土壤与地下水检测装置的制作方法

本实用新型属于检测装置技术领域，具体地说，是涉及一种用于检测土壤参数和地下水参数的多功能综合检测装置。

背景技术：

由于受到地下水开采等人类活动以及海平面上升等因素的影响，海水入侵问题已经成为全球海岸带地区普遍面临的地质灾害。大面积的海水入侵会引发地下水的水质恶化、土壤次生盐渍化等一系列灾害链的发生，继而严重制约着经济社会的可持续发展。因此，创建海水入侵与土壤盐渍化多参数实时监测技术对于合理开发利用沿海地区地下水资源和管理土地资源具有重要的作用。

目前，土壤盐渍化的监测工作已经开展了很长时间，主要包括化学参数直接测量法、电学测量法（包括电导率测量法、电磁测量法以及TDR(Time domain Reflectometry with Intelligent MicroElements，时域反射测量)法）等。这些方法各具优缺点，例如：化学参数直接测量法虽然简单准确，但却耗时耗力，测试周期较长；电学测量法由于其监测无损性、连续性以及数据的易取得性而被广泛应用在土壤盐渍化的监测领域，但是由于土壤的电学性质易受到温度、含水率等因素的影响，因此，采用电学方法进行土壤监测时，需要综合考虑各个因素对电学性质的影响。

在研究海水入侵对土壤盐渍化影响的问题上，需要对被测区域的土壤参数和地下水参数一并进行采样和检测，只有对多方面参数进行综合地分析和计算，才能做出准确地评价。而现有的检测设备，其功能都相对单一，只能对单一的被测对象实施检测，这就造成在实际使用过程中，需要在同一监测点布设多个检测设备的情况，不仅现场作业繁琐，工作量大，耗时费力，而且检测数据的同步性差，这会对后期所生成的评价结果的准确性产生不利影响。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种土壤与地下水检测装置，可以同时对被测区域的土壤参数和地下水参数进行采样检测，使用方便。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种土壤与地下水检测装置，包括测量终端、数据采集终端和PC端；其中，所述测量终端包括土壤检测传感器、地下水检测传感器和信号合成模块，所述信号合成模块接收所述土壤检测传感器采集输出的土壤参数和地下水检测传感器采集输出的地下水参数，并合成一路测量数据输出；所述数据采集终端接收所述测量终端输出的测量数据，并对所述测量数据进行处理后，进行保存和显示；所述PC端连接所述数据采集终端，对所述数据采集终端进行配置，并读取所述数据采集终端保存的数据。

为了分析被测区域的土壤盐渍化程度，本实用新型在所述土壤检测传感器中设置有温度传感器、含水率传感器和电导率传感器；其中，所述温度传感器用于采集土壤的温度，并生成土壤温度检测信号传输至所述信号合成模块；所述含水率传感器用于采集土壤的含水率，并生成土壤含水率检测信号传输至所述信号合成模块；所述电导率传感器用于采集土壤的电导率，并生成土壤电导率检测信号传输至所述信号合成模块。通过检测土壤的温度、含水率和电导率，利用土壤的温度、含水率对检测到的土壤电导率进行校正，进而利用校正后的土壤电导率即可计算出土壤盐度，根据土壤盐度即可反映出被测区域的土壤盐渍化程度。

为了分析被测区域的海水入侵情况，本实用新型在所述地下水检测传感器中设置有温度传感器、压力传感器和电导率传感器；其中，所述温度传感器用于采集地下水的温度，并生成地下水温度检测信号传输至所述信号合成模块；所述压力传感器用于采集地下水的压力，并生成压力检测信号传输至所述信号合成模块；所述电导率传感器用于采集地下水的电导率，并生成地下水电导率检测信号传输至所述信号合成模块。通过检测被测区域内地下水的温度、压力和电导率，利用地下水的温度对检测到的地下水电导率进行校正，进而利用校正后的地下水电导率即可计算出地下水中的氯离子浓度，根据氯离子浓度即可反映出被测区域地下水的海水入侵情况。利用检测到的地下水压力可以计算出地下水水位，结合地下水水位、土壤电导率和地下水电导率即可分析出海水入侵对土壤盐渍化的影响程度。

