CN106645314A - 用于fdr管式土壤水分传感器的故障诊断装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于FDR管式土壤水分传感器的故障诊断装置及检测方法。将FDR管式土壤水分传感器穿过土壤水分环境模拟装置固定在套环上；上位机发送命令，完成复位工作；上位机对电控装置发送命令，将土壤水分环境模拟装置移动至第一层电容处，读取土壤水分传感器输出的土壤水分数据和标准值作对比，诊断第一层电容有无故障；然后将土壤水分环境模拟装置移动至第二层电容处，读取土壤水分传感器输出的土壤水分数据和标准值作对比，诊断第二层电容有无故障；依次对第三层电容至第N层电容进行故障诊断，从而判断土壤水分传感器是否存在故障及故障位置。本发明大幅减少了人工工作量，缩短了测量周期，自动化程度高，提高了故障诊断的工作效率。

Description

用于FDR管式土壤水分传感器的故障诊断装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种故障诊断装置，具体是一种用于FDR管式土壤水分传感器的故障诊断装置及检测方法。

背景技术

土壤水分传感器是一种在气象、农业、生态及水文环境领域使用的土壤含水量测量仪器。基于FDR（Frequency Domain Reflectometry，频域反射法）原理的土壤水分传感器主要由一对圆形金属环组成一个电容，其间的土壤充当电介质，电容与振荡器组成一个调谐电路，传感器电容量与两极间被测介质的介电常数成正比关系。由于水的介电常数比一般介质的介电常数要大得多，所以当土壤中的水分增加时，其介电常数相应增大，测量时传感器给出的电容值也随之上升，相应的，传感器的测量频率也会发生变化。利用土壤水分传感器在不同土壤含水量中的频率变化来测量土壤体积含水量。一般地，一个FDR管式土壤水分传感器中包含多个电容，电容位置可调，可分别测量不同深度的土壤体积含水量。

目前，对FDR管式土壤水分传感器的故障诊断主要是通过对比人工观测土壤水分含量与传感器测量数据来进行的，人工观测采用中国气象局《农业气象观测规范》规定的烘干称重法。采用烘干称重法测量土壤含水量的主要优点是精度较高、测量范围宽，但是存在着以下缺点：一，烘干称重法是由人工完成的，它必须将所采土样由田间取回实验室进行烘干、称重，最后通过计算求出土壤的含水量，因此工作量大、效率低；二，测量周期长，从土壤采样到烘干、称重、计算往往需要较长的时间，通常需要24小时，较快也需要5~12小时，给快速测量带来很大的不便；三，采样土壤时破坏土壤结构，不宜定点长期观察。基于此，有必要发明一种能够快速诊断FDR管式土壤水分传感器是否故障、不破坏土壤结构、能够定点长期观察的自动化装置，以解决传统故障诊断方法人工工作量大、效率低、测量周期长、破坏土壤结构、不宜定点长期观察的缺点。

发明内容

为了解决传统故障诊断方法人工工作量大、效率低、测量周期长、破坏土壤结构、不宜定点长期观察的缺点，本发明提供了一种用于FDR管式土壤水分传感器的故障诊断装置及检测方法。

本发明为实现上述目的，是采用如下技术方案实现的：一种用于FDR管式土壤水分传感器的故障诊断装置及方法，包括步进电机、丝杠、导轨、其特征在于：还包括底座、第一支架Ⅰ、套环、第二支架、土壤水分环境模拟装置、电控装置、调平螺栓、支撑块Ⅰ、支撑块Ⅱ、第一支架Ⅱ、接近开关Ⅰ、接近开关Ⅱ、金属薄片Ⅰ、金属薄片Ⅱ；

