CN105928984B - 一种基于土壤质地的非接触水盐传感器及其测试方法 - Google Patents

一种基于土壤质地的非接触水盐传感器及其测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于土壤质地的非接触水盐传感器及其测试及方法，装置包括管式外壳、支架、多个传感器感应元件、电路采集板以及变送板，其中，支架安装于管式外壳中，电路采集板和变送板固定于支架上，多个传感器感应元件分别安装于管式外壳外部的不同高度位置。本发明实现了水盐同测，在灌溉及施肥操作的同时可对操作的有效性进行动态监测，并根据监测结果进行管理，测量精度高，对土壤中单一盐份离子含量进行动态监测，安装简单，不扰动土壤，通用性强。

Description

一种基于土壤质地的非接触水盐传感器及其测试方法
技术领域
本发明涉及一种传感器标定技术，具体的说是一种基于土壤质地的非接触水盐传感器及其测试方法。
背景技术
控制土壤中的水分及盐分含量对农作物生长十分重要，因此对土壤中水分及盐分的测试工作也尤为突出。
在大多数农业土壤系统中，含水量和含盐量受土壤特性、土壤和作物栽培技术、灌水量和灌水强度、施肥量、施肥时间、肥料溶解情况以及作物生长阶段的影响，随时都在高度动态的变化着。为了提高作物的产量，减少对地下水和地表水水质的有害影响，避免对土壤的面源污染，更好的管理农业生产过程，需要对影响土壤中水分、盐分动态分布的相互依存的因素进行更加深入的了解。目前，为了在特定的深度区间(包括田间区域)仅使用少量的电缆和数据记录器进行准确、实时且连续的土壤水盐测定，同时还要最大程度的降低对土壤的干扰，对水分及盐分的测试通过两种传感器分别进行，水分测量依赖各种类型的水分测量传感器，而盐分的测量则较多依赖实验室的传统方法，难以做到实时的动态测量。也有少数测量通过盐分传感器进行，但现有盐分传感器仅能对土壤的总盐含量进行测定，并不能实现对单一盐离子成份的动态监测。
又由于灌溉和施肥往往同时进行，分别利用水分传感器和盐分传感器测量，增加了布线及施工成本，也限制了水盐数据关联性的分析。
土壤质地是根据土壤的颗粒组成划分的土壤类型。土壤质地一般分为砂土、壤土和粘土三类，其类别和特点，主要是继承了成土母质的类型和特点，又受到耕作、施肥、排灌、平整土地等人为因素的影响，是土壤的一种十分稳定的自然属性。与土壤通气、保肥、保水状况及耕作的难易有密切关系；土壤质地状况是拟定土壤利用、管理和改良措施的重要依据。因此，对土壤水分和盐分的测量，不能脱离开不同土壤质地的分类。只有在土壤质地判断的基础上进行的水盐监测，才能最大程度保证测量的准确性和精度。
目前，针对土壤水盐测定的更为合理的装置和方法尚未见报道。
发明内容
针对现有技术中分别利用水分传感器和盐分传感器测量土壤水盐报道含量增加了布线及施工成本等不足，本发明要解决的技术问题是提供一种能够综合测量土壤水盐含量的基于土壤质地的非接触水盐传感器及其测试方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明一种基于土壤质地的非接触水盐传感器，包括管式外壳、支架、多个传感器感应元件、电路采集板以及变送板，其中，支架安装于管式外壳中，电路采集板和变送板固定于支架上，多个传感器感应元件分别安装于管式外壳外部的不同高度位置。
所述传感器感应元件为1～16个，安装高度按要求进行调整固定。
