多剖面管式水分传感器敏感区的测量装置及方法与流程

本发明涉及水分检测技术领域，特别是涉及一种多剖面管式水分传感器敏感区的测量装置及方法。

背景技术：

土壤含水率作为土壤中一个重要的指标，它是影响水循环、养分迁移和作物生长的基本要素。目前，测量土壤含水率的传感器按测量对象数量可分为单点式和多剖面。单点测量空间仅局限于立方分米数量级上，所以为获取土壤剖面水分分布状况，在检测过程需埋设多个传感器，不仅增加了安装复杂度和施工成本，而且还破坏了土壤的原状结构，正因为此原因，多剖面土壤水分传感器由于能一次测量土层中垂直方向上多点湿度，并且采用管式结构最大程度地减少了破坏土壤结构，应用范围越来越广泛。

准确地测量土壤水分传感器敏感域，对于墒情监测点优化、减少无效采样点和降低采样成本，提高田间信息采集精度都有重要的意义。然而，现有技术中对于多剖面土壤水分传感器在特定土壤中实际作用范围尚不明确，缺乏有效地实验检测装置和方法。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种多剖面管式水分传感器敏感区的测量装置及方法，用以解决或部分解决现有的测量方法无法准确测量土壤水分传感器敏感域的问题。

第一方面，本发明实施例提供一种多剖面管式水分传感器敏感区的测量装置，包括：测量桶、升降机构以及数据采集器；

所述测量桶的内部分隔成用于放置待测土壤的第一空间、用于放置固定介电常数物质的第二空间以及用于供土壤水分传感器上下运动的第三空间；所述第一空间位于所述第二空间内，所述第三空间位于所述第一空间内；

所述升降机构用于驱动所述土壤水分传感器上下往复运动，所述数据采集器与所述土壤水分传感器信号相连。

在上述技术方案的基础上，所述第一空间和所述第二空间之间以及所述第一空间和所述第三空间之间均安装有pvc材料制成的隔板。

在上述技术方案的基础上，所述隔板的厚度小于等于3mm。

在上述技术方案的基础上，所述升降机构包括滑轮、步进电机以及绳索；所述绳索缠绕在所述滑轮上；所述绳索的一端与所述土壤水分传感器相连，另一端与所述步进电机的动力输出端相连。

在上述技术方案的基础上，所述第一空间的形状为上大下小的圆柱形，所述第一空间的一端呈敞口布置。

在上述技术方案的基础上，所述测量桶和所述第三空间的形状均为圆柱形。

第二方面，本发明实施例提供一种根据上述各技术方案所提供的多剖面管式水分传感器敏感区的测量装置的多剖面管式水分传感器敏感区的测量方法，包括：

s1，在第一空间内填充待测土壤，在第二空间内放满固定介电常数流状物质；

s2，土壤水分传感器在第三空间内沿竖直方向移动，所述土壤水分传感器的每一次移动间隔为一固定间距；

s3，当|avi-avi-1|>v1时，获取当前所述土壤水分传感器的垂直位置h1，计算出所述土壤水分传感器与第二空间之间的水平距离d1，当|avi-avi-1|＜v2时,获取当前所述土壤水分传感器的垂直位置h2，计算出所述土壤水分传感器与第二空间之间的水平距离d2；

则所述土壤水分传感器的灵敏区域为d2～d1；

其中，每n个采集点取滑动平均值，avi是指取第i次滑动平均值；avi-1是指取第i-1次滑动平均值；v1是指当土壤水分传感器从上往下运动时，第i次与上一次滑动平均值之间差异值，即采集信号急剧变化的起始点；v2是指第i次与上一次滑动平均值之间差异值，即采集信号急剧变化的结束点。