所述底座两端支撑块的下面分别固定两个调平螺栓，所述步进电机、电控装置、燕尾导轨、支撑块Ⅰ、支撑块Ⅱ、第一支架Ⅰ和第一支架Ⅱ分别固定在底座上，底座上面固定的支撑块Ⅰ、支撑块Ⅱ之间为燕尾导轨，步进电机和电控装置设置在支撑块Ⅱ的一侧，所述第二支架通过下端的燕尾槽与燕尾导轨的配合设置在燕尾导轨上，所述丝杠设置在第二支架中间的螺孔中，丝杠的外螺纹与丝杠螺孔的内螺纹螺接配合，丝杠一端的轴辊设置支撑块Ⅰ上端孔内的轴套中，丝杠另一端的轴辊穿过支撑块Ⅱ上端孔内的轴套通过联轴器与步进电机连接，所述土壤水分环境模拟装置固定在第二支架上端的弧形面上，在土壤水分环境模拟装置的两个面上分别粘接有金属薄片Ⅰ、金属薄片Ⅱ，在第一支架Ⅰ上固定有接近开关Ⅰ和一个套环，在第一支架Ⅱ上固定有接近开关Ⅱ和一个套环，两个套环的环心分别与土壤水分环境模拟装置孔心同心，所述电控装置与步进电机连接，步进电机驱动丝杠转动，使丝杠上的第二支架沿燕尾导轨往复移动。

一种用于FDR管式土壤水分传感器的故障诊断装置的检测方法，其特征在于：步骤如下，

第一步、准备工作，

将装置置于室内地面上，通过调节四个调平螺栓使装置平稳放置，调节工作完成；

为了提高本发明的工作效率和测量准确度，土壤水分环境模拟装置采用PVC材料制作封闭式圆形腔体，腔体内部全部密封水，这样防止了水的流失，可以长期稳定的模拟一定含水量的土壤环境；

将两个套环的上套环与下套环展开，然后将土壤水分传感器穿过土壤水分环境模拟装置的孔，使土壤水分传感器头部放置在第一支架Ⅱ上的下套环上，尾部放置在第一支架Ⅰ上的下套环上，调节土壤水分传感器摆放位置，使土壤水分传感器中所有位置的电容处在第一支架Ⅰ和第一支架Ⅱ之间，待摆放平稳后，通过螺母将上套环与下套环闭合在一起，从而将土壤水分传感器固定，土壤水分传感器的管壁与孔壁之间的间隙不超过1mm，保证了土壤环境模拟的真实性，

将装置通电开机，其通讯线接入上位机，土壤水分传感器通电，其数据通讯线接入上位机，完成准备工作；

第二步骤、通过上位机对电控装置发送复位命令，控制步进电机驱动第二支架带动土壤水分环境模拟装置向接近开关Ⅱ位置移动，当土壤水分环境模拟装置上金属薄片Ⅱ距接近开关Ⅱ2~3mm时，接近开关Ⅱ输出信号到电控装置，控制步进电机停止转动，此时，土壤水分环境模拟装置停止在复位位置，完成复位工作；

为了防止误操作导致步进电机长时间转动，驱动土壤水分环境模拟装置持续向第一支架Ⅰ方向移动，并与第一支架Ⅰ发生碰撞，在第一支架Ⅰ上固定了接近开关Ⅰ，当土壤水分环境模拟装置上金属薄片Ⅰ距接近开关Ⅰ2~3mm时，接近开关Ⅰ输出信号到电控装置，控制步进电机停止转动，起到保护装置的作用；

通过产品说明书确定土壤水分传感器中各层电容，即距离传感器头部最近的电容为第一层电容，其余电容按顺序依次为第二层电容、第三层电容至第N层电容的具体位置以及间距，然后利用工具测量出此时土壤水分环境模拟装置与第一层电容的距离，从而确定土壤水分环境模拟装置从复位位置到完全包覆住第一层电容所需要的移动距离，通过上位机对电控装置发送移动命令，控制步进电机驱动第二支架带动土壤水分环境模拟装置由复位位置移动至第一层电容处，待2~3分钟过后读取上位机上传感器输出的土壤水分数据，通过和土壤水分环境模拟装置标准值作对比，实际测定值在标准值误差范围内，则判断第一层电容正常，否则判断第一层电容故障；

第三步骤、根据第二步骤中确定的第一层电容和第二层电容的间距，通过上位机对电控装置发送移动命令，控制步进电机驱动第二支架带动土壤水分环境模拟装置由第一层电容移动至第二层电容处，待2~3分钟过后读取上位机上传感器输出的土壤水分数据，通过和土壤水分环境模拟装置标准值作对比，实际测定值在标准值误差范围内，则判断第二层电容正常，否则判断第二层电容故障；

