水分传感器及表层土壤参数采集装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种水分传感器及表层土壤参数采集装置，涉及土壤信息采集【技术领域】，特别涉及一种所述水分传感器包括：两个片状的电极和两个信号线，所述两个信号线与所述两个电极一一对应连接，所述两个电极为平行设置。本发明通过对水分传感器的结构设置，实现了采集与大气直接接触的表层土壤的含水率，能够有效为田间土壤表面蒸发作用和水土保持提供数字化信息。
【专利说明】水分传感器及表层土壤参数采集装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及土壤信息采集【技术领域】，特别涉及一种水分传感器及表层土壤参数采集装置。
【背景技术】
[0002]作为生态系统重要的环境因素和组成成分，土壤直接参与生态系统的物质循环和能量循环。具体而言，土壤是一种自然资源和生产资料，为植物生长提供必须的水分和营养物质，从而影响动物生长和活动。为了更好地指导农业生产、促进大自然的物质和能量循环，现代信息化社会对土壤环境监测提出新的要求。
[0003]土壤水分是土壤肥力因素中最活跃的一个，它能够影响土壤结构和土壤耕性、控制土壤呼吸强度，改变土壤气、热和养分的构成和分布。现有的土壤含水率传感器都只致力于测量一定深度下的土壤含水率，但对非常重要的与大气直接接触的表层土壤的含水率并无涉及，不能为田间土壤表面蒸发作用和水土保持提供数字化信息。
【发明内容】
[0004](一)要解决的技术问题
[0005]本发明要解决的技术问题是:如何测量表层土壤的含水率。
[0006](二)技术方案
[0007]为解决上述技术问题，本发明提供了一种水分传感器，所述水分传感器包括:两个片状的电极和两个信号线，所述两个信号线与所述两个电极一一对应连接，所述两个电极为平行设置。
[0008]本发明还公开了一种表层土壤参数采集装置，所述装置包括:绝缘固定板、水分传感器和数据采集盒，所述水分传感器的两个电极敷设于所述绝缘固定板的下表面，所述数据采集盒内设有相互连接的信号调理单元和微控制器，所述信号调理单元与所述水分传感器连接；
[0009]所述信号调理单元向所述水分传感器的两个信号线发送高频调制波，再接收由所述水分传感器的两个电极所获得的与表层土壤含水率相关的第一感应信号，所述信号调理单元将所述第一感应信号进行调理，以获得第一标准电信号，由所述微控制器对所述第一标准电信号进行处理，以获得表层土壤含水率。
[0010]其中，所述信号调理单元包括:高频信号源、调制电路、检波电路、低通滤波电路和运放电路，所述水分传感器与所述调制电路和所述检波电路分别连接，所述检波电路与所述低通滤波电路连接，所述高频信号源与所述调制电路连接，所述低通滤波电路和运放电路连接，所述运放电路与所述微控制器连接；
[0011]所述高频信号源产生高频信号，由所述调制电路进行调制，以产生所述高频调制波，所述检波电路接收所述感应信号，并对所述感应信号进行检波，以获得表层土壤含水率信息，所述表层土壤含水率信息由所述低通滤波电路进行滤波处理，再由所述运放电路进行放大处理后，以获得所述第一标准电信号。
[0012]其中，所述低通滤波电路和运放电路之间还设有调零电路。
[0013]其中，所述装置还包括:支撑杆，所述支撑杆穿过且固定所述数据采集盒，所述数据采集盒上表面设有位移传感器，所述支撑杆的下端设有压力传感器，所述压力传感器通过垫片设于所述绝缘固定板上，所述压力传感器和位移传感器分别与所述低通滤波电路连接;
[0014]所述压力传感器获得与表层土壤压紧阻力对应的第二感应信号，所述位移传感器获得与下压位移对应的第三感应信号，所述第二感应信号和第三感应信号分别由所述低通滤波电路进行滤波，再由所述运放电路进行放大处理后，获得第二标准电信号和第三标准电信号，由所述微控制器对所述第二标准电信号和第三标准电信号进行处理，以获得所述表层土壤压紧阻力和下压位移，并通过所述表层土壤压紧阻力和下压位移计算获得表层土壤紧实度。
[0015]其中，所述绝缘固定板上设有若干通孔，所述水分传感器的两个电极通过所述绝缘固定板上的两个通孔与所述水分传感器的两个信号线连接。
[0016]其中，所述装置还包括:绝缘外壳，所述绝缘外壳为方形槽状且开口朝下，所述数据采集盒和绝缘固定板均设于所述绝缘外壳内，所述绝缘外壳的底面设有通孔，所述支撑杆通过所述通孔穿过所述绝缘外壳。
[0017]其中，所述支撑杆顶端设有手柄。
[0018]其中，所述装置还包括:存储单元和显示器，所述存储单元设于所述数据采集盒内，所述显示器设于所述绝缘外壳的底面，所述存储单元和显示器分别与所述微控制器连接，所述存储单元用于存储所述表层土壤含水率和/或所述表层土壤紧实度，所述显示器用于显示所述表层土壤含水率、所述表层土壤紧实度和所述下压位移中的至少一个。
