CN101339151B - 一种测量土壤水分特征曲线的复合传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量土壤水分特征曲线的复合传感器，包括：由铠装套管及多孔杯及压力感应元件构成的传感单元和信号处理电路，所述铠装套管，将土壤水分的改变转化为自身阻抗变化信号；所述多孔杯，密接在所述铠装套管的一端，内置空心圆管，空心圆管内的去离子水通过多孔杯向外溢出；所述压力感应元件，设在所述铠装套管的另一端，用于感应所述空心圆管的内部压力变化；所述信号处理电路，通过检测所述阻抗变化信号和所述压力变化，获取土壤含水率信号和土壤基质势信号，从而输出土壤水分特征曲线。

Description

一种测量土壤水分特征曲线的复合传感器

技术领域

本发明涉及一种测量土壤含水率与土壤基质势的装置，具体是一种基于传统张力计和单电极结构原理的测量土壤水分特征曲线的复合传感器，属于传感器测量领域。

背景技术

土壤是自然生态环境的重要组成部分，与人类生活和生产活动密切相关。作为多孔介质，土壤由固、液、气三相组成，矿物质和有机质构成其固相结构，水和空气充填结构中的孔隙。在土壤的三相组成中，土壤水是最活跃的因素，是自然界水循环中的一个重要环节。

农业生产活动中，土壤水是植物生存的重要保障，不仅影响农作物对肥料的有效利用，而且与土壤中发生的一系列反应有关。土壤含水量是决定土壤物理、化学和生物性状和过程的重要参数。土壤水的水势决定其水分的有效性。土壤水有含水率和水势两种表述方式，在非饱和土壤中，土壤水势的主要分势是基质势。土壤基质势是由于土壤基质对土壤水分的吸持作用引起的，所述吸持作用包括吸附作用和毛管作用。土壤基质的吸持作用大小与土壤含水率的多少有关，描述土壤含水率和土壤基质势关系的曲线称为土壤水分特征曲线。土壤水分特征曲线表示土壤水在非饱和状态下土壤水的数量和能量之间的关系，受土壤质地、结构和温度等因素的影响，是分析土壤水保持和运动最基本的资料。在农学、水文学、土壤学和土木工程学等领域具有广泛的用途。

目前，土壤水分特征曲线常用的测量方法是：对同一土样利用不同设备分别测定土壤基质势和土壤含水率，其测定程序不仅繁琐，而且费时费工。虽然国内外许多学者都做过针对性研究，但是，目前还没有一种技术能够实现土壤基质势和土壤含水率的同时定位观测。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述问题，本发明的目的是提供一种同时测量土壤含水率与土壤基质势的复合传感器，以解决传统设备因分别测量导致测定程序繁琐、费时费工的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明的技术方案是采用：

一种测量土壤水分特征曲线的复合传感器，所述复合传感器包括由铠装套管及多孔杯、压力感应元件构成的传感单元和信号处理电路，其中：

所述铠装套管，将土壤含水量改变转化为自身阻抗变化信号；

所述多孔杯，密接在所述铠装套管的一端，多孔杯内置空心圆管，空心圆管内的去离子水通过多孔杯向外溢出；

所述压力感应元件，设在所述铠装套管的另一端，用于感应所述空心圆管的内部压力变化；

所述信号处理电路，通过检测所述阻抗变化信号和所述压力变化，获取土壤含水率信号和土壤基质势信号；所述信号处理电路通过高频传输线连接所述铠装套管，并向所述铠装套管传输高频信号，所述高频信号的波长为λ，所述铠装套管的长度L＜＜λ。

其中，所述压力感应元件设在塑胶头套内，所述压力感应元件通过所述塑胶头套与所述铠装套管连接。

其中，所述空心圆管贯穿所述铠装套管的内部。

其中，所述多孔杯由陶瓷材料制成。

其中，所述信号处理电路包括：

土壤含水率信号处理单元，用于将获取的土壤含水率信号转换为含水率电压信号；

土壤基质势信号处理单元，用于将获取的基质势信号转换为基质势电压信号；

数据采集单元，接收所述含水率电压信号和所述基质势电压信号，并分别转化为土壤含水率值和土壤基质势值，从而输出土壤水分特征曲线。

其中，所述信号处理电路还包括：

A/D转换单元，用于将所述含水率电压信号转化为含水率数字信号或将所述基质势电压信号转化为基质势数字信号。

本发明的优点和有益效果在于，使用本发明的测量土壤特征曲线的复合传感器，利用一个设备可以同时测量土壤含水率与土壤基质势，直接输出土壤水分特征曲线，测量程序简单，且测量结果客观准确。

附图说明

图1是本发明的复合传感器传感单元的外形结构图；

图2是本发明传感单元的复合探头的外形结构图；

图3是本发明复合传感器的信号处理电路的结构框图。

图中：1、信号线；2、塑胶头套；3、特质玻璃管；4、高频传输线；5、复合探头；6、铠装套管；7、多孔杯；8、空心圆管；10、土壤含水率信号处理单元；20、土壤基质势信号处理单元；30、数据采集单元；35、A/D转换子单元；40、信号处理电路。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是本发明复合传感器的传感单元外形结构图，传感单元主要包括复合探头5和塑胶头套2，两者通过特质玻璃管3连接在一起，特质玻璃管3与复合探头5采用螺纹方式连接，特质玻璃管3与塑胶头套2采用固定无缝连接，以保证总体结构的密封性。特质玻璃管3采用特质玻璃材料保持内部的可见性，有利于实验操作。如图2所示，在复合探头5内设置空心圆管8(图中虚线所示)，空心圆管8与特质玻璃管3的内部注入有煮沸过的去离子水(图中未示出)。在塑胶头套2内设置压力感应元件，具体可采用石英应变片，当空心圆管8内的压力发生变化时，塑胶头套2内的石英应变片感应压力信号变化，并通过信号线1传输至信号处理电路40。

