CN106771053B - 一种土壤含冰量检测的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种土壤冰含量检测方法及装置，所述方法包括：获取土壤的检测信息；根据检测信息以及预设的土壤含冰量模型获得土壤的第一含冰量，其中土壤含冰量模型的输入量为检测信息，输出量为第一含冰量。所述装置包括：电源、线路控制板、铂电阻探针以及至少两个不锈钢探针，铂电阻探针和各不锈钢探针用于检测土壤的检测信息，各不锈钢探针与铂电阻探针均与线路控制板连接；线路控制板用于控制各不锈钢探针和铂电阻探针获取所述检测信息，并根据检测信息以及预设的土壤含冰量模型获得土壤的第一含冰量。本发明实施例，提高了土壤含冰量测量的准确性。
Description
技术领域
本发明实施例涉及土壤检测技术领域，具体涉及一种土壤含冰量检测的方法及装置。
背景技术
在季节性冻土地区，土壤的冻融循环过程对农业生产与生态气候环境有重要的影响，例如在春季，农民会根据农田土壤的融化情况来推断耕作的最佳时间。因此人们对农田季节性冻土冻融循环周期变化规律的研究愈加关注。而土壤的冻融循环过程实质上是土壤中的自由水与冰相互转换的过程，因此能够实时检测农田土壤中冰的含量就显的尤为重要。
在早期的冻土研究中，冻土器作为一种简单的测量工具被广泛应用，其结构由内管与外管两部分组成，当土壤冻结时，通过人工观测内管水的冻结情况来判断土壤的冻结深度。但是由于土壤本身的冻结温度与纯水的并不相同，因此该方法只能在一定程度上判断土壤的冻结情况，并不能准确的测量土壤含冰量。此外随着土壤介电理论的发展，一种时域反射设备(TDR)被应用于土壤的含冰量的测量中。然而该设备只能够测量了土壤中自由水含量，只有在假设土壤冻结过程中总含水量不发生变化的情况下，才能根据未冻结期的含水量与冻结过程中的含水量的差值，计算土壤中的冰含量。然而实际上土壤在冻结过程中，外界的环境变化(如降雪)与自身温度的变化都会导致土壤区域内的水分迁移。因此采用该方法对土壤含冰量测量具有一定的误差。
因此，如何提出一种方法，能够提高土壤含冰量测量的准确性，成为亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供一种土壤含冰量检测的方法及装置。
一方面，本发明实施例提供一种土壤含冰量检测的方法，包括：
获取土壤的检测信息；
根据所述检测信息以及预设的土壤含冰量模型获得所述土壤的第一含冰量，其中所述土壤含冰量模型的输入量为所述检测信息，输出量为所述第一含冰量。
另一方面，本发明实施例提供一种土壤冰含量检测装置，包括：电源、线路控制板、铂电阻探针以及至少两个不锈钢探针，所述铂电阻探针和所述各不锈钢探针用于检测土壤的检测信息，所述各不锈钢探针与所述铂电阻探针均与所述线路控制板连接；所述线路控制板用于控制所述各不锈钢探针和所述铂电阻探针获取所述检测信息，并根据所述检测信息以及预设的土壤含冰量模型获得所述土壤的第一含冰量，其中所述土壤含冰量模型的输入量为所述检测信息，输出量为所述第一含冰量。
本发明实施例提供的土壤含冰量检测的方法及装置，通过检测土壤的检测信息，利用预先建立的能够反映出土壤含冰量和检测信息之间函数关系的土壤含冰模型，可以获得待检测土壤的含冰量。由于土壤含冰模型是根据实际情况建立的，能够很好的反映出土壤含冰量和检测信息之间函数关系，因此若获取到待检测土壤的检测信息，就可以准确的计算出土壤的含冰量。而土壤的检测信息通常可以比较容易获取到，因此，本发明实施例提供的土壤含冰量检测方法，提高了土壤含冰量测量的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中土壤含冰量检测方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中土壤含冰量模型建立方法的流程示意图；