[0019]其中，所述装置还包括:调零螺丝，所述调零螺丝设于所述绝缘外壳上，且与所述调零电路连接，用于实现调零。
[0020](三)有益效果
[0021]本发明通过对水分传感器的结构设置，实现了采集与大气直接接触的表层土壤的含水率，能够有效为田间土壤表面蒸发作用和水土保持提供数字化信息。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本发明一种实施方式的表层土壤参数采集装置的结构示意图；
[0023]图2是图1所示的表层土壤参数采集装置的分解结构示意图；
[0024]图3是图1所示的表层土壤参数采集装置的绝缘固定板的结构示意图；
[0025]图4是图1所示的表层土壤参数采集装置中数据采集盒的结构框图；
[0026]图5是图4所示的数据采集盒中信号调理电路的结构框图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0028]本实施方式利用水分传感器采用频域分解法测量表层土壤水分，但还可通过时域反射法或驻波比法等方法进行测量，只需调整电路即可实现。图1是本发明一种实施方式的表层土壤参数采集装置的结构示意图；图2是图1所示的表层土壤参数采集装置的分解结构示意图；图3是图1所示的表层土壤参数采集装置的绝缘固定板的结构示意图；图4是图1所示的表层土壤参数采集装置中数据采集盒的结构框图；参照图1?4，所述装置包括:绝缘固定板7、水分传感器75和数据采集盒8，所述水分传感器75包括:两个片状的电极74和两个导线(即信号线)73，所述两个导线73与所述两个电极74 —一对应连接，且对应的导线73和电极74呈垂直设置，所述两个电极74为平行设置，所述水分传感器75的两个电极74敷设于所述绝缘固定板7的下表面，所述数据采集盒8内设有相互连接的信号调理单元82和微控制器83，所述信号调理单元82与所述水分传感器75连接；
[0029]所述信号调理单元82向所述水分传感器75的两个导线73发送高频调制波，再接收由所述水分传感器75的两个电极74所获得的与表层土壤含水率相关的第一感应信号(即经过表层土壤的高频调制波)，所述信号调理单元82将所述第一感应信号进行调理，以获得第一标准电信号，由所述微控制器83对所述第一标准电信号进行处理(通过既定的算法和公式进行处理)，以获得表层土壤含水率；
[0030]本实施方式中，所述数据采集盒8通过聚氯乙烯(PVC)材料制成，且长10cm、宽IOcm且高3cm，所述数据采集盒内还设有电源81，所述电源为所述信号调理单元82、微控制器83、存储单元84、显示器85和数据传输单元86进行供电，所述电源81采用9?12V干(蓄)电池，所述微控制器83采用MSP430H49芯片，所述绝缘固定板I长10cm、宽IOcm且高0.3cm,所述两个导线73由铜制成且其截面为0.1cmX0.5cm,呈U型,所述两个电极均为长9cm、宽Icm且厚度可忽略不计，所述两个电极之间间隔1cm，所述两个导线之间间隔1cm。
[0031]为便于实现表层土壤含水率，参照图5，优选地，所述信号调理单元82包括:高频信号源822、调制电路821、检波电路823、低通滤波电路824和运放电路826，所述水分传感器与所述调制电路821和所述检波电路823分别连接，所述检波电路823与所述低通滤波电路824连接，所述高频信号源822与所述调制电路821连接，所述低通滤波电路824和运放电路826连接，所述运放电路826与所述微控制器82连接；
[0032]所述高频信号源822产生高频信号，由所述调制电路821进行调制，以产生所述高频调制波，由所述检波电路823对所述第一感应信号进行检波，接着由所述低通滤波电路824进行滤波处理，再由所述运放电路826进行放大处理后，获得所述第一标准电信号；
[0033]本实施方式中，所述高频信号源822为IOOMHz的贴片晶振，所述检波电路823进行检波时，采用二极管包络检波。
[0034]为防止出现传感器的初始值不为零的情况，优选地，所述低通滤波电路824和运放电路826之间还设有调零电路825。
[0035]为便于测量表层土壤的紧实度，以利于研究表层土壤含水率和表层土壤紧实度之间的耦合关系，优选地，所述装置还包括:支撑杆2(所述支撑杆为空心圆杆，可降低重量，节约成本，并且还可将部件的连接线设于所述支撑杆内)，所述支撑杆2穿过且固定(通过螺纹结构等可拆卸的固定方式进行固定)所述数据采集盒8，所述数据采集盒8上表面设有位移传感器9，所述支撑杆2的下端设有压力传感器77，所述压力传感器77通过垫片76设于所述绝缘固定板7上，所述压力传感器和位移传感器分别与所述低通滤波电路连接；
