CN102680664B - 一种土壤水分传感器影响半径检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了水分检测技术领域中的一种土壤水分传感器影响半径检测系统及方法。本发明包括实验缸、隔温层、水分传感器、导线、传感器电路板和数据采集器。本发明直接采用土壤为测试介质，能够准确地检测土壤水分传感器的影响半径；并且通过选取传感器安装处特定质地、容重等参数的土壤样本，进一步增加检测结果的准确性；本发明装置结构简单，安装、拆卸方便，可以多次重复进行，并且测试不受传感器探头结构限制。

Description

一种土壤水分传感器影响半径检测系统及方法

技术领域

本发明属于水分检测技术领域，尤其涉及一种土壤水分传感器影响半径检测系统及方法。

背景技术

水是地球生物赖以存在的物质基础，是维系地球生态环境可持续发展的首要条件。而我国是一个严重缺水的国家，人均淡水资源只占世界人均淡水资源的四分之一。其中农业用水量最大，约占全社会总用水量70%。因此合理高效利用水资源是现代农业中非常重要的任务。目前人们一直将土壤水分作为控制农作物灌溉的指标。通过向农田里埋土壤水分传感器获取该农田土壤墒情，进而以此为依据进行科学合理灌溉。然而如何在大田布置传感器分布对于能否准确获取大田土壤墒情具有重要意义。所以，准确确定所布置土壤水分传感器的影响半径，不仅可以准确获取大田土壤墒情，而且还可以节省传感器数量，提高经济效益。

目前，国际上对于土壤水分传感器影响半径的测量方法较少，比较有影响的是主要有以下两种方法。

一种方法是，1989年由Zegelin S.J.和White I.提出的采用电场分布的轮廓来近似传感器的影响半径，如图1所示。这种方法主要是针对针式电极结构的电场分布的解析与计算，而且是基于静电场理论，但并没有考虑将测量频率变化作为参变量进行针对性分析和讨论，直接影响测量结果的准确性。因此，测量结果往往与实际结果具有较大的差异，使用具有较大的局限性。

另一种方法是1989年Baker和Lascano提出的，他们将一对TDR传感器探针置于由24×50空心玻璃管构成的矩阵玻璃盒子中。测试时，逐列向玻璃管中注水，改变注水玻璃管到传感器探针的距离，当传感器的读数突变时，此时的距离即为传感器的影响半径。方法实施示意图如图2所示，这种方法虽然简单易行，但测试对象只是空气和水而并非含水土壤，与实际土壤水分含量测量具有较大不同。因此这种方式只能定性的分析，并不能真实反映土壤水分传感器器的影响半径。而目前，国内对于土壤水分传感器影响半径的研究基本没有。

发明内容

针对上述背景技术中提到现有土壤水分传感器影响半径不能真实反映实际土壤水分含量等不足，本发明提出了一种土壤水分传感器影响半径检测系统及方法。

本发明的技术方案是，一种土壤水分传感器影响半径检测系统，用于检测土壤水分传感器影响半径，其特征是该系统包括实验缸、隔温层、水分传感器、导线、传感器电路板和数据采集器；

所述实验缸盛满冻融土壤，将水分传感器置于实验缸的中央，实验缸的上下面用隔温层进行密封；导线将水分传感器和传感器电路板连接；传感器电路板和数据采集器连接。

所述实验缸的材料为聚氯乙烯。

所述隔温层的材料为酚醛泡沫塑料。

所述导线为同轴电缆线。

所述数据采集器为PDA或计算机。

一种监测土壤水分传感器检测半径的方法，其特征是该方法包括以下步骤：

步骤1：将水分传感器置于盛满冻融土壤的实验缸的中央，通过隔温层将实验缸的上下面密封；

步骤2：实验缸的侧壁将外部热量传导至实验缸内，使得冻融土壤在实验缸内由外向内解冻；

步骤3：数据采集器对水分传感器的信号进行监测，当检测到水分传感器的信号发生突变时，冻融土壤和解冻土壤的边界与水分传感器的距离即为该水分传感器的影响半径。

本发明提供的土壤水分传感器影响半径的检测方法，直接采用土壤为测试介质，同时又避免了直接控制土壤的干湿，可以准确地检测土壤水分传感器的影响半径。并且通过选取传感器安装处特定质地、容重等参数的土壤样本，可以进一步增加检测结果的准确性。试验装置结构简单，安装、拆卸方便，可以多次重复进行，并且测试不受传感器探头结构限制。

附图说明

图1是本发明实施例的土壤水分传感器影响半径的检测方法示意图；其中，1为实验缸；2为隔温层；3为水分传感器；4为导线；5为传感器电路板；6为数据采集器。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

由于液态水的相对介电常数是81，固态水的相对介电常数约为3，而土壤颗粒的相对介电常数恰恰也在3~5之间。因此对于土壤介电特性而言，存在着土壤“冻-融”与土壤“干-湿”的等价关系。利用这一等价关系，将传感器置于冻实的含水土壤中，并且让冻土逐渐由外向内融化，这一过程就可等价为土壤由外到内从干变湿。当捕捉传感器输出值突变时，即是土壤融化到传感器影响半径之内，此时由水分传感器到土壤冻融交界线的距离即为该传感器的影响半径。