所述电路采集板包括LC振荡器、降频器、分频器、LC振荡电路以及选择继电器，其中，LC振荡器为传感器感应元件提供振荡信号，产生振荡频率，形成LC振荡电路，LC振荡电路将传感器感应元件反馈的频率信号再送至LC振荡器，再经降频器及分频器输出至变送板；选择继电器根据其接收的变送板的信号动作，输出选择信号至LC振荡电路。
所述变送板包括第一电源模块、第二电源模块、供电选择模块、信号选择模块以及控制模块，其中，信号选择模块接收电路采集板的信号送至控制模块，控制模块输出供电选择控制信号经供电选择模块送至第一电源模块，第一电源模块为电路采集板提供工作电源；同时控制模块输出信号选择控制指令至信号选择模块，信号选择模块的输出端与电路采集板的选择继电器连接；供电选择模块的电源输入端与第二电源模块连接。
述变送板还具有通讯模块，通讯模块将控制模块的输出信号转换为485协议，与上位机通讯。
电源为市电或太阳能电源。
本发明一种基于土壤质地的非接触水盐传感器测试方法，包括以下步骤：
对供试土壤样柱的空气值、水值、干土壤值和饱和土壤值进行测定，做为原始基础数据；
模拟滴灌进行水肥一体化灌溉，直至样柱土壤饱和；
待水盐运移24小时后，根据原始基础数据通过以下公式进行首次计算得到含水量原始值和VSIC值：
VSIC＝[(ADaL*3-ADaH-ADdsH-ADdsL)-(ADsL*3-ADsH-ADssH-ADssL)]/[(ADaL*3-ADaH-ADdsH-ADdsL)-(ADwL*3-ADwH-ADssH-ADssL)])]*10000
其中，VSIC为体积盐离子含量(Volume Salt Ion Content)，ADaH为高频段空气中设备AD模数，ADwH为高频段水中设备AD模数，ADaL为低频段空气中设备AD模数，ADwL为低频段水中设备AD模数，ADdsH为高频段干土中设备AD模数，ADssH为高频段饱和土壤中设备AD模数，ADdsL为低频段干土中设备AD模数，ADssL为低频段饱和土壤中设备AD模数，ADsH为高频段土壤中设备AD模数，ADsL为低频段土壤中设备AD模数；
对样柱的第一层进行土壤样品采集，并测量土壤含水量值和EC1:2值；
当含水量下降5％左右时，重复上述步骤得到下一土层的含水量原始值和VSIC值，并采集该层土壤样品，测定含水量值和EC1:2值；
得到所有土层含水量原始值和VSIC值、测定含水量值和EC1:2值后，进行数据处理，分别制作土壤含水量标定曲线和土壤盐分标定曲线，完成一次测定过程。
所述土壤样柱为1～16层。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明实现了水盐同测，在灌溉及施肥操作的同时可对操作的有效性进行动态监测，并根据监测结果进行管理，测量精度高，可对不同质地土壤中单一盐份离子含量进行动态监测，安装简单，不扰动土壤，通用性强。
2.应用本发明装置布线简单，电缆长度限制少，更省电，可连续原位测定，无辐射，不需要太多的专业知识分析波形，可操作性强。
附图说明
图1为本发明非接触水盐传感器结构示意图；
图2为本发明非接触水盐传感器电气结构框图；
图3为本发明涉及的土壤含水量标定曲线和土壤盐分标定曲线。
图4为本发明涉及的土壤质地分类图；
图5A为本发明涉及的实验数据图表(一)；
图5B为本发明涉及的实验数据图表(二)。
其中，1为管式外壳，2为支架，3为传感器感应元件。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种基于土壤质地的非接触水盐传感器，其特征在于：包括管式外壳、支架、多个传感器感应元件、电路采集板以及变送板，其中，支架安装于管式外壳中，电路采集板和变送板固定于支架上，多个传感器感应元件分别安装于管式外壳外部的不同高度位置。所述传感器感应元件为1～16个，根据要测量土层数确定，各层安装高度按要求进行调整固定。
