CN101975802A - 埋置式土壤含水量传感器及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种埋置式土壤含水量传感器及其应用，其特征是设置传感器为圆筒体，圆筒体是由多个单元测试筒沿着圆筒体的轴线方向串插组装形成，圆筒体的上端有顶盖，下端有底座，中央以贯穿的螺杆串接固定。本发明与配合设置的土壤含水量测试仪和太阳能电池板，能够自动按时无线发射出距地表面以下不同深度土壤含水量的测试数据。具有精度高、分辨率好、响应速度快、造价低、占地少、实时远距离采集数据等特点，是一种先进的土壤墒情信息采集系统的仪器设备。

Description

埋置式土壤含水量传感器及其应用
技术领域
本发明涉及土壤墒情信息采集系统中用于测试土壤含水量的一种传感器及其设置方法，具体的说是埋置式土壤含水量传感器及设置方法。
背景技术
目前，土壤墒情信息采集系统的仪器设备中，采用的烘干法、张力计法、中子水分仪法、时域反射法或频域法等来测试土壤含水量，存在着自动化程度低、测试深度浅、人为因素干扰大、环境要求高等不同的问题，对土壤墒情信息的采集带来不便。
发明内容
本发明的目的是提供一种埋置式土壤含水量传感器及其应用，以便灵活地测出距地表面以下不同深度的土壤含水量数据，并能远距离传输数据信息。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
本发明埋置式土壤含水量传感器的结构特点是设置传感器为圆筒体，所述圆筒体是由多个单元测试筒沿着圆筒体的轴线方向串插组装形成，圆筒体的上端有顶盖，下端有底座，中央以贯穿的螺杆串接固定。
本发明埋置式土壤含水量传感器的结构特点也在于：
所述单元测试筒在其筒体的上端是承插头，在筒体的下端是承插座；筒体的上端筒口内有上支承架，筒体的下端筒口内有下支承架；所述上支承架和下支承架上各有处在中央的一个螺杆通孔、等距对称的四个通气孔和靠近筒体侧壁的一个导线通孔；湿敏元件覆于筒体的整个外侧筒壁，湿敏元件的连接导线从筒体内上支承架的导线孔中引出。
所述单元测试筒外径为10cm，高度为10.5cm。
在所述筒体的外表面以喷涂的方式形成湿敏元件的基底层，在所述基底层上，以相互间为平行、间隔且绕筒体呈螺旋形布置的金属电极片a和金属电极片b粘贴于基底层上，感湿材料填充满两金属电极片之间的间隙并覆盖在金属电极片的表面。
所述顶盖和底座均与筒体等外径；所述螺杆通孔、等距对称的四个通气孔和靠近筒体侧壁的一个导线通孔共同贯穿顶盖和底座。
本发明埋置式土壤含水量传感器的设置方式的特点是按如下过程进行：
a、在土壤含水量测试点的地面上，清除地表杂物，画出测试坑的开挖范围；
b、用铁锹按每10cm厚的水平层面进行分层挖土，不同水平层面的原质土分别编号装入塑料袋，挖至设计深度；
c、将传感器铅直放置于测试坑的中心，其传感器的顶面与地面平齐，在传感器的两侧对称地分层回填并夯实对应水平层面上的原质土至地面；
d、在土壤含水量测试点的地面上，铺筑2～3cm厚直径为100cm的圆形砂砾层，在砂砾层的周围挖出排水沟，围上保护栅栏，完成传感器的设置。
本发明的埋置式土壤含水量传感器基于以下工作原理：
把埋置式土壤含水量传感器埋置于测试坑内，其每个单元测试筒外侧的湿敏元件与测试坑的土壤紧密接触，土壤含水量感湿于湿敏元件，且土壤中含水量大小与感湿于湿敏元件的湿度成正比。湿敏元件是由粘贴于绝缘基底上的两条平行间隔且绕筒体螺旋布置电极片，其间隙与表面涂覆氯化锂感湿材料做成的。由于氯化锂是典型的离子晶体，属于非亲合型电解质，对极性水分子的吸引力极强，离子水分程度相当高的材料。由氯化锂制成的感湿材料，有稳定性、耐温性、滞后误差小和使用寿命长等特性。当土壤中的水份吸附在感湿材料上时，湿敏元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测得湿度数据，再通过土壤含水量测试仪处理，得出测试点每10cm测试层的土壤含水量数据。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
