專(zhuān)利名稱(chēng)：一種土壤多參數(shù)傳感測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土壤物理多參數(shù)采集傳感器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種通過(guò)土熱參數(shù)測(cè)量技術(shù)和頻域反射技術(shù)進(jìn)行土壤溫度、體積含水量、熱容量、導(dǎo)熱率、蒸發(fā)量、土壤水飽和度、土壤孔隙率等物理參數(shù)同時(shí)同地采集的傳感器。
背景技術(shù)：
土壤是地球巖石圈表面的疏松表層，是陸生植物生活的基質(zhì)。它提供了植物生活必需的營(yíng)養(yǎng)和水分，是影響植物的一個(gè)重要生態(tài)因子，是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量交換的重要場(chǎng)所。作為地球生態(tài)系統(tǒng)的重要母體，對(duì)土壤物理參數(shù)的測(cè)量和研究是人們生活和生產(chǎn)順利進(jìn)行的重要保障，它對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水文水利、氣象、自然地理、水土保持和環(huán)境保護(hù)等都有著重要的應(yīng)用價(jià)值。長(zhǎng)期以來(lái)，為了測(cè)量土壤的不同物理參數(shù)，人們使用了很多設(shè)備和技術(shù)。這些技術(shù)只能對(duì)一種或兩種土壤物理參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，如果對(duì)同一點(diǎn)土壤進(jìn)行多種物理參數(shù)信息分析時(shí)就遇到了困難，因?yàn)槿魏我粋€(gè)物理參數(shù)的先行測(cè)量都會(huì)擾動(dòng)該點(diǎn)土壤而造成后行數(shù)據(jù)測(cè)量條件的干擾。若在該點(diǎn)附近測(cè)量又無(wú)法進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)據(jù)比較，因此給土壤物理參數(shù)測(cè)量帶來(lái)困難。同時(shí)，一些測(cè)量技術(shù)采用土壤采樣后的實(shí)驗(yàn)室方法進(jìn)行，土壤采樣不但會(huì)擾動(dòng)土壤，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)化和自動(dòng)化，因此尋找一種對(duì)同一被測(cè)點(diǎn)的土壤含水量、熱容量、導(dǎo)熱率、蒸發(fā)量、土壤水飽和度等重要物理參數(shù)進(jìn)行同時(shí)測(cè)量的設(shè)備，對(duì)土壤物理研究意義重大。

發(fā)明內(nèi)容
為了同時(shí)進(jìn)行幾個(gè)重要土壤物理參數(shù)的同點(diǎn)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)土壤物理參數(shù)的采集自動(dòng)化，本發(fā)明利用土熱測(cè)量原理和土壤介電頻域反射測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了土壤物理重要參數(shù)中土壤溫度、體積含水量、土壤介電常數(shù)、熱容量、導(dǎo)熱率、蒸發(fā)量、土壤水飽和度、土壤孔隙率的“同時(shí)同地”、多參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)化、自動(dòng)化測(cè)量。本發(fā)明實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種土壤多參數(shù)傳感測(cè)量系統(tǒng)，所述傳感器測(cè)量系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集處理單元，對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，同時(shí)通過(guò)計(jì)算模型進(jìn)行土壤多參數(shù)的測(cè)算、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)顯示；其無(wú)線傳輸電路可完成傳感器的遙測(cè)和遙信；傳感器，包括探頭電路和由PCB板固定的中間不銹鋼管和周邊不銹鋼管；不銹鋼管部分組成近似同軸線系統(tǒng)，并與土壤共同形成被測(cè)體；探頭電路負(fù)責(zé)電磁信號(hào)的產(chǎn)生和反射信號(hào)處理，進(jìn)行土壤溫度和復(fù)阻抗的測(cè)量，其接口電路可與數(shù)據(jù)采集處理單元構(gòu)成通f目;電源電路，包含熱源恒流源和系統(tǒng)穩(wěn)壓源，其中熱源恒流源為電熱絲提供恒流電源，系統(tǒng)穩(wěn)壓源為整個(gè)系統(tǒng)提供電源。