如图2所示，电路采集板包括LC振荡器、降频器、分频器、LC振荡电路以及选择继电器，其中，LC振荡器为传感器感应元件提供振荡信号，产生振荡频率，形成LC振荡电路，LC振荡电路将传感器感应元件反馈的频率信号再送至LC振荡器，再经降频器及分频器输出至变送板；选择继电器根据其接收的变送板的信号动作，输出选择信号至LC振荡电路。
变送板包括第一电源模块、第二电源模块、供电选择模块、信号选择模块以及控制模块，其中，信号选择模块接收电路采集板的信号送至控制模块，控制模块输出供电选择控制信号经供电选择模块送至第一电源模块，第一电源模块为电路采集板提供工作电源；同时控制模块输出信号选择控制指令至信号选择模块，信号选择模块的输出端与电路采集板的选择继电器连接；供电选择模块的电源输入端与第二电源模块连接。
变送板还具有通讯模块，通讯模块将控制模块的输出信号转换为485协议，与上位机通讯。
本实施例中，变送板上设有插排，用于连接传感器感应元件(本实施例为铜环)；供电选择模块在驱动电路的控制下为被选择的传感器感应元件供电，传感器感应元件在同一时间段内只有一个工作；控制模块为单片机，通过485通讯模块与上位机进行通讯连接。
电路采集板电源由变送板的电源模块接入，振荡器产生频率，用于为传感器感应元件起振，形成LC振荡电路；降频器用于将振荡器频率降低至单片机的CPU可处理范围；分频器用于将传感器感应元件反馈的频率信号分解为高频输出信号和低频输出信号，其中，高频输出信号为水份测量信号，低频输出信号为水盐同测信号。
电源为市电或太阳能电源，本实施例中采用太阳能电源。
本发明非接触水盐传感器的工作过程如下：
系统上电工作，电路采集板中的振荡器起振，输出的频率信号送至当前被选择的传感器感应元件；
传感器感应元件将反馈频率信号送至降频器进行降频处理，降低至单片机的CPU可处理范围后输出到变送板的信号选择模块中，信号选择模块将高频信号和低频信号分送至单片机，单片机将模拟信号转换为数字信号，经485通讯模块上传到上位机进行分析处理，实现水盐同测。
本发明一种基于土壤质地的非接触水盐传感器测试方法，包括以下步骤：
依据土壤质地分类图(如图4所示)，田间采集十二种不同质地的土壤样品，将土壤打碎，去除植物根系、落叶等杂物，过筛，结合土壤现有含水量及样柱体积，按照田间实测容重，均匀添加入直径20cm，中间内置一根探测管(即本发明非接触水盐传感器的外壳)的样柱中，样柱底部有排水孔若干。样柱高度可根据试验数据密度进行自定义，10厘米为一个土层，一般建议在4个土层以上，将土壤逐层压实，制作成标准土壤样柱。
对供试土壤样柱的空气值、水值、干土壤值和饱和土壤值进行测定，做为原始基础数据；
模拟滴灌进行水肥一体化灌溉，直至样柱土壤饱和；
待水盐运移24小时后，根据原始基础数据通过以下公式进行首次计算得到含水量原始值和VSIC值：
VSIC＝[(ADaL*3-ADaH-ADdsH-ADdsL)-(ADsL*3-ADsH-ADssH-ADssL)]/[(ADaL*3-ADaH-ADdsH-ADdsL)-(ADwL*3-ADwH-ADssH-ADssL)])]*10000
其中，VSIC为体积盐离子含量(Volume Salt Ion Content)，ADaH为高频段空气中设备AD模数，ADwH为高频段水中设备AD模数，ADaL为低频段空气中设备AD模数，ADwL为低频段水中设备AD模数，ADdsH为高频段干土中设备AD模数，ADssH为高频段饱和土壤中设备AD模数，ADdsL为低频段干土中设备AD模数，ADssL为低频段饱和土壤中设备AD模数，ADsH为高频段土壤中设备AD模数，ADsL为低频段土壤中设备AD模数；