为了提高检测装置使用的安全性，所述数据采集终端通过数据总线连接防水线缆接头，通过防水线缆接头连接所述测量终端，接收所述信号合成模块输出的测量数据。

作为所述数据采集终端的一种优选电路结构设计，在所述数据采集终端中设置有主板电路、显示器、按键模块和电池；其中，所述主板电路接收所述测量终端输出的测量数据，并对所述测量数据进行处理和保存；所述显示器连接所述主板电路，显示主板电路处理后的数据；所述按键模块接收操作指令，并传输至所述主板电路；所述电池为所述数据采集终端内部的用电负载供电。

进一步的，在所述主板电路中设置有数据处理器、存储器、USB接口电路和电源管理电路；其中，所述数据处理器接收所述测量终端输出的测量数据，并对所述测量数据进行处理；所述存储器连接所述数据处理器，对所述数据处理器处理后的数据进行保存；所述USB接口电路连接所述数据处理器，将所述数据处理器处理后的数据转换成USB数据，传输至所述PC端；所述电源管理电路连接所述电池，将电池电压转换成不同的工作电压，对应传输至所述数据处理器、存储器、USB接口电路、显示器和按键电路，为各用电负载供电。

为了对USB接口电路进行保护并确保USB数据传输的可靠性，本实用新型在所述主板电路中还优选设置有USB接口保护电路，包括MOS管、分压电路和比较器；其中，所述MOS管连接在USB接口电路的供电回路中，对所述USB接口电路的供电进行通断控制；所述分压电路连接所述电池，对电池电压进行分压；所述比较器接收所述分压电路输出的电池分压，并与参考电压进行比较，当电池分压高于所述参考电压时，输出驱动信号控制所述MOS管连通所述USB接口电路的供电回路。

优选的，所述参考电压优选由所述电源管理电路转换生成。

为了使数据采集终端能够更好地适应野外作业环境，在所述数据采集终端的外部还设置有防水外壳，以确保数据采集终端的内部电路安全运行。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型的检测装置结构简单、使用方便，可以对被测区域的土壤参数和地下水参数实施同步检测，不仅简化了现场布设测量终端的作业难度，而且有利于后期对土壤的盐渍化程度和海水的入侵程度做出准确地评价。

结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本实用新型所提出的土壤与地下水检测装置的一种实施例的整体架构框图；

图2是图1中测量终端的一种实施例的电路原理框图；

图3是图1中数据采集终端的一种实施例的电路原理框图；

图4是USB接口保护电路的一种实施例的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细地说明。

如图1所示，本实施例的土壤与地下水检测装置主要包括测量终端100、数据采集终端200和PC端300。其中，所述测量终端100在使用时布设在被测区域的不同监测点，用于检测被测区域的土壤参数和地下水参数。在本实施例的测量终端100中，主要设置有土壤检测传感器110和地下水检测传感器120。其中，在土壤检测传感器110中可以设置用于检测土壤温度的温度传感器111，用于检测土壤含水率的含水率传感器112和用于检测土壤电导率的电导率传感器113，结合图2所示。而在地下水检测传感器120中可以设置用于检测地下水温度的温度传感器121、用于检测地下水压力的压力传感器122和用于检测地下水电导率的电导率传感器123。为了便于信号传输，本实施例在所述测量终端100中还设置有信号合成模块130，分别接收来自温度传感器111采集输出的土壤温度检测信号、含水率传感器112采集输出的土壤含水率检测信号、电导率传感器113采集输出的土壤电导率检测信号以及温度传感器121采集输出的地下水温度检测信号、压力传感器122采集输出的地下水压力检测信号、电导率传感器123采集输出的地下水电导率检测信号。所述信号合成模块130将接收到的六路检测信号合成一路测量数据，例如特定格式的字符串，通过数据总线140发送至数据采集终端200。在本实施例中，所述信号合成模块130优选使用SDI-12传输协议，此协议具有良好的灵活性和扩展性，最大可以通过一根数据总线140连接62个传感器，适用于本实施例需要在被测区域的多个监测点分别布设测量终端100的使用需求。