進(jìn)一步，在周邊不銹鋼管內(nèi)嵌有熱電偶，中間不銹鋼管中嵌有熱電偶和電熱絲；用環(huán)氧樹(shù)脂將中間不銹鋼管與PCB板進(jìn)行絕緣，并起到固定中間不銹鋼管的作用；電熱絲填充中間不銹鋼管整個(gè)長(zhǎng)度，熱電偶末端設(shè)置在中間不銹鋼管和周邊不銹鋼管的中間位置。進(jìn)一步，傳感器探針布置方式為中間不銹鋼管的半徑為0.73mm，周邊不銹鋼管的半徑為0. 6mm,布置在半徑為6mm的圓上。進(jìn)一步，通過(guò)探頭電路產(chǎn)生掃頻頻率，探頭電路測(cè)量出傳感器與土壤所形成的測(cè)體的彌散頻率，由彌散頻率計(jì)算土壤含水量。進(jìn)一步，通過(guò)電熱絲和熱電偶組成土熱參數(shù)測(cè)量部分。進(jìn)一步，通過(guò)土壤含水量、熱特性數(shù)據(jù)測(cè)量，多參數(shù)傳感器測(cè)量系統(tǒng)可根據(jù)土壤水熱理論自行進(jìn)行土壤導(dǎo)熱率、蒸發(fā)量、水飽和度、孔隙率等參數(shù)計(jì)算和計(jì)量。進(jìn)一步，數(shù)據(jù)采集處理單元有計(jì)算機(jī)接口和基于無(wú)線的數(shù)據(jù)傳輸功能，數(shù)據(jù)采集處理單元將處理和采集的數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)還可進(jìn)行進(jìn)一步分析和運(yùn)算；數(shù)據(jù)采集處理單元含有flash存儲(chǔ)器，能存儲(chǔ)至少I(mǎi)周的數(shù)據(jù)值，系統(tǒng)可以根據(jù)需要進(jìn)行存儲(chǔ)容量的擴(kuò)展。本發(fā)明提供的土壤物理多參數(shù)傳感器測(cè)量系統(tǒng)，能同時(shí)進(jìn)行土壤多個(gè)物理參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，有效解決了土壤物理中無(wú)法同點(diǎn)測(cè)量的難題。同時(shí)由于采用彌散頻率法進(jìn)行土壤含水量測(cè)量，能有效的減少因土壤溫度、含鹽量等因素造成的土壤含水量測(cè)量干擾，拓寬了傳感器的使用范圍，提高了土壤含水量的測(cè)量精度。傳感器頭使用特殊設(shè)計(jì)的PCB板，很好解決了探頭電路與探針的連接匹配，減少了微波反射，提高了測(cè)量精度，同時(shí)還利于傳感器的維修和探針更換。本發(fā)明適用于土壤物理參數(shù)測(cè)量、農(nóng)田灌溉節(jié)水管理、植物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的傳感器測(cè)量系統(tǒng)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的傳感器探針(鋼管)布置圖。圖中1、數(shù)據(jù)采集處理單元；2、探頭電路；3、PCB板；4、熱電偶；5、中間不銹鋼管；6、周邊不銹鋼管；7、電熱絲；8、環(huán)氧樹(shù)脂；9、傳感器保護(hù)殼；10、數(shù)據(jù)傳輸線；11、電源電路。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的土壤多參數(shù)傳感測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。該傳感器測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下數(shù)據(jù)采集處理單元I，對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，同時(shí)通過(guò)計(jì)算模型進(jìn)行土壤多參數(shù)的測(cè)算、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)顯示；其無(wú)線傳輸電路可完成傳感器的遙測(cè)和遙信；傳感器，包括探頭電路2和由PCB板3固定的中間不銹鋼管和周邊不銹鋼管；不銹鋼管部分組成近似同軸線系統(tǒng)，并與土壤共同形成被測(cè)體；探頭電路負(fù)責(zé)電磁信號(hào)的產(chǎn)生和反射信號(hào)處理，進(jìn)行土壤溫度和復(fù)阻抗的測(cè)量，其接口電路可與數(shù)據(jù)采集處理單元構(gòu)成通信；
電源電路11，包含熱源恒流源和系統(tǒng)穩(wěn)壓源，其中熱源恒流源為電熱絲提供恒流電源，系統(tǒng)穩(wěn)壓源為整個(gè)系統(tǒng)提供電源。-數(shù)據(jù)采集處理單元I通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線10與傳感器相連；電源電路11與傳感器相連；探頭電路2和PCB板3相連；中間不銹鋼管5和周邊不銹鋼管6安裝在PCB板3上；周邊不銹鋼管6內(nèi)嵌有熱電偶4 ；中間不銹鋼管5中嵌有熱電偶4和電熱絲7 ；中間不銹鋼管5與PCB板3之間設(shè)有環(huán)氧樹(shù)脂8 ；傳感器保護(hù)殼9安裝在傳感器的外部；本發(fā)明實(shí)施例提供的土壤物理多參數(shù)傳感器測(cè)量系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集處理、電源和傳感器三部分組成。