实际土壤体积含水量值通过以下公式计算得到：
Y1＝a1*[(ADaH-ADsH)/(ADaH-ADwH)]b1；
其中，a1为土壤质地含水量标定曲线系数，b1为土壤质地含水量标定曲线幂指数；
实际土壤EC1:2值通过以下公式计算得到：
Y2＝a2*VSIC+b2
其中，a2为第一土壤盐离子标定曲线常数，b2为第二土壤盐离子标定曲线常数；
对样柱的第一层进行土壤样品采集，并测量土壤含水量值和EC1:2值；
当含水量下降5％左右时，重复上述步骤得到下一土层的含水量原始值和VSIC值，并采集该层土壤样品，测定含水量值和EC1:2值；
得到所有土层含水量原始值和VSIC值、测定含水量值和EC1:2值后，进行数据处理，分别制作土壤含水量标定曲线和土壤盐分标定曲线，完成一次测定过程。
所述土壤层次根据试验密度进行选择，从1-16层次可选。
以下为本发明的具体试验实例。
1.试验材料
供试土壤：壤土
土壤容重：1.2g/cm3；
土壤样品制作：样柱高50厘米(可根据试验数据密度要求进行层次调整，本试验为4层土壤)，直径20cm，中间放置探测管(即本发明非接触水盐传感器的外壳)一根，样柱底部有排水孔若干。
将土壤打碎，去除植物根系、落叶等杂物，过筛，结合土壤现有含水量及样柱体积，按照1.2g/cm3的容重(为田间实测容重)，均匀添加如样柱中，并将土壤压实，制作成标准样品土样。土层高40厘米，每10厘米为一测试土层。共制作12个样柱，每两个样柱为一组处理。
设备：管式水盐一体传感器，即本发明非接触水盐传感器；
试验方案
步骤一：先对空气值、水值、干土壤值和饱和土壤值进行测定；
ADaH：高频段空气中设备AD模数，ADwH：高频段水中设备AD模数，ADaL：低频段空气中设备AD模数，ADwL：低频段水中设备AD模数，ADdsH：高频段干土中设备AD模数，ADssH：高频段饱和土壤中设备AD模数，ADdsL：低频段干土中设备AD模数，ADssL：低频段饱和土壤中设备AD模数，ADsH：高频段土壤中设备AD模数，ADsL：低频段土壤中设备AD模数。
步骤二：用滴灌系统模拟田间水肥一体化灌溉，直至样柱土壤水分饱和。
让水肥自然运移均匀后，进行步骤三，每一组样柱使用灌溉水肥料浓度如下：
分组 复合肥料浓度
组一 蒸馏水
组二 1.462ms/cm
组三 2.6ms/cm
组四 3.64ms/cm
组五 4.92ms/cm
组六 6.16ms/cm
上表中采用的复合肥料也可以用单一肥料离子替代，制作出的曲线即为单一离子的标定曲线。
步骤三：待水盐运移24小时后，使用本发明传感器测量第一土层的ADsH(高频段土壤中设备AD模数)和ADsL(低频段土壤中设备AD模数)，并做好记录。
步骤四：对样柱第一土层进行土壤样品采集，用烘干法测量土壤含水量数值，并测量土壤水土比1:2的电导率值EC1:2；
步骤五：以后每隔二周左右进行一次下一土层的ADsH(高频段土壤中设备AD模数)和ADsL(低频段土壤中设备AD模数)，并采集土壤样品，用烘干法测量土壤含水量数值，并测量土壤水土比1:2的电导率值EC1:2，即重复步骤三、四操作。其中的间隔时间需要试验者自行掌握，标准是让样柱中各土层的含水量值拉开差距，从饱和土壤至干土壤都有。
步骤六：数据处理，将数据进行整理，分别制作土壤含水量标定曲线和土壤盐分标定曲线，如图4所示。
实验数据图表如图5A～5B所示。