本实施例在数据采集终端200中设置有主板电路210、显示器220、按键模块230和电池240，如图1所示。其中，主板电路210连接数据总线140，用于接收测量终端100检测输出的测量数据。在本实施例的主板电路210中，主要设置有数据处理器211、存储器212、USB接口电路213和电源管理电路214，结合图3所示。其中，电源管理电路214连接电池240，接收电池240输出的电池电压，并转换成多路不同伏值的工作电压，分别为数据处理器211、存储器212、USB接口电路213以及显示器220和按键模块230提供其所需的工作电源。所述数据处理器211连接数据总线140，接收测量终端100检测输出的测量数据，并解析分拆成土壤温度、土壤含水率、土壤电导率、地下水温度、地下水压力、地下水电导率六路测量值，进而结合六路测量值生成所需的监测结果。所述数据处理器211将处理生成的测量值和监测结果数据写入存储器212进行保存，并在PC端300需要读取检测数据时，通过USB接口电路213转换成USB数据，通过USB总线215发送至所述的PC端。

为了便于现场作业人员实时观察被测区域的土壤和地下水情况，所述数据处理器211可以驱动数据采集终端200上的显示器220将处理生成的测量值和监测结果显示出来，供现场作业人员查看。现场作业人员可以操作数据采集终端200上设置的按键模块230键入其操作指令，以控制数据采集终端200运行。

为了提高数据采集终端200运行的可靠性，本实施例一方面在所述数据采集终端200外部加设防水外壳250，并在连接数据采集终端200的数据总线140的末端安装防水线缆接头，通过防水线缆接头连接测量终端100，以提高数据采集终端200适应野外恶劣工作环境的能力。另一方面，本实施例在所述数据采集终端200的主板电路211中还设置有USB接口保护电路，如图4所示，在对数据采集终端200的USB接口电路213起到保护作用的同时，确保USB数据传输的可靠性。本实施例的USB接口保护电路主要包括分压电路、比较器U1和MOS管Q1。所述分压电路可以采用一个或多个分压电阻连接而成，用于对电池240输出的电池电压VIN进行分压变换。本实施例以选用两个分压电阻R1、R2形成所述的分压电路为例进行说明。将分压电阻R1、R2串联后连接在电池的正极与地之间，在分压电阻R1、R2的中间节点处形成电池分压Vo，传输至比较器U1与参考电压Vref进行比较。当数据采集终端200的电量充足时，电池分压Vo大于参考电压Vref，此时，比较器U1输出驱动信号控制MOS管连通USB接口电路213的供电回路，使USB接口电路213上电运行，向PC端300传输USB数据。反之，当数据采集终端200的电量不足，电池240输出的电池电压VIN下降到设定的下限值时，导致电池分压Vo小于参考电压Vref。此时，比较器U1置驱动信号为无效状态，控制MOS管Q1切断USB接口电路213的供电回路，使USB接口电路213断电停止运行，对USB接口电路213实施保护。

作为本实施例的一种优选电路设计，可以将比较器U1的同相输入端+连接至分压电阻R1、R2的中间节点，接收电池分压Vo。为了使电池分压Vo稳定，还可以进一步在比较器U1的同相输入端+连接滤波电容C1，以滤除噪声干扰。将比较器U1的反相输入端-连接至参考电压Vref，所述参考电压Vref优选设置为+3.3V，可以直接由电源管理电路214转换生成，以简化电路设计。所述比较器U1在电池分压Vo高于参考电压Vref时，输出高电平有效的驱动信号，传输至MOS管Q1的栅极，控制MOS管Q1饱和导通，将+5V电源（可以由PC端300提供）传输至USB接口电路213，控制USB接口电路213上电运行。而当电池分压Vo低于参考电压Vref时，比较器U1输出无效的低电平信号，控制MOS管Q1截止，切断USB接口电路213的+5V供电，使USB接口电路213停止运行，达到欠压保护的目的。

通过PC端300可以对数据采集终端200进行配置或参数设置，通过读取数据采集终端200保存的数据，可以对数据进行统计、分析和管理，继而可以帮助监测人员预测被测区域土壤性质的变化趋势并对可能出现的地质灾害进行前期预警。

当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。