在上述技术方案的基础上，还包括：

s4，在第一空间内加水，依次重复步骤s2和步骤s3，以获取所述土壤水分传感器在不同含水量下的作用域关系函数。

在上述技术方案的基础上，所述固定间距为1mm、5mm或者10mm。

本发明实施例提供的一种多剖面管式水分传感器敏感区的测量装置及方法，使用取土钻取待测原状土壤，在第一空间内填充待测土壤，在第二空间内放满固定介电常数流状物质；其中，固定介电常数物质的介电常数特征是与干土和最大含水量时的土壤介电常数是有明显差异的，即与干土和湿土时的土壤介电常数是有明显差异的；先将待测土壤水分传感器的探头的位置对应水平0刻度，土壤水分传感器在第三空间内沿竖直方向移动，即待测土壤水分传感器的探头由第三空间的顶部运动至第三空间的底部，土壤水分传感器的每一次移动间隔为一固定间距，固定间距可以为1mm、5mm或者10mm；数据采集器可以根据土壤水分传感器在每一位置发送的信号得到信号输出曲线；当|avi-avi-1|>v1时，获取当前土壤水分传感器的垂直位置h1，计算出土壤水分传感器与第二空间之间的水平距离d1；即由垂直位置h1和第一空间、第二空间以及第三空间外形比例关系得到此时土壤水分传感器与第二空间之间的水平距离d1，水平距离d1为土壤水分传感器到第一空间和第二空间交界处的水平距离；土壤水分传感器继续往下运动；当|avi-avi-1|＜v2时,获取当前土壤水分传感器的垂直位置h2，计算出土壤水分传感器与第二空间之间的水平距离d2；即由垂直位置h2和第一空间、第二空间以及第三空间外形比例关系得到此时土壤水分传感器与第二空间之间的水平距离d2，水平距离d2为土壤水分传感器到第一空间和第二空间交界处的水平距离；则土壤水分传感器的灵敏区域为d2～d1；其中，每n个采集点取滑动平均值，avi是指取第i次滑动平均值；avi-1是指取第i-1次滑动平均值；v1是指当土壤水分传感器从上往下运动时，第i次与上一次滑动平均值之间差异值，即采集信号急剧变化的起始点；v2是指第i次与上一次滑动平均值之间差异值，即采集信号急剧变化的结束点，从这点开始变化开始缓慢接近直线；v1、v2是经验值，它们是拐点，可依据实际情况取舍。本发明实施例提供的多剖面管式水分传感器敏感区的测量装置，综合利用标准物与干湿土的介电常数差异，通过实验的方式直接观测到多剖面管式土壤水分传感器的敏感区域，实现了土壤水分传感器自动化、智能化检测，提高检测工作效率，保证了传感器真实土样环境下测试。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明实施例的一种多剖面管式水分传感器敏感区的测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的多剖面管式水分传感器敏感区的输出信号图。

附图标记：

1、步进电机；2、滑轮；3、测量桶；4、数据采集器；5、第一空间；6、第二空间；7、第三空间；8、开口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在土壤水分传感器敏感领域方面，赵燕东定性地说明了swr型土壤水分传感器的有效测量土体为:以中间探针为中心，半径小于内外探针间距，深度为中间探针长度的圆锥形土体。闫华、高志涛分别通过maxwell、hfss软件对土壤剖面水分传感器探头在土壤中电场分布进行仿真，得出探头周围的探测范围。实际上土壤水分传感器在待测土壤中的有效作用域受多方面的影响，如测量频率、温度、土壤电导率、传感器结构等，软件模拟法在测量探测范围结果与实际情况有很大误差，土壤的介电模型往往很难相同，单一模型在指导其他类型土壤水分作用范围时上具有很大局限性。孙宇瑞提出一种根据冻土样本从圆柱侧壁内侧由外向内径向融化过程确定介电式土壤水分传感器空间灵敏度的方法，但实现试验过程较为复杂繁琐。

为此，本发明实施例提供了一种多剖面管式水分传感器敏感区的测量装置，如图1所示，本发明实施例的多剖面管式水分传感器敏感区的测量装置，包括：测量桶3、升降机构以及数据采集器4；

测量桶3的内部分隔成用于放置待测土壤的第一空间5、用于放置固定介电常数物质的第二空间6以及用于供土壤水分传感器上下运动的第三空间7；第一空间5位于第二空间6内，第三空间7位于第一空间5内；即第二空间6和第三空间7均与第一空间5相接触，第二空间6和第三空间7之间并无接触；

升降机构用于驱动土壤水分传感器上下往复运动，数据采集器4与土壤水分传感器信号相连。

需要说明的是，测量桶3和第三空间7的形状均为圆柱形。测量桶3的内部划分为三个区域，分别为第一空间5、第二空间6以及第三空间7，第二空间6的外壁与测量桶3的内壁相接触，第一空间5的外壁与第二空间6的内壁相接触，第一空间5的形状为上大下小的圆柱形，第一空间5的顶部呈敞口布置，第一空间5的内部设有腔室，第三空间7位于腔室内，第三空间7的外壁与第一空间5的内壁相接触。

