已知田间持水量、凋萎系数与孔隙率存在一定的关系，利用单片机已设定好的程序间接测得田间持水量以及凋萎系数。对照USB数据芯片中的区域正常土壤墒情数据来判别该区域土壤是否受旱，若受旱，则评价旱情级别，最终的结果可显示在显示器上。该装置操作便捷，适合野外快速测定土壤墒情，可实现无扰动自动观测。测量精度高，可用于区域土壤的干旱响应机制。
[0057]根据本发明的上述实施例，通过USB数据芯片该测定装置在实现不同区域土壤墒情测定的同时，还可以通过对比正常年份土壤墒情数据实现旱情分析与评定。土壤旱情轻重直接关乎农业发展与生态系统平衡，因此土壤旱情评价与预警预报具有重要的实践意义，为农业抗旱研究和面向生态的干旱实时监测提供直接数据支持与技术支撑。
[0058]上述实施例中，对被测土壤墒情进行测量和评价的基本原理为:由于土壤中含有水，具有磁距的原子核在高强度磁场作用下，可吸收适宜频率的电磁辐射，而不同分子中原子核的化学环境不同，将会有不同的共振频率，产生不同的共振谱。经过转换器将信号转换为另一种形式，进入分析仪中并记录这种波谱即可判断该原子在分子中所处的位置及相对数目，通过成像原理显示器中显示图像，之后进行评价分析。可根据单片机中已设定的影像分析程序计算得到土壤含水率，孔隙度等，进而根据田间持水量是孔隙率的1/2倍，凋萎系数是孔隙率的1/4倍，计算田间持水量和凋萎系数，以辨识植物的受旱程度。
[0059]在前述【具体实施方式】中，所述主控装置3的电源38为蓄电池或锂电池。优选采用大容量铅蓄电池，待机时间长，可以实现野外长期作业，保证设备正常运行。整个装置同时配备另一组电源，利用外接插口连接，以保障在野外的连续工作。优选地，所述主控装置3还包括与所述电源38连接的变压器系统(图中未示出)，用于电源通过变压器系统后，电流分为高压与低压电路，分别连接磁体，接收器，显示系统，分析系统以及数据处理器等，提供不同用电部件所需的电源。
[0060]在前述【具体实施方式】中，优选地，主控装置3侧壁装有排热扇39，通气孔(图中未示出)，促进主控装置3内空气流通，可以对主控装置3降温，从而保证主控装置3内部各部件正常工作，而不会受到温度干扰。为便于携带，主控装置3的箱体上设有提手30，方便携带。
[0061]本发明【具体实施方式】土壤参数自动监测与评价设备的应用实施例如下:
[0062](I)在野外，首先将含有磁体系统与射频发生器和射频接收器的保护壳，即盒体21a、21b，插入土壤4中，利用金属制成的平衡板24a、24b固定测量装置2于地面上。
[0063](2)启动测量装置2，打开射频发生器23a与射频接收器23b，观察显示器34。
[0064](3)显示器34显示数据与图像，选择数字键与功能键，进行数据处理，数据处理过程在预设的单片机35和USB数据芯片中进行，调用数据文件进行旱情的评价。最后得出的结果显示在显示器34上。
[0065](4)测量结束后，按下测量设备I的置零键，会使测量设备I恢复原始观测状态。
[0066]本发明土壤参数自动监测与评价设备体积小，功能多，方便携带和安装，适合野外快速测定土壤的相关参数并评价土壤墒情。
[0067]参看图3所示，本发明【具体实施方式】还提供一种土壤参数自动监测与评价方法，包括步骤:
[0068]S11、获取利用核磁共振原理对被测原始土壤进行测量产生的核磁共振信号；
[0069]S12、根据所述核磁共振信号对所述野外的被测原始土壤进行即时分析，获取所需的土壤参数。
[0070]上述土壤参数自动监测与评价方法方案中，能够对野外的原始土壤进行直接测量与即时分析，不会对土壤的原始结构进行破坏，不仅测量速度较快，而且能获得较为精确的土壤参数。
[0071]在前述测量方法的【具体实施方式】中，优选地，在所述步骤Sll中，
[0072]在经过所述被测土壤的磁场中，通过射频发射器发出电磁波信号；
[0073]对经过所述被测土壤的电磁波信号进行放大，产生放大后的电磁波信号，并输出；
[0074]具体实现过程包括:将含有磁体系统与射频发生器和射频接收器的两个盒体，插入被测原始土壤中，其中每个盒体顶部用固定钉连接有平衡板，并使所述平衡板紧贴地面放置，这样便于控制两测量盒体水平放置，保证射频发射器与射频接收器相对应；绕有线圈的N、S极两个平行磁铁置于待测土壤两侧，向被测土壤施加一个外加磁场。射频发射器发射一定频率的电磁波，穿过土壤后经放大器放大信号后被射频接收器接收，产生核磁共振现象，信号沿导线输出。
[0075]在前述测量方法的【具体实施方式】中，进一步地，步骤S12包括:
[0076]将接收到的电磁波进行信号转换；
[0077]对经所述转换后的信号进行分析；
[0078]对经分析后的信号，利用核磁共振原理显示所测原始土壤剖面的微观结构图；
[0079]对所述原始土壤剖面的微观结构图进行灰度处理并计算各灰度值百分比，获得各灰度值代表的土壤参数。
[0080]具体的，用射频开关调节发射电磁波频率的大小；将接收到的电磁波进行信号转换；对经所述转换后的信号进行分析；对经分析后的信号，利用核磁共振原理显示所测原始土壤剖面的微观结构图；利用已经设定好的程序，对所述原始土壤剖面的微观结构图进行灰度处理并计算各灰度值百分比，获得各灰度值代表的土壤参数，如土壤孔隙率及实际含水率的百分比。再利用田间持水量，凋萎系数与孔隙率的关系，可获取以上两种土壤水分常数。