第四步骤、采用第三步骤方法，依次对第三层电容至第N层电容进行故障诊断，

从而判断土壤水分传感器是否存在故障，以及故障位置。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

采用土壤水分环境模拟装置代替现有方法中的采样土壤，大幅减少了人工工作量，缩短了测量周期，自动化程度高，节省了人力、物力，提高了故障诊断的工作效率，并且没有破坏土壤结构，可定点长期观察。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的结构分解示意图；

图3为本发明套环的结构示意图；

图4为土壤水分环境模拟装置的剖面图。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，下面结合优选实施例及其附图对本发明应用于FDR管式土壤水分传感器的故障诊断装置作进一步详细描述。

如图1至图4所示，一种用于FDR管式土壤水分传感器的故障诊断装置，包括步进电机4、丝杠5、导轨6，还包括底座1、第一支架2、套环3、第二支架7、土壤水分环境模拟装置8、电控装置9、调平螺栓10、支撑块Ⅰ11、支撑块Ⅱ12。

土壤水分环境模拟装置8为封闭式圆形腔体，在封闭式圆形腔体面上设有孔8-1，在封闭式圆形腔体内封装标准克重的水8-2。

套环3包括上套环3-1、下套环3-2、螺柱3-3、螺母3-4、销轴3-5。

上套环3-1一端为半圆形体，另一端为矩形台，在矩形台面上设有螺柱孔，在半圆形体的端面上设有片状凸起3-1-1，在片状凸起3-1-1面上设有开口槽3-1-1。

下套环3-2为半圆形体，在半圆形体的中间面上设有螺孔3-2-3，在半圆形体一侧的弧面上设有开口槽Ⅰ3-2-1，在半圆形体另一侧的平台上设有开口槽Ⅱ3-2-2，在开口槽Ⅰ3-2-1和开口槽Ⅱ3-2-2的两个壁上分别设有销轴孔。

螺柱3-3下端置于下套环3-2开口槽Ⅱ3-2-2内，通过销轴3-5将螺柱3-3连接在下套环3-2上，螺柱3-3上端在开口槽Ⅱ3-2-2内可左右展开。

上套环3-1的片状凸起3-1-2设置在下套环3-2的开口槽Ⅰ3-2-1中，通过销轴3-5与下套环3-2连接在一起，上套环3-1和下套环3-2可展开或闭合。

闭合时，上套环3-1的矩形台与下套环3-2平台相对接，螺柱3-3上端置于上套环3-1开口槽内，通过螺母3-4将上套环3-1、下套环3-2固定在一起，上套环3-1半圆形体和下套环3-2半圆形体相对应构成一个环。

在底座1两端支撑块1-1的下面分别螺装固定两个调平螺栓10，

将步进电机4、电控装置9、燕尾导轨6、支撑块Ⅰ11、支撑块Ⅱ12、第一支架Ⅰ2和第一支架Ⅱ13分别固定在底座1上，底座1上面螺装固定的支撑块Ⅰ11、支撑块Ⅱ12之间为燕尾导轨6，步进电机4和电控装置9设置在支撑块Ⅱ12的一侧，第二支架7通过下端的燕尾槽与燕尾导轨6的配合设置在燕尾导轨6上，丝杠5设置在第二支架7中间的螺孔7-1中，丝杠5的外螺纹与丝杠5螺孔7-1的内螺纹螺接配合，丝杠5一端的轴辊设置支撑块Ⅰ11上端孔内的轴套中，丝杠5另一端的轴辊穿过支撑块Ⅱ12上端孔内的轴套通过联轴器与步进电机4连接，将土壤水分环境模拟装置8粘接在第二支架7上端的弧形面7-2上，在土壤水分环境模拟装置8的两个面上分别粘接有金属薄片Ⅰ16、金属薄片Ⅱ17，在第一支架Ⅰ2上固定有接近开关Ⅰ14和一个套环3，在第一支架Ⅱ13上固定有接近开关Ⅱ15和一个套环3，两个套环3的环心分别与土壤水分环境模拟装置8孔8-1心同心，电控装置9通过导线与步进电机4连接，步进电机4驱动丝杠5转动，使丝杠5上的第二支架7沿燕尾导轨6往复移动。