本发明的一种埋置式土壤含水量传感器及设置方法，在测试点挖坑埋置传感器后，附近安装土壤含水量测试仪和太阳能电池板，能自动按时无线发射出距地表面以下10、20、30……200cm不同深度土壤含水量的测试数据。具有精度高、分辨率好、响应速度快、寿命长、造价低、占地少、安装简便、对环境要求小、实时远距离采集数据等特点，满足自动化、标准化、规范化及通用的要求，是一种先进的土壤墒情信息采集系统的仪器设备。
附图说明
图1为本发明中设置的埋置式土壤含水量传感器正视结构示意图。
图2A为本发明中单元测试筒俯视结构示意图。
图2B为本发明中单元测试筒正剖视结构示意图。
图2C为本发明中单元测试筒仰视结构示意图。
图3A为本发明中顶盖正剖视结构示意图。
图3B为本发明中顶盖仰视结构示意图。
图4A为本发明中底座正剖视结构示意图。
图4B为本发明中底座俯视结构示意图。
图中标号：1地面、2测试坑、3砂砾层、4传感器、5螺杆、11单元测试筒、12筒体、13承插头、14承插座、15上支承架、16下支承架、21基底层、22感湿材料、23金属电极片a、24金属电极片b、31顶盖、32通气孔、33螺杆孔、34导线孔、41底座。
具体实施方式
参见图1A、图1B，本实施例中使用埋置式土壤含水量传感器的设置方法，具体是按如下工序进行：
a、在土壤含水量测试点的地面1上，清除地表杂物，画出测试坑2的开挖范围；
b、用铁锹按每10cm厚的水平层面进行分层挖土，不同水平层面的原质土分别编号装入塑料袋，挖至设计深度；
c、将传感器4铅直放置于测试坑2的中心，传感器4的顶面与地面1平齐，在传感器4的两侧对称地分层回填并夯实原质土至地面1；
d、在传感器4所在位置的地面1上，铺筑2～3cm厚、直径为100cm的圆形砂砾层3，在砂砾层3的周围挖出排水沟，围上保护栅栏，完成传感器的设置；
e、在距传感器4一米以外的砖台上，安装土壤含水量测试仪、太阳能电池板和无线发射天线；
f、经连线与调试，土壤含水量测试仪自动按时无线传输出测试点处，距地表面以下10、20、30……200cm不同深度土壤的含水量数据。
参见图2A、图2B、图2C、图3A、图3B、图4A、图4B，本实施例中的埋置式土壤含水量传感器4的结构形式为：
埋置式土壤含水量传感器4为圆筒体，由多个单元测试筒11沿着圆筒体的轴线方向串插组装形成，圆筒体的上端有顶盖31，下端有底座41，中央以贯穿的螺杆5串接固定。
单元测试筒11在其筒体12的上端是承插头13，在筒体12的下端是承插座14；筒体12的上端筒口内有上支承架15，筒体12的下端筒口内有下支承架16；上支承架15和下支承架16上各有处在中央的一个螺杆通孔33、等距对称的四个通气孔32和靠近筒体侧壁的一个导线通孔34；湿敏元件覆于筒体12的整个外侧筒壁，湿敏元件的连接导线从筒体12内上支承架15的导线孔34中引出。
单元测试筒11外径为10cm，高度为10.5cm。
在筒体12的外表面，是以环氧树脂为材质、以喷涂的方式形成湿敏元件的基底层21，在基底层21上，以相互间为平行、间隔且绕筒体12呈螺旋形布置的金属电极片a23和金属电极片b24粘贴于基底层21上，感湿材料22填充满两金属电极片之间的间隙并覆盖在金属电极片的表面。
顶盖31和底座41均与筒体12等外径；螺杆通孔33、等距对称的四个通气孔32和靠近筒体侧壁的一个导线通孔34共同贯穿顶盖31和底座41。