如图2所示，复合探头5包括铠装套管6和多孔杯7，铠装套管6通过高频传输线4连接信号处理电路，信号处理电路为铠装套管6传输高频信号，高频信号的波长为λ，铠装套管6的长度L＜＜λ，此时，铠装套管6视为单电极结构探头，相当于一根天线，铠装套管6将土壤含水量的改变转换为自身阻抗变化信号。

无线电工程中，一段载有高频信号的短导线若满足其长度L＜＜λ(波长)时，它可等效成一个微元辐射体，其辐射电阻为：

R_r＝kε(1)

式中ε为被测介质的相对介电常数，k为几何系数，它取决于辐射微元的几何长度L与辐射信号波长λ。

$k=80{\mathrm{\π}}^2{\left(\frac{L}{\mathrm{\λ}}\right)}^2---\left(2\right)$

此外，对含水土壤，根据Topp公式其介电常数ε与土壤容积含水率θ_v之间存在着以下经验关系式：

θ_v＝-5.3×10^-2+2.92×10^-2ε-5.5×10^-4ε²+4.3×10^-6ε³(3)

由(1)式辐射阻抗Rr与土壤相对介电常数ε呈线性关系，结合(3)式进一步可推知θ_v与R_r也同为三次多项式的单值关系。因此，测量微元辐射体R_r的辐射阻抗，可间接测量出土壤容积含水率。

多孔杯7可由陶瓷材料制作，在空心圆管8内注入无气去离子水后，将复合探头5埋设到土壤中，此时，空心圆管8内无气去离子水与多孔杯7周围的土壤水形成水势差，若土壤处于非饱和状态，空心圆管8内的水通过多孔杯7流入土壤，从而使空心圆管8内的压力发生变化，通过设在塑胶头套2内压力感应元件测量该压力变化即可得到土壤基质势信号。

如图3所示，信号处理电路40包括土壤含水率信号处理单元10、土壤基质势信号处理单元20、数据采集单元30、A/D转换单元35，土壤含水率信号处理单元10获取铠装套管6的辐射阻抗信号变化，并将获取信号进行放大、检波并转换为标准土壤含水率电压信号后送入A/D转换单元35；土壤基质势信号处理单元20获取石英应变片的电阻变化，并将获取信号进行放大、检波并转换为标准土壤基质势电压信号后送入A/D转换单元35；A/D转换单元35将土壤含水率电压信号和土壤基质势电压信号分别转化为土壤含水率数字信号和土壤基质势数字信号，并将转换结果传送至数据采集单元30，数据采集单元30将两个信号分别转换成土壤含水率值与基质势值，直接输出土壤水分特征曲线。

本发明复合传感器的具体操作过程如下：

用注射器给复合探头5和特质玻璃管3内注入煮沸过的去离子水，在确保空心圆管8无气泡的情况下，将传感单元置入去离子水中平衡24小时左右。然后，将传感单元插入土壤中，数据采集单元开始连续采集土壤含水率信息与基质势信息，并直接生成土壤水分特征曲线输出。

本发明的优点在于通过对传统张力计的改造，提出了一种测量土壤水分特征曲线的新装置，实现土壤水分与土壤基质势的同时定位测量，并直接得出土壤水分特征曲线。

以上所述仅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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种测量土壤水分特征曲线的复合传感器，其特征在于，所述复合传感器包括由铠装套管(6)、多孔杯(7)、压力感应元件构成的传感单元和信号处理电路(40)，其中：

所述铠装套管(6)，将土壤含水量改变转化为自身阻抗变化信号；

所述多孔杯(7)，密接在所述铠装套管(6)的一端，多孔杯(7)内置空心圆管(8)，空心圆管(8)内的去离子水通过多孔杯(7)向外溢出；

所述压力感应元件，设在所述铠装套管(6)的另一端，用于感应所述空心圆管(8)的内部压力变化；

所述信号处理电路(40)，通过检测所述阻抗变化信号和所述压力变化，获取土壤含水率信号和土壤基质势信号；所述信号处理电路(40)通过高频传输线连接所述铠装套管(6)，并向所述铠装套管(6)传输高频信号，所述高频信号的波长为λ，所述铠装套管(6)的长度L＜＜λ。

2.如权利要求1所述的测量土壤水分特征曲线的复合传感器，其特征在于，所述压力感应元件设在塑胶头套(2)内，所述压力感应元件通过所述塑胶头套(2)与所述铠装套管(6)连接。

3.如权利要求1所述的测量土壤水分特征曲线的复合传感器，其特征在于，所述空心圆管(8)贯穿所述铠装套管(6)的内部。

4.如权利要求1所述的测量土壤水分特征曲线的复合传感器，其特征在于，所述多孔杯(7)由陶瓷材料制成。

5.如权利要求1所述的测量土壤水分特征曲线的复合传感器，其特征在于，所述信号处理电路包括(40)：

土壤含水率信号处理单元(10)，用于将获取的土壤含水率信号转换为含水率电压信号；

土壤基质势信号处理单元(20)，用于将获取的基质势信号转换为基质势电压信号；

数据采集单元(30)，接收所述含水率电压信号和所述基质势电压信号，并分别转化为土壤含水率值和土壤基质势值，从而输出土壤水分特征曲线。

6.如权利要求5所述的测量土壤水分特征曲线的复合传感器，其特征在于，所述信号处理电路(40)还包括：

A/D转换单元(35)，用于将所述含水率电压信号转化为含水率数字信号或将所述基质势电压信号转化为基质势数字信号。

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