[0036]所述压力传感器77获得与表层土壤压紧阻力对应的第二感应信号，所述位移传感器获得与下压位移对应的第三感应信号，所述第二感应信号和第三感应信号分别由所述低通滤波电路824进行滤波，再由所述运放电路826进行放大处理后，获得第二标准电信号和第三标准电信号，由所述微控制器83对所述第二标准电信号和第三标准电信号进行处理，以获得所述表层土壤压紧阻力和下压位移，并通过所述表层土壤压紧阻力和下压位移计算获得表层土壤紧实度；
[0037]本实施方式中，所述压力传感器77采用电阻应变片式压力传感器、且外形为直径3cm高3cm的圆柱,所述支撑杆2为直径Icm且长45cm的空心聚氯乙烯(PVC)圆柱,所述垫片为橡胶制成，且4cmX4cmX0.1cm,所述数据采集盒8位于支撑杆2靠下三分之一处。
[0038]为便于对土壤进行下压时，可使被压的土壤能够通过一部分，防止土壤被压实而导致的压力值不准确，优选地，所述绝缘固定板7上设有若干通孔71 (所述通孔直径为
0.5cm)，所述水分传感器的两个电极74通过所述绝缘固定板7上的两个通孔71与所述水分传感器的两个导线73连接，本实施方式中，所述绝缘固定板7为硬质聚氯乙烯(PVC)材料制成的正方形薄板，可通过改变两个电极74的相对面积和距离，来改变水分传感器的灵敏度。
[0039]为便于保护所述数据采集盒和传感器等部件，优选地，所述装置还包括:绝缘外壳3，所述绝缘外壳3为方形槽状且开口朝下，所述数据采集盒8和绝缘固定板7均设于所述绝缘外壳3内，所述绝缘外壳3的底面设有通孔，所述支撑杆2通过所述通孔(该通孔的直径略大于所述支撑杆的外径，以便于支撑杆2和绝缘外壳3能够自由地相对滑动)穿过所述绝缘外壳3，绝缘外壳3保证了整个装置能平稳地放置在土壤表面，并能够在测量时，引导测量装置的支撑杆2按照特定的轨道向下移动；本实施方式中，所述绝缘外壳3是外观为16cmX 16cmX 16cm的正方体，在开口方向的中心处开有10.5cmX 10.5cmX 13.5cm的方形槽，底面中心处开有一直径1.5cm的圆形通孔。
[0040]所述支撑杆可采用设备提供下压力，但为了使装置更为灵活，能够通过人工进行下压操作，优选地，所述支撑杆2顶端设有手柄1，所述手柄I与所述支撑杆2呈“T”字形垂直连接，本实施方式中，所述手柄I为直径Icm且长20cm的空心聚氯乙烯PVC圆柱。
[0041]为便于存储和显示数据，优选地，所述装置还包括:存储单元84和显示器4，所述存储单元84设于所述数据采集盒8内，所述显示器4设于所述绝缘外壳3的底面，所述存储单元84和显示器4分别与所述微控制器83连接，所述存储单元84用于存储所述表层土壤含水率和/或所述表层土壤紧实度，所述显示器4用于显示所述表层土壤含水率、所述表层土壤紧实度和所述下压位移中的至少一个，本实施方式中，所述显示器4为液晶(IXD)显示器，所述IXD显示器采用12864液晶屏，所述存储单元84采用E2PR0M芯片。
[0042]为便于使得装置能够与上位机进行通讯，优选地，所述装置还包括:数据传输单元86，所述数据传输单元86与所述微控制器83连接，所述数据传输单元86通过数据传输线与上位机进行数据交互，本实施方式中，所述数据传输单元86采用RS485接口或USB接口，所述上位机为掌上电脑PDA等便携设备。
[0043]为便于控制下压的启停，优选地，所述装置还包括:指示灯5，所述指示灯5与所述微控制器83连接，当下压位移达到预设值(本实施方式中，所述预设值为5cm)时，指示灯亮，本实施方式中，所述指示灯5为发光二极管(LED)灯。
[0044]为便于在绝缘外壳上即可实现调零，优选地，所述装置还包括:调零螺丝6，所述调零螺丝6设于所述绝缘外壳3上，且与所述调零电路连接825，用于实现调零。
[0045]本实施方式的装置的工作原理为:通过调零螺丝进行调零；把测量装置放置于田间土壤表面，使测量装置下端的绝缘固定板及电极与土壤充分接触；握持手柄向下按压；观察指示灯，当指示灯亮时停止按压；从液晶屏上读取表层土壤含水率和表层土壤紧实度。重复上述步骤，即可获得不同时间、不同地点的田间表层土壤含水率和表层土壤紧实度。
[0046]本实施方式的表层土壤参数采集装置与现有技术相比，存在以下有益效果:(1)致力于表层土壤信息的数字化采集，填补大气与土壤交界面处水分和紧实度获取的空白；
(2)可同时测量两个物理量，并通过经验模型同时提高两个参数的测量精度；(3)压力值采用短距离内多次采样求平均值的方法，弱化了对紧实度测量速度的苛刻要求；(4)利用土壤介电原理，测量装置结构简单、操作方便、成本低廉；(5)测量装置设置数据传输单元，可以与PDA等便携装置交换数据，便于田间环境的统一监测和管理。