在本发明实施例中，使用取土钻取待测原状土壤，在第一空间5内填充待测土壤，在第二空间6内放满固定介电常数流状物质；其中，固定介电常数物质的介电常数特征是与干土和最大含水量时的土壤介电常数是有明显差异的，即与干土和湿土时的土壤介电常数是有明显差异的；先将待测土壤水分传感器的探头的位置对应水平0刻度，土壤水分传感器在第三空间7内沿竖直方向移动，即待测土壤水分传感器的探头由第三空间7的顶部运动至第三空间7的底部，土壤水分传感器的每一次移动间隔为一固定间距，固定间距可以为1mm、5mm或者10mm；数据采集器4可以根据土壤水分传感器在每一位置发送的信号得到信号输出曲线；当|avi-avi-1|>v1时，获取当前土壤水分传感器的垂直位置h1，计算出土壤水分传感器与第二空间之间的水平距离d1；即由垂直位置h1和第一空间5、第二空间6以及第三空间7外形比例关系得到此时土壤水分传感器与第二空间6之间的水平距离d1，水平距离d1为土壤水分传感器到第一空间5和第二空间6交界处的水平距离；土壤水分传感器继续往下运动；当|avi-avi-1|＜v2时,获取当前土壤水分传感器的垂直位置h2，计算出土壤水分传感器与第二空间之间的水平距离d2；即由垂直位置h2和第一空间5、第二空间6以及第三空间7外形比例关系得到此时土壤水分传感器与第二空间6之间的水平距离d2，水平距离d2为土壤水分传感器到第一空间5和第二空间6交界处的水平距离；则土壤水分传感器的灵敏区域为d2～d1；其中，每n个采集点取滑动平均值，avi是指取第i次滑动平均值；avi-1是指取第i-1次滑动平均值；v1是指当土壤水分传感器从上往下运动时，第i次与上一次滑动平均值之间差异值，即采集信号急剧变化的起始点；v2是指第i次与上一次滑动平均值之间差异值，即采集信号急剧变化的结束点，从这点开始变化开始缓慢接近直线；v1、v2是经验值，它们是拐点，可依据实际情况取舍。本发明实施例提供的多剖面管式水分传感器敏感区的测量装置，综合利用标准物与干湿土的介电常数差异，通过实验的方式直接观测到多剖面管式土壤水分传感器的敏感区域，实现了土壤水分传感器自动化、智能化检测，提高检测工作效率，保证了传感器真实土样环境下测试。

在上述实施例的基础上，第一空间5和第二空间6之间以及第一空间5和第三空间7之间均安装有pvc材料制成的隔板。

需要说明的是，隔板的厚度小于等于3mm。其中，第三空间的内径与土壤水分传感器的外径相适配，以使两者结合较紧密。

在上述实施例的基础上，升降机构包括滑轮2、步进电机1以及绳索；绳索缠绕在滑轮2上；绳索的一端与土壤水分传感器相连，另一端与步进电机1的动力输出端相连。

需要说明的是，数据采集器4一方面控制步进电机1的动作，一方面采集待测多剖面管式土壤水分传感器的输出信号。

在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的多剖面管式水分传感器敏感区的测量方法，包括：

s1，在第一空间内填充待测土壤，在第二空间内放满固定介电常数流状物质；

其中，第二空间上设置有开口8，通过开口8在第二空间内放满固定介电常数流状物质；

s2，土壤水分传感器在第三空间内沿竖直方向移动，土壤水分传感器的每一次移动间隔为一固定间距；

s3，当|avi-avi-1|>v1时，获取当前土壤水分传感器的垂直位置h1，计算出土壤水分传感器与第二空间之间的水平距离d1，当|avi-avi-1|＜v2时,获取当前土壤水分传感器的垂直位置h2，计算出土壤水分传感器与第二空间之间的水平距离d2；