數(shù)據(jù)采集處理單元為-數(shù)據(jù)采集處理單元I ;電源部分為電源電路11，它包含熱源恒流源和系統(tǒng)穩(wěn)壓源，其中熱源穩(wěn)壓源為電熱絲7提供恒流電源，系統(tǒng)穩(wěn)壓源為整個(gè)系統(tǒng)提供電源；傳感器包括探頭電路2和由PCB板3固定的中間不銹鋼管5和周邊不銹鋼管6，中間不銹鋼管5和周邊不銹鋼管6在PCB板3中的布局見(jiàn)圖2-傳感器探針布置圖。本發(fā)明共有7種布局方案，圖1中以7針?lè)桨缸鳛槭纠?。在周邊不銹鋼管6內(nèi)嵌有熱電偶4，中間不銹鋼管5中嵌有熱電偶4和電熱絲7。用環(huán)氧樹(shù)脂8將中間不銹鋼管5與PCB板3進(jìn)行絕緣，并起到固定中間不銹鋼管5的作用。電熱絲7填充中間不銹鋼管5整個(gè)長(zhǎng)度，熱電偶4末端設(shè)置在中間不銹鋼管5和周邊不銹鋼管6的中間位置。圖2為傳感器探針(鋼管)布置圖。中間不銹鋼管5的半徑為0. 73_，周邊不銹鋼管6的半徑為0. 6mm，布置在半徑為6mm的圓上，按照方案不同，其在圓周上等分布置，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。探針越多，其傳感器抗干擾能力越強(qiáng)，但插入土壤越不方便。根據(jù)測(cè)量需要，可以選擇不同的傳感器設(shè)計(jì)方案。本發(fā)明通過(guò)探頭電路2產(chǎn)生掃頻頻率，探頭電路2測(cè)量出傳感器與土壤所形成的試樣的彌散頻率，由彌散頻率計(jì)算土壤含水量。彌散頻率僅和土壤含水量有關(guān)，土壤含鹽量和溫度對(duì)土壤含水量測(cè)量影響很小。本發(fā)明通過(guò)電熱絲7和熱電偶4組成土熱參數(shù)測(cè)量部分。由此測(cè)量出土壤溫度的變化情況，并以此進(jìn)行熱容量、導(dǎo)熱率和水分蒸發(fā)量值的自動(dòng)計(jì)算。由土壤熱容量和含水量還可推算土壤容重，并以此得出通氣孔度和土壤飽和度等值。以此實(shí)現(xiàn)了土壤物理重要參數(shù)中土壤溫度、體積含水量、土壤介電常數(shù)、熱容量、導(dǎo)熱率、蒸發(fā)量、土壤水飽和度、土壤孔隙率的“同點(diǎn)”、多參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)化、自動(dòng)化測(cè)量。-數(shù)據(jù)采集處理單元I有計(jì)算機(jī)接口和基于無(wú)線的數(shù)據(jù)傳輸功能，-數(shù)據(jù)采集處理單元I將處理和采集的數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)，還可以進(jìn)行進(jìn)一步分析和運(yùn)算。-數(shù)據(jù)采集處理單元I含有flash存儲(chǔ)器，能存儲(chǔ)至少I(mǎi)周的數(shù)據(jù)值(系統(tǒng)可以根據(jù)需要進(jìn)行存儲(chǔ)容量的擴(kuò)展)。本發(fā)明采用頻率反射技術(shù)和土熱測(cè)量技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)同一測(cè)量點(diǎn)的多物理參數(shù)測(cè)量，這對(duì)土壤物理具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本發(fā)明在土壤水分測(cè)量中首次提出的彌散頻率法能有效提高測(cè)量精度和傳感器抗干擾能力，有效提高了土壤水分測(cè)量的自動(dòng)化水平。本發(fā)明具有體積小、測(cè)量精度高、成本低等特點(diǎn)，適用于田間、溫室、實(shí)驗(yàn)室及家庭植物等多種領(lǐng)域參數(shù)測(cè)量。本發(fā)明實(shí)施例提供的土壤物理多參數(shù)傳感器測(cè)量系統(tǒng)，能同時(shí)進(jìn)行土壤多個(gè)物理參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，有效解決了土壤物理中無(wú)法同點(diǎn)測(cè)量的難題。同時(shí)由于采用彌散頻率法進(jìn)行土壤含水量測(cè)量，能有效的減少因土壤溫度、含鹽量等因素造成的土壤含水量測(cè)量干擾，拓寬了傳感器的使用范圍，提高了土壤含水量的測(cè)量精度。傳感器頭使用特殊設(shè)計(jì)的PCB板3，有效解決了探頭電路與探針的連接匹配，減少了微波反射值，提高了測(cè)量精度，同時(shí)還利于傳感器的維修和探針更換。