[0047]以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关【技术领域】的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
【权利要求】
1.一种水分传感器，其特征在于，所述水分传感器包括:两个片状的电极和两个信号线，所述两个信号线与所述两个电极一一对应连接，所述两个电极为平行设置。
2.一种表层土壤参数采集装置，其特征在于，所述装置包括:绝缘固定板、权利要求1所述的水分传感器和数据采集盒，所述水分传感器的两个电极敷设于所述绝缘固定板的下表面，所述数据采集盒内设有相互连接的信号调理单元和微控制器，所述信号调理单元与所述水分传感器连接； 所述信号调理单元向所述水分传感器的两个信号线发送高频调制波，再接收由所述水分传感器的两个电极所获得的与表层土壤含水率相关的第一感应信号，所述信号调理单元将所述第一感应信号进行调理，以获得第一标准电信号，由所述微控制器对所述第一标准电信号进行处理，以获得表层土壤含水率。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述信号调理单元包括:高频信号源、调制电路、检波电路、低通滤波电路和运放电路，所述水分传感器与所述调制电路和所述检波电路分别连接，所述检波电路与所述低通滤波电路连接，所述高频信号源与所述调制电路连接，所述低通滤波电路和运放电路连接，所述运放电路与所述微控制器连接； 所述高频信号源产生高频信号，由所述调制电路进行调制，以产生所述高频调制波，所述检波电路接收所述第一感应信号，并对所述感应信号进行检波，以获得表层土壤含水率信息，所述表层土壤含水率信息由所述低通滤波电路进行滤波处理，再由所述运放电路进行放大处理后，以获得所述第一标准电信号。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述低通滤波电路和运放电路之间还设有调零电路。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括:支撑杆，所述支撑杆穿过且固定所述数据采集盒，所述数据采集盒上表面设有位移传感器，所述支撑杆的下端设有压力传感器，所述压力传感 器通过垫片设于所述绝缘固定板上，所述压力传感器和位移传感器分别与所述低通滤波电路连接； 所述压力传感器获得与表层土壤压紧阻力对应的第二感应信号，所述位移传感器获得与下压位移对应的第三感应信号，所述第二感应信号和第三感应信号分别由所述低通滤波电路进行滤波，再由所述运放电路进行放大处理后，获得第二标准电信号和第三标准电信号，由所述微控制器对所述第二标准电信号和第三标准电信号进行处理，以获得所述表层土壤压紧阻力和下压位移，并通过所述表层土壤压紧阻力和下压位移计算获得表层土壤紧实度。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述绝缘固定板上设有若干通孔，所述水分传感器的两个电极通过所述绝缘固定板上的两个通孔与所述水分传感器的两个信号线连接。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括:绝缘外壳，所述绝缘外壳为方形槽状且开口朝下，所述数据采集盒和绝缘固定板均设于所述绝缘外壳内，所述绝缘外壳的底面设有通孔，所述支撑杆通过所述通孔穿过所述绝缘外壳。
8.如权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述支撑杆顶端设有手柄。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括:存储单元和显示器，所述存储单元设于所述数据采集盒内，所述显示器设于所述绝缘外壳的底面，所述存储单元和显示器分别与所述微控制器连接，所述存储单元用于存储所述表层土壤含水率和/或所述表层土壤紧实度，所述显示器用于显示所述表层土壤含水率、所述表层土壤紧实度和所述下压位移中的至少一个。
10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括:调零螺丝，所述调零螺丝设于所述绝缘外壳上，且与所述调零电路连接，用于实现调零。
【文档编号】G01N22/04GK103616391SQ201310512718
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2013年10月25日
【发明者】林剑辉, 蔡祥, 王巧利, 高大帅 申请人:北京林业大学