一种用于FDR管式土壤水分传感器的故障诊断装置的检测方法，步骤如下：

第一步、准备工作，

将装置置于室内地面上，通过调节四个调平螺栓10使装置平稳放置，调节工作完成；

为了提高本发明的工作效率和测量准确度，土壤水分环境模拟装置8采用PVC材料制作封闭式圆形腔体，腔体内部全部密封水8-2，这样防止了水8-2的流失，可以长期稳定的模拟一定含水量的土壤环境。

将两个套环3的上套环3-1与下套环3-2展开，然后将土壤水分传感器穿过土壤水分环境模拟装置8的孔8-1，使土壤水分传感器头部放置在第一支架Ⅱ13上的下套环3-2上，尾部放置在第一支架Ⅰ2上的下套环3-2上，调节土壤水分传感器摆放位置，使土壤水分传感器中所有位置的电容处在第一支架Ⅰ2和第一支架Ⅱ13之间，待摆放平稳后，通过螺母3-4将上套环3-1与下套环3-2闭合在一起，从而将土壤水分传感器固定，土壤水分传感器的管壁与孔8-1壁之间的间隙不超过1mm，保证了土壤环境模拟的真实性。

将装置通电开机，其通讯线接入上位机，土壤水分传感器通电，其数据通讯线接入上位机，完成准备工作。

第二步骤、通过上位机对电控装置9发送复位命令，控制步进电机4驱动第二支架7带动土壤水分环境模拟装置8）接近开关Ⅱ15位置移动，当土壤水分环境模拟装置8上金属薄片Ⅱ17距接近开关Ⅱ15为2~3mm时，接近开关Ⅱ15输出信号到电控装置9，控制步进电机4停止转动，此时，土壤水分环境模拟装置8停止在复位位置，完成复位工作。

为了防止误操作导致步进电机4长时间转动，驱动土壤水分环境模拟装置8持续向第一支架Ⅰ2方向移动，并与第一支架Ⅰ2发生碰撞，在第一支架Ⅰ2上固定了接近开关Ⅰ14，当土壤水分环境模拟装置8上金属薄片Ⅰ16距接近开关Ⅰ14为2~3mm时，接近开关Ⅰ14输出信号到电控装置9，控制步进电机4停止转动，起到保护装置的作用；

通过产品说明书确定土壤水分传感器中各层电容，即距离传感器头部最近的电容为第一层电容，其余电容按顺序依次为第二层电容、第三层电容至第N层电容的具体位置以及间距，然后利用工具测量出此时土壤水分环境模拟装置8与第一层电容的距离，从而确定土壤水分环境模拟装置8从复位位置到完全包覆住第一层电容所需要的移动距离，通过上位机对电控装置9发送移动命令，控制步进电机4驱动第二支架7带动土壤水分环境模拟装置8由复位位置移动至第一层电容处，待2~3分钟过后读取上位机上传感器输出的土壤水分数据，通过和土壤水分环境模拟装置标准值作对比，实际测定值在标准值误差范围内，则判断第一层电容正常，否则判断第一层电容故障。

第三步骤、根据第二步骤中确定的第一层电容和第二层电容的间距，通过上位机对电控装置9发送移动命令，控制步进电机4驱动第二支架7带动土壤水分环境模拟装置8由第一层电容移动至第二层电容处，待2~3分钟过后读取上位机上传感器输出的土壤水分数据，通过和土壤水分环境模拟装置标准值作对比，实际测定值在标准值误差范围内，则判断第二层电容正常，否则判断第二层电容故障。

第四步骤、采用第三步骤方法，依次对第三层电容至第N层电容进行故障诊断，

从而判断土壤水分传感器是否存在故障，以及故障位置。

Claims (4)