为此，所述土壤水分传感器影响半径的检测方法需要用到：实验缸、隔温层、水分传感器、导线、传感器电路板以及数据采集器等部分。其中，数据采集器为PDA或者电脑等智能数据终端。本发明实验缸采用聚氯乙烯缸；隔温层采用酚醛泡沫塑料；导线采用同轴电缆线。

具体检测方法如下：

步骤1：将水分传感器置于盛满冻融土壤的实验缸的中央，通过隔温层将实验缸的上下面密封；

步骤2：实验缸的侧壁将外部热量传导至实验缸内，使得冻融土壤在实验缸内由外向内解冻；

步骤3：数据采集器对水分传感器的信号进行监测，当检测到水分传感器的信号发生突变时，冻融土壤和解冻土壤的边界与水分传感器的距离即为该水分传感器的影响半径。

将水分传感器置入盛满冻融土壤的聚氯乙烯缸，然后用多层酚醛泡沫塑料将聚氯乙烯缸上下两面密封隔温。埋入到完全冻融土壤里的水分传感器通过同轴电缆线接到传感器电路板，最终将连接到数据采集器。传感器电路板包含高频振荡电路、分频电路、单片机芯片、时钟模块、存储模块以及通信接口等部分。水分传感器将感应到的待测土壤含水量变化反映到传感器电路板上，经过信号调理后，再由单片机芯片对数据进行采集处理，并根据土壤“冻-融”与土壤“干-湿”的等价关系，捕捉到土壤含水率突变的时刻，即此时冻融土壤和解冻土壤的边界与水分传感器的距离即为该水分传感器的影响半径。

本实施例实际测量原理如下：假设水分传感器影响半径内的土壤含水率低，即土壤“干”，此时意味着土壤处于“冻”态；当所测的土壤含水率土壤陡增时，此时说明土壤中的水发生相变，处于“融”态。即冻融土壤开始从外向内融化，到达了水分传感器影响半径内。此时，冻融土壤和解冻土壤的边界与水分传感器的距离即为该水分传感器的影响半径。。

如附图1所示，为本发明实施例的土壤水分传感器影响半径的检测方法示意图，具体实施步骤如下：

1）将土壤水分传感器检测探针置入聚氯乙烯缸正中间，填满已知含水率的土壤，并均匀压实；

2）通过同轴电缆线将传感器检测探针与传感器电路板相连，并最终连接到数据采集器；

3）将该聚氯乙烯缸放入-20℃的冰柜中进行冷冻；

4）48小时后，将盛满完全冻实土壤的聚氯乙烯缸从冰柜中取出，并用多层酚醛泡沫塑料密封聚氯乙烯缸的上下两面，然后将其置于室温20±3℃进行解冻；

5）随着时间推移，冻土从外往里融化，水分传感器实时向传感器电路板传输数据变化，电路板上的信号处理电路及单片机芯片会进行数据处理，并将所处理土壤含水率传给数据采集器。当采集器所采集的土壤含水率突变时，此时从水分传感器开始测量到土壤融化边界的长度即为该传感器的影响半径。

经过多次反复实验证明，该方法所测土壤水分传感器影响半径具有较高准确性，而且重复性良好。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种土壤水分传感器影响半径检测系统，用于检测土壤水分传感器影响半径，其特征是该系统包括实验缸、隔温层、水分传感器、导线、传感器电路板和数据采集器；

所述实验缸盛满冻融土壤，将水分传感器置于实验缸的中央，实验缸的上下面用隔温层进行密封；导线将水分传感器和传感器电路板连接；传感器电路板和数据采集器连接。

2.根据权利要求1所述的一种土壤水分传感器影响半径检测系统，其特征是所述实验缸的材料为聚氯乙烯。

3.根据权利要求1所述的一种土壤水分传感器影响半径检测系统，其特征是所述隔温层的材料为酚醛泡沫塑料。

4.根据权利要求1所述的一种土壤水分传感器影响半径检测系统，其特征是所述导线为同轴电缆线。

5.根据权利要求1所述的一种土壤水分传感器影响半径检测系统，其特征是所述数据采集器为PDA或计算机。

6.一种根据权利要求1所述系统监测土壤水分传感器检测半径的方法，其特征是该方法包括以下步骤：

步骤1：将水分传感器置于盛满冻融土壤的实验缸的中央，通过隔温层将实验缸的上下面密封；

步骤2：实验缸的侧壁将外部热量传导至实验缸内，使得冻融土壤在实验缸内由外向内解冻；

步骤3：数据采集器对水分传感器的信号进行监测，当检测到水分传感器的信号发生突变时，冻融土壤和解冻土壤的边界与水分传感器的距离即为该水分传感器的影响半径。