本发明实现了水盐同测，在灌溉及施肥操作的同时可对操作的有效性进行动态监测，并根据监测结果进行管理，测量精度高，对土壤中单一盐份离子含量进行动态监测，安装简单，不扰动土壤，通用性强。

Claims (6)

1.一种基于土壤质地的非接触水盐传感器，其特征在于：包括管式外壳、支架、多个传感器感应元件、电路采集板以及变送板，其中，支架安装于管式外壳中，电路采集板和变送板固定于支架上，多个传感器感应元件分别安装于管式外壳外部的不同高度位置；
所述电路采集板包括LC振荡器、降频器、分频器、LC振荡电路以及选择继电器，其中，LC振荡器为传感器感应元件提供振荡信号，产生振荡频率，形成LC振荡电路，LC振荡电路将传感器感应元件反馈的频率信号再送至LC振荡器，再经降频器及分频器输出至变送板；选择继电器根据其接收的变送板的信号动作，输出选择信号至LC振荡电路；
所述变送板包括第一电源模块、第二电源模块、供电选择模块、信号选择模块以及控制模块，其中，信号选择模块接收电路采集板的信号送至控制模块，控制模块输出供电选择控制信号经供电选择模块送至第一电源模块，第一电源模块为电路采集板提供工作电源；同时控制模块输出信号选择控制指令至信号选择模块，信号选择模块的输出端与电路采集板的选择继电器连接；供电选择模块的电源输入端与第二电源模块连接。
2.按权利要求1所述的基于土壤质地的非接触水盐传感器，其特征在于：所述传感器感应元件为2～16个，安装高度按要求进行调整固定。
3.按权利要求1所述的基于土壤质地的非接触水盐传感器，其特征在于：还具有通讯模块，通讯模块将控制模块的输出信号转换为485协议，与上位机通讯。
4.按权利要求1所述的基于土壤质地的非接触水盐传感器，其特征在于：电源为市电或太阳能电源。
5.一种根据权利要求1所述的基于土壤质地的非接触水盐传感器测试方法，其特征在于包括以下步骤：
对供试土壤样柱的空气值、水值、干土壤值和饱和土壤值进行测定，做为原始基础数据；
模拟滴灌进行水肥一体化灌溉，直至样柱土壤饱和；
待水盐运移24小时后，根据原始基础数据通过以下公式进行首次计算得到含水量原始值和VSIC值：
VSIC＝[(ADaL*3-ADaH-ADdsH-ADdsL)-(ADsL*3-ADsH-ADssH-ADssL)]/[(ADaL*3-ADaH-ADdsH-ADdsL)-(ADwL*3-ADwH-ADssH-ADssL)])]*10000
其中，VSIC为体积盐离子含量(Volume Salt Ion Content)，ADaH为高频段空气中设备AD模数，ADwH为高频段水中设备AD模数，ADaL为低频段空气中设备AD模数，ADwL为低频段水中设备AD模数，ADdsH为高频段干土中设备AD模数，ADssH为高频段饱和土壤中设备AD模数，ADdsL为低频段干土中设备AD模数，ADssL为低频段饱和土壤中设备AD模数，ADsH为高频段土壤中设备AD模数，ADsL为低频段土壤中设备AD模数；
对样柱的第一层进行土壤样品采集，并测量土壤含水量值和EC1:2值；
当含水量下降5％左右时，重复上述步骤得到下一土层的含水量原始值和VSIC值，并采集该层土壤样品，测定含水量值和EC1:2值；
得到所有土层含水量原始值和VSIC值、测定含水量值和EC1:2值后，进行数据处理，分别制作土壤含水量标定曲线和土壤盐分标定曲线，完成一次测定过程。
6.按权利要求5所述的基于土壤质地的非接触水盐传感器测试方法，其特征在于：所述土壤样柱为2～16层。
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