[0081]在前述测量方法的【具体实施方式】中，进一步地，还包括将原始土壤剖面的微观结构图及计算结果进行存储与输出的步骤，从而达到人为对数据资料的自由管理。
[0082]在前述测量方法的【具体实施方式】中，优选地,所述的土壤参数测量方法,还包括:USB数据芯片通过USB数据芯片接口，将区域土壤的正常数据提供给单片机；单片机将通过测量所得的所述土壤参数，与所述区域土壤的正常数据中的相应数据进行对比，进而判断该区域土壤是否正常。
[0083]单片机具有数据处理与存储功能，在事先设定好的程序下还可以完成图像的处理与分析。单片机将原始土壤图像进行处理后计算出土壤的参数，如水分参数，同时，可以对比USB数据芯片中的标准数据对当前土壤进行评价，如是否干旱等。
[0084]根据本发明测量方法的一实施例，通过USB数据芯片在实现不同区域土壤墒情测定的同时，还可以通过对比正常年份土壤墒情数据实现旱情分析与评定。
[0085]在前述测量设备及测量方法的【具体实施方式】中，所述土壤参数为土壤的含水量、孔隙率、田间持水量、凋萎系数、土水势或土壤机械组成中的一种或多种。
[0086]本发明【具体实施方式】土壤参数自动监测与评价设备具有实时快速，易携带和野外应用的特点。在水资源学和农学领域，该设备可用于研究土壤的含水量，孔隙率，田间持水量，凋萎系数以及土壤水势与土壤墒情的关系，进而宏观上研究农业需水，耗水和水资源利用的问题，从农业的抗旱与节水给出理论与技术支持；在生态环境领域中，该设备可用于土壤地理学方面的基础研究，为生态环境保护方面的应用性研究提供直接数据与技术支撑。
[0087]以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种土壤参数自动监测与评价设备，其特征在于，包括: 利用核磁共振原理对被测原始土壤产生核磁共振信号的测量装置； 与所述测量装置电连接，根据所述核磁共振信号对所述被测原始土壤进行即时分析，获取土壤参数的主控装置。
2.根据权利要求1所述的土壤参数自动监测与评价设备，其特征在于，所述测量装置包括: 两个盒体，分开设置且等大； 绕有线圈的磁铁，分别装设在所述两个盒体内； 射频发射器，装设在其中一个盒体内； 射频接收器，装设在另一个盒体内。
3.根据权利要求2所述的土壤参数自动监测与评价设备，其特征在于，在所述每个盒体的顶端可拆卸地固定有平衡板；和/或 在盒体上设有调节所述射频发射器与所述射频接收器的位置的调节螺母。
4.根据权利要求2所述的土壤参数自动监测与评价设备，其特征在于，所述主控装置包括: 与所述射频发射器电连接，调节所述射频发射器发射电磁波频率的大小的射频开关；与所述射频接收器电连接，将所述射频接收器输出的电磁波信号进行转换的转换器；与所述转换器电连接，对转换后的电磁波信号进行分析，并输出所测原始土壤剖面的微观结构图的分析仪； 与所述分析仪电连接，显示所述分析仪的输出信号的显示器； 与所述显示器电连接，对所述输出信号进行处理，获得土壤参数的单片机。
5.根据权利要求2所述的土壤参数自动监测与评价设备，其特征在于，所述测量装置还包括:与所述射频接收器电连接，对经过土壤的电磁波信号进行放大，并输出放大信号至所述射频接收器的放大器。
6.根据权利要求1所述的土壤参数自动监测与评价设备，其特征在于，所述主控装置的电源为蓄电池或锂电池。
7.根据权利要求6所述的土壤参数自动监测与评价设备，其特征在于，所述主控装置还包括:与所述电源连接的变压器系统。
8.根据权利要求1所述的土壤参数自动监测与评价设备，其特征在于，还包括:一箱体，所述主控装置设置于所述箱体内。
9.根据权利要求8所述的土壤参数自动监测与评价设备，其特征在于，所述箱体上还设有提手。
10.根据权利要求8所述的土壤参数自动监测与评价设备，其特征在于，所述箱体上还设置有USB数据芯片接口。
11.一种土壤参数自动监测与评价方法,其特征在于,包括: 获取利用核磁共振原理对被测原始土壤进行测量产生的核磁共振信号； 根据所述核磁共振信号对所述野外的被测原始土壤进行即时分析，获取所需的土壤参数。
12.根据权利要求11所述的土壤参数自动监测与评价方法，其特征在于，利用核磁共振原理对被测原始土壤进行测量的步骤包括: 在经过所述被测土壤的磁场中，通过射频发射器发出电磁波信号； 对经过所述被测土壤的电磁波信号进行放大，产生放大后的电磁波信号，并输出。
13.根据权利要求11所述的土壤参数自动监测与评价方法，其特征在于，根据所述核磁共振信号对所述野外的被测原始土壤进行即时分析，获取所需的土壤参数的步骤包括:将接收到的电磁波进行信号转换； 对经所述转换后的信号进行分析； 对经分析后的信号，利用核磁共振原理显示所测原始土壤剖面的微观结构图； 对所述原始土壤剖面的微观结构图进行 灰度处理并计算各灰度值百分比，获得各灰度值代表的土壤参数。
【文档编号】G01N24/08GK103674995SQ201210361723
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月25日 优先权日:2012年9月25日
【发明者】严登华, 翁白莎, 韩冬梅, 赵静, 吴迪, 陈娟, 刘少华 申请人:中国水利水电科学研究院