1.一种用于FDR管式土壤水分传感器的故障诊断装置及方法，包括步进电机（4）、丝杠（5）、导轨（6）、其特征在于：还包括底座（1）、第一支架Ⅰ（2）、套环（3）、第二支架（7）、土壤水分环境模拟装置（8）、电控装置（9）、调平螺栓（10）、支撑块Ⅰ（11）、支撑块Ⅱ（12）、第一支架Ⅱ（13）、接近开关Ⅰ（14）、接近开关Ⅱ（15）、金属薄片Ⅰ（16）、金属薄片Ⅱ（17）；

所述底座（1）两端支撑块（1-1）的下面分别固定两个调平螺栓（10），

所述步进电机（4）、电控装置（9）、燕尾导轨（6）、支撑块Ⅰ（11）、支撑块Ⅱ（12）、第一支架Ⅰ（2）和第一支架Ⅱ（13）分别固定在底座（1）上，底座（1）上面固定的支撑块Ⅰ（11）、支撑块Ⅱ（12）之间为燕尾导轨（6），步进电机（4）和电控装置（9）设置在支撑块Ⅱ（12）的一侧，所述第二支架（7）通过下端的燕尾槽与燕尾导轨（6）的配合设置在燕尾导轨（6）上，所述丝杠（5）设置在第二支架（7）中间的螺孔（7-1）中，丝杠（5）的外螺纹与丝杠（5）螺孔（7-1）的内螺纹螺接配合，丝杠（5）一端的轴辊设置支撑块Ⅰ（11）上端孔内的轴套中，丝杠（5）另一端的轴辊穿过支撑块Ⅱ（12）上端孔内的轴套通过联轴器与步进电机（4）连接，所述土壤水分环境模拟装置（8）固定在第二支架（7）上端的弧形面（7-2）上，在土壤水分环境模拟装置（8）的两个面上分别粘接有金属薄片Ⅰ（16）、金属薄片Ⅱ（17），在第一支架Ⅰ（2）上固定有接近开关Ⅰ（14）和一个套环（3），在第一支架Ⅱ（13）上固定有接近开关Ⅱ（15）和一个套环（3），两个套环（3）的环心分别与土壤水分环境模拟装置（8）孔（8-1）心同心，所述电控装置（9）与步进电机（4）连接，步进电机（4）驱动丝杠（5）转动，使丝杠（5）上的第二支架（7）沿燕尾导轨（6）往复移动。

2.根据权利要求1所述的用于FDR管式土壤水分传感器的故障诊断装置，其特征在于：所述的土壤水分环境模拟装置（8）为封闭式圆形腔体，在封闭式圆形腔体面上设有孔（8-1），在封闭式圆形腔体内封装有水（8-2）。

3.根据权利要求1所述的用于FDR管式土壤水分传感器的故障诊断装置，其特征在于：所述的套环（3）包括上套环（3-1）、下套环（3-2）、螺柱（3-3）、螺母（3-4）、销轴（3-5），

所述上套环（3-1）一端为半圆形体，另一端为矩形台，在矩形台面上设有开口槽（3-1-1），在半圆形体的端面上设有片状凸起（3-1-2），在片状凸起（3-1-1）面上设有销轴孔；

所述下套环（3-2）为半圆形体，在半圆形体的面上设有螺孔（3-2-3），在半圆形体一侧的弧面上设有开口槽Ⅰ（3-2-1），在半圆形体另一侧的平台上设有开口槽Ⅱ（3-2-2），在开口槽Ⅰ（3-2-1）和开口槽Ⅱ（3-2-2）的两个壁上分别设有销轴孔；

所述螺柱（3-3）下端置于下套环（3-2）开口槽Ⅱ（3-2-2）内，通过销轴（3-5）将螺柱（3-3）连接在下套环（3-2）上，螺柱（3-3）上端在开口槽Ⅱ（3-2-2）内可左右展开；

所述上套环（3-1）的片状凸起（3-1-2）设置在下套环（3-2）的开口槽Ⅰ（3-2-1）中，通过销轴（3-5）与下套环（3-2）连接在一起，

上套环（3-1）和下套环（3-2）可展开或闭合；

闭合时，上套环（3-1）的矩形台与下套环（3-2）平台相对接，螺柱（3-3）上端置于上套环（3-1）开口槽（3-1-1）内，通过螺母（3-4）将上套环（3-1）、下套环（3-2）固定在一起，上套环（3-1）半圆形体和下套环（3-2）半圆形体相对应构成一个环。