测试坑2的作用是埋置埋置式土壤含水量传感器4；砂砾层3的作用是为测试点地表面透气，防止生长根系长的植物；埋置式土壤含水量传感器4的作用是传感出距地表面以下每10cm厚土层的含水量；螺杆5的作用是组装埋置式土壤含水量传感器4时固定单元测试筒11；单元测试筒11的作用是传感出10cm厚土层的含水量；筒体12的作用是粘贴湿敏元件；承插头13的作用是组装成传感器时，插入上个单元测试筒11的承插座14；承插座14的作用是组装成传感器时，让下个单元测试筒11的承插头13插入；上支承架15和下支承架16的作用是固定筒体12，将筒体12支承于螺杆5；基底层21的作用是粘贴金属电极片a23、金属电极片b24和感湿材料22，并起绝缘作用；感湿材料22的作用是其电阻值受湿度变化而改变；金属电极片a23、金属电极片b24的作用是湿敏元件的电极；顶盖31的作用是组装固定单元测试筒11；通气孔32的作用是为单元测试筒11内通气；螺杆孔33的作用是固定单元测试筒11；导线孔34的作用是引出感湿元件的导线；底座41的作用是组装固定单元测试筒11。
埋置式土壤含水量传感器性能
1.量程：5％～100％RH；
2.精度：±5％RH；
3.分辨率：0.01RH；
4.响应时间：吸湿≤20S；脱湿≤40S；
5.单元测试层厚度：10cm；
6.测试深度：2m；
7.工作温度：0℃～60℃；
8.稳定性：≤2％RH/年；
9.电源：+12v；
10.单元测试筒尺寸：Φ100×105mm(直径×高)。

Claims (6)

1.一种埋置式土壤含水量传感器，其特征是设置传感器(4)为圆筒体，所述圆筒体是由多个单元测试筒(11)沿着圆筒体的轴线方向串插组装形成，圆筒体的上端有顶盖(31)，下端有底座(41)，中央以贯穿的螺杆(5)串接固定。
2.根据权利要求1所述的埋置式土壤含水量传感器，其特征是所述单元测试筒(11)在其筒体(12)的上端是承插头(13)，在筒体(12)的下端是承插座(14)；筒体(12)的上端筒口内有上支承架(15)，筒体(12)的下端筒口内有下支承架(16)；所述上支承架(15)和下支承架(16)上各有处在中央的一个螺杆通孔(33)、等距对称的四个通气孔(32)和靠近筒体侧壁的一个导线通孔(34)；湿敏元件覆于筒体(12)的整个外侧筒壁，湿敏元件的连接导线从筒体(12)内上支承架(15)的导线孔(34)中引出。
3.根据权利要求1所述的埋置式土壤含水量传感器，其特征是所述单元测试筒(11)外径为10cm，高度为10.5cm。
4.根据权利要求2所述的埋置式土壤含水量传感器(4)，其特征是在所述筒体(12)的外表面以喷涂的方式形成湿敏元件的基底层(21)，在所述基底层(21)上，以相互间为平行、间隔且绕筒体(12)呈螺旋形布置的金属电极片a(23)和金属电极片b(24)粘贴于基底层(21)上，感湿材料(22)填充满两金属电极片之间的间隙并覆盖在金属电极片的表面。
5.根据权利要求1所述的埋置式土壤含水量传感器，其特征在于：所述顶盖(31)和底座(41)均与筒体(12)等外径；所述螺杆通孔(33)、等距对称的四个通气孔(32)和靠近筒体侧壁的一个导线通孔(34)共同贯穿顶盖(31)和底座(41)。
6.一种使用权利要求1所述埋置式土壤含水量传感器的设置方式，其特征是按如下过程进行：
a、在土壤含水量测试点的地面(1)上，清除地表杂物，画出测试坑(2)的开挖范围；
b、用铁锹按每10cm厚的水平层面进行分层挖土，不同水平层面的原质土分别编号装入塑料袋，挖至设计深度；
c、将传感器(4)铅直放置于测试坑(2)的中心，其传感器(4)的顶面与地面(1)平齐，在传感器(4)的两侧对称地分层回填并夯实对应水平层面上的原质土至地面(1)；
d、在土壤含水量测试点的地面(1)上，铺筑2～3cm厚直径为100cm的圆形砂砾层(3)，在砂砾层(3)的周围挖出排水沟，围上保护栅栏，完成传感器的设置。
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