则所述土壤水分传感器的灵敏区域为d2～d1；

其中，每n个采集点取滑动平均值，avi是指取第i次滑动平均值；avi-1是指取第i-1次滑动平均值；v1是指当土壤水分传感器从上往下运动时，第i次与上一次滑动平均值之间差异值，即采集信号急剧变化的起始点；v2是指第i次与上一次滑动平均值之间差异值，即采集信号急剧变化的结束点，从这点开始变化开始缓慢接近直线；v1、v2是经验值，它们是拐点，可依据实际情况取舍。

在本发明实施例中，使用取土钻取待测原状土壤，在第一空间5内填充待测土壤，在第二空间6内放满固定介电常数流状物质；其中，固定介电常数物质的介电常数特征是与干土和最大含水量时的土壤介电常数是有明显差异的，即与干土和湿土时的土壤介电常数是有明显差异的；先将待测土壤水分传感器的探头的位置对应水平0刻度，土壤水分传感器在第三空间7内沿竖直方向移动，即待测土壤水分传感器的探头由第三空间7的顶部运动至第三空间7的底部，土壤水分传感器的每一次移动间隔为一固定间距，固定间距可以为1mm、5mm或者10mm；数据采集器4可以根据土壤水分传感器在每一位置发送的信号得到信号输出曲线；当|avi-avi-1|>v1时，获取当前土壤水分传感器的垂直位置h1，计算出土壤水分传感器与第二空间之间的水平距离d1；即由垂直位置h1和第一空间5、第二空间6以及第三空间7外形比例关系得到此时土壤水分传感器与第二空间6之间的水平距离d1，水平距离d1为土壤水分传感器到第一空间5和第二空间6交界处的水平距离；土壤水分传感器继续往下运动；当|avi-avi-1|＜v2时,获取当前土壤水分传感器的垂直位置h2，计算出土壤水分传感器与第二空间之间的水平距离d2；即由垂直位置h2和第一空间5、第二空间6以及第三空间7外形比例关系得到此时土壤水分传感器与第二空间6之间的水平距离d2，水平距离d2为土壤水分传感器到第一空间5和第二空间6交界处的水平距离；则土壤水分传感器的灵敏区域为d2～d1；其中，每n个采集点取滑动平均值，avi是指取第i次滑动平均值；avi-1是指取第i-1次滑动平均值；v1是指当土壤水分传感器从上往下运动时，第i次与上一次滑动平均值之间差异值，即采集信号急剧变化的起始点；v2是指第i次与上一次滑动平均值之间差异值，即采集信号急剧变化的结束点，从这点开始变化开始缓慢接近直线；v1、v2是经验值，它们是拐点，可依据实际情况取舍。本发明实施例提供的多剖面管式水分传感器敏感区的测量方法，综合利用标准物与干湿土的介电常数差异，通过实验的方式直接观测到多剖面管式土壤水分传感器的敏感区域，实现了土壤水分传感器自动化、智能化检测，提高检测工作效率，保证了传感器真实土样环境下测试。

在上述实施例的基础上，还包括：

s4，在第一空间内加水，依次重复步骤s2和步骤s3，以获取土壤水分传感器在不同含水量下的作用域关系函数。

需要说明的是，第一空间上可以设置有注水口，通过注水口在第一空间内加水。

在本发明实施例中，首先在第一空间内填充待测土壤，测量获取土壤水分传感器的灵敏区域；之后再在第一空间内依次添加水，沉淀若干时间后，获取土壤水分传感器在不同含水量下的作用域关系函数。

以下以土壤水分传感器由上至下运动为例进行说明，如图2所示，土壤水分传感器开始置于与测量桶同一水平线上，此时为图2中a点，随着让土壤水分传感器逐渐下降，输出信号缓慢提高，这是因为取待测土壤后，沉淀一端时间后，底部的土壤水分较为高所致；数据采集器以每n个采集点来获取该n个采集点所一一对应的输出信号值的滑动平均值，本实施例中n取4，当|avi-avi-1|>v1时即图2中b点，本例子中v1取0.5，此时可以获取当前土壤水分传感器垂直位置h1，并由装置外形固定比例关系得到此时土壤水分传感器距离第二空间的水平距离为d1，继续往下运动，当|avi-avi-1|＜v2时即图2中c点,本实施例中v2取0.2，此时可以获取当前土壤水分传感器垂直位置h2，并由装置外形比例关系得到此时土壤水分传感器距离第二空间的水平距离为d2，则土壤水分传感器在此含水量的类型土壤中灵敏区域为d2～d1。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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。