4.一种采用权利要求1所述的用于FDR管式土壤水分传感器的故障诊断装置的检测方法，其特征在于：步骤如下，

第一步、准备工作，

将装置置于室内地面上，通过调节四个调平螺栓（10）使装置平稳放置，调节工作完成；

为了提高本发明的工作效率和测量准确度，土壤水分环境模拟装置（8）采用PVC材料制作封闭式圆形腔体，腔体内部全部密封水（8-2），这样防止了水（8-2）的流失，可以长期稳定的模拟一定含水量的土壤环境；

将两个套环（3）的上套环（3-1）与下套环（3-2）展开，然后将土壤水分传感器穿过土壤水分环境模拟装置（8）的孔（8-1），使土壤水分传感器头部放置在第一支架Ⅱ（13）上的下套环（3-2）上，尾部放置在第一支架Ⅰ（2）上的下套环（3-2）上，调节土壤水分传感器摆放位置，使土壤水分传感器中所有位置的电容处在第一支架Ⅰ（2）和第一支架Ⅱ（13）之间，待摆放平稳后，通过螺母（3-4）将上套环（3-1）与下套环（3-2）闭合在一起，从而将土壤水分传感器固定，土壤水分传感器的管壁与孔（8-1）壁之间的间隙不超过1mm，保证了土壤环境模拟的真实性，

将装置通电开机，其通讯线接入上位机，土壤水分传感器通电，其数据通讯线接入上位机，完成准备工作；

第二步骤、通过上位机对电控装置（9）发送复位命令，控制步进电机（4）驱动第二支架（7）带动土壤水分环境模拟装置（8）向接近开关Ⅱ（15）位置移动，当土壤水分环境模拟装置（8）上金属薄片Ⅱ（17）距接近开关Ⅱ（15）2~3mm时，接近开关Ⅱ（15）输出信号到电控装置（9），控制步进电机（4）停止转动，此时，土壤水分环境模拟装置（8）停止在复位位置，完成复位工作；

为了防止误操作导致步进电机（4）长时间转动，驱动土壤水分环境模拟装置（8）持续向第一支架Ⅰ（2）方向移动，并与第一支架Ⅰ（2）发生碰撞，在第一支架Ⅰ（2）上固定了接近开关Ⅰ（14），当土壤水分环境模拟装置（8）上金属薄片Ⅰ（16）距接近开关Ⅰ（14）2~3mm时，接近开关Ⅰ（14）输出信号到电控装置（9），控制步进电机（4）停止转动，起到保护装置的作用；

通过产品说明书确定土壤水分传感器中各层电容，即距离传感器头部最近的电容为第一层电容，其余电容按顺序依次为第二层电容、第三层电容至第N层电容的具体位置以及间距，然后利用工具测量出此时土壤水分环境模拟装置（8）与第一层电容的距离，从而确定土壤水分环境模拟装置（8）从复位位置到完全包覆住第一层电容所需要的移动距离，通过上位机对电控装置（9）发送移动命令，控制步进电机（4）驱动第二支架（7）带动土壤水分环境模拟装置（8）由复位位置移动至第一层电容处，待2~3分钟过后读取上位机上传感器输出的土壤水分数据，通过和土壤水分环境模拟装置标准值作对比，实际测定值在标准值误差范围内，则判断第一层电容正常，否则判断第一层电容故障；

第三步骤、根据第二步骤中确定的第一层电容和第二层电容的间距，通过上位机对电控装置（9）发送移动命令，控制步进电机（4）驱动第二支架（7）带动土壤水分环境模拟装置（8）由第一层电容移动至第二层电容处，待2~3分钟过后读取上位机上传感器输出的土壤水分数据，通过和土壤水分环境模拟装置标准值作对比，实际测定值在标准值误差范围内，则判断第二层电容正常，否则判断第二层电容故障；

第四步骤、采用第三步骤方法，依次对第三层电容至第N层电容进行故障诊断，

从而判断土壤水分传感器是否存在故障，以及故障位置。