本發(fā)明適用于土壤物理參數(shù)測(cè)量、農(nóng)田灌溉節(jié)水管理、植物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種土壤多參數(shù)傳感測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器測(cè)量系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集處理單元，對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，同時(shí)通過(guò)計(jì)算模型進(jìn)行土壤多參數(shù)的測(cè)算、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)顯示；其無(wú)線傳輸電路可完成傳感器的遙測(cè)和遙信；傳感器，包括探頭電路和由PCB板固定的中間不銹鋼管和周邊不銹鋼管；不銹鋼管部分組成近似同軸線系統(tǒng)，并與土壤共同形成被測(cè)體；探頭電路負(fù)責(zé)電磁信號(hào)的產(chǎn)生和反射信號(hào)處理，進(jìn)行土壤溫度和復(fù)阻抗的測(cè)量，其接口電路可與數(shù)據(jù)采集處理單元構(gòu)成通信；電源電路，包含熱源恒流源和系統(tǒng)穩(wěn)壓源，其中熱源恒流源為電熱絲提供恒流電源，系統(tǒng)穩(wěn)壓源為整個(gè)系統(tǒng)提供電源。
2.如權(quán)利要求1所述的土壤物理多參數(shù)傳感器測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，在周邊不銹鋼管內(nèi)嵌有熱電偶，中間不銹鋼管中嵌有熱電偶和電熱絲；用環(huán)氧樹(shù)脂將中間不銹鋼管與 PCB板進(jìn)行絕緣，并起到固定中間不銹鋼管的作用；電熱絲填充中間不銹鋼管整個(gè)長(zhǎng)度，熱電偶末端設(shè)置在中間不銹鋼管和周邊不銹鋼管的中間位置。
3.如權(quán)利要求1所述的土壤物理多參數(shù)傳感器測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，傳感器探針布置方式為中間不銹鋼管的半徑為O. 73mm,周邊不銹鋼管的半徑為O. 6mm,布置在半徑為 6mm的圓上。
4.如權(quán)利要求1所述的土壤物理多參數(shù)傳感器測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，通過(guò)探頭電路產(chǎn)生掃頻頻率，探頭電路測(cè)量出傳感器與土壤所形成的測(cè)體的彌散頻率，由彌散頻率計(jì)算土壤含水量。
5.如權(quán)利要求1所述的土壤物理多參數(shù)傳感器測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，通過(guò)電熱絲和熱電偶組成土壤熱特性測(cè)量部分。
6.如權(quán)利要求1所述的土壤物理多參數(shù)傳感器測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，通過(guò)土壤含水量、熱特性數(shù)據(jù)測(cè)量，可根據(jù)土壤水熱平衡理論自行進(jìn)行土壤導(dǎo)熱率、蒸發(fā)量、水飽和度、孔隙率等參數(shù)計(jì)算和計(jì)量。
7.如權(quán)利要求1所述的土壤物理多參數(shù)傳感器測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，-數(shù)據(jù)采集處理單元有計(jì)算機(jī)接口和基于無(wú)線的數(shù)據(jù)傳輸功能，-數(shù)據(jù)采集處理單元將處理和采集的數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)，還可以進(jìn)行進(jìn)一步分析和運(yùn)算；_數(shù)據(jù)采集處理單元含有存儲(chǔ)器，能存儲(chǔ)至少 I周的數(shù)據(jù)值，系統(tǒng)可以根據(jù)需要進(jìn)行存儲(chǔ)容量的擴(kuò)展。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種土壤多參數(shù)傳感測(cè)量系統(tǒng)，其傳感器包括探頭電路和由PCB板固定的中間不銹鋼管和周邊不銹鋼管；數(shù)據(jù)采集處理單元為-數(shù)據(jù)采集處理單元；電源部分為電源電路，包含熱源恒流源和系統(tǒng)穩(wěn)壓源，系統(tǒng)穩(wěn)壓源為整個(gè)系統(tǒng)提供電源。本發(fā)明能同時(shí)進(jìn)行土壤多個(gè)物理參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，有效解決了土壤物理中無(wú)法同點(diǎn)測(cè)量的難題。同時(shí)由于采用彌散頻率法進(jìn)行土壤含水量測(cè)量，能有效的減少因土壤溫度、含鹽量等因素造成的土壤含水量測(cè)量干擾，拓寬了傳感器的使用范圍，提高了土壤含水量的測(cè)量精度。傳感器頭使用特殊設(shè)計(jì)的PCB板，有效解決了探頭電路與探針的連接匹配，減少了微波反射值，提高了測(cè)量精度，同時(shí)還利于傳感器的維修和探針更換。
文檔編號(hào)G01N27/00GK102997964SQ201210551409
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月7日
發(fā)明者許景輝, 何建強(qiáng), 韓文庭, 趙英 申請(qǐng)人:西北農(nóng)林科技大學(xué)