图3为本发明实施例中土壤冰含量检测装置的结构示意图；
图4本发明实施例中线路控制板的结构示意图；
图5为本发明实施例中又一线路控制板的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例中土壤含冰量检测方法的流程示意图，如图1所示，本发明实施例提供的土壤含冰量检测的方法包括：
S1、获取土壤的检测信息；
S2、根据所述检测信息以及预设的土壤含冰量模型获得所述土壤的含冰量，其中所述土壤含冰量模型的输入量为所述检测信息，输出量为所述土壤的含冰量。
具体地，获取待检测土壤的检测信息，具体获取检测信息的方法可以通过土壤检测仪器进行测量，还可以通过其他方法获得，本发明实施例不作具体限定，并且检测信息是和土壤的含冰量相关的信息，具体内容可以根据实际情况进行选择，本发明实施例不作具体限定。获取到土壤的检测信息后，根据检测信息以及预设的土壤含冰量模型计算出待检测土壤的含冰量。其中土壤含冰量模型是以含冰量为输出量，以检测信息为输入量的数学模型，该土壤含冰量模型可以反应出土壤的含冰量与检测信息之间的函数关系，因此通过获得待检测土壤的检测信息，利用建立好的土壤含冰量模型就可以计算出待检测土壤的含冰量。土壤含冰量模型的具体形式可以根据实际使用情况进行建立，本发明实施例不作具体限定。
例如：若要检测土地A的土壤含冰量，可以通过土壤检测仪器测量出需要的检测信息，并将测得的检测信息作为输入量，输入到土壤含冰量模型中，就可以计算出土地A的土壤含冰量。
本发明实施例提供的土壤含冰量检测方法，通过检测土壤的检测信息，利用预先建立的能够反映出土壤含冰量和检测信息之间函数关系的土壤含冰模型，可以获得待检测土壤的含冰量。由于土壤含冰模型是根据实际情况建立的，能够很好的反映出土壤含冰量和检测信息之间函数关系，因此若获取到待检测土壤的检测信息，就可以准确的计算出土壤的含冰量。而土壤的检测信息通常可以比较容易获取到，因此，本发明实施例提供的土壤含冰量检测方法，提高了土壤含冰量测量的准确性。
图2为本发明实施例中土壤含冰量模型建立方法的流程示意图，如图所示，本发明实施例提供的土壤含冰量模型建立方法包括：
R1、配置所述土壤不同水分梯度的土壤样本；
具体地，获取一定量的待检测地区的土壤，将获取到的土壤通过烘箱进行干燥，干燥的温度和时间可以根据实际情况进行设置，本发明实施例不作具体限定。例如烘干的温度可以为105℃，时间可以为24h。计算出不同梯度含水率的土壤样本所需水分，配置不同水分梯度的土壤样本，其中土壤样本的水分梯度可以是：从干燥到水分饱以含水率为5％为梯度，当然土壤样本的水分梯度还可以为其他数值，本发明实施例不作具体限定。得到了对应数量的土壤样本。将配置好的土壤样本均匀的装入容器中，密封静置一段时间后使用。
R2、获取所述土壤样本在冻结过程中的多组所述检测信息；
具体地，配置好不同水分梯度的土壤样本后，将配置好的样本进行冻结，并检测冻结过程中土壤样本的检测信息，获取多组检测信息。具体获取土壤样本的检测信息的方法可以采用土壤检测仪器进行测量，还可以通过其他方法获得，本发明实施例不作具体限定。
R3、根据所述土壤样本的所述检测信息计算对应的所述土壤样本的含冰量；
具体地，获取到土壤样本的检测信息后，根据检测信息计算出对应的土壤样本的含冰量。由于检测信息是和土壤含冰量相关的信息，因此可以根据获取到的土壤样本中的检测信息计算出土壤样本的含冰量。
R4、根据所述土壤样本的含冰量以及所述检测信息建立所述土壤含冰量模型；
具体地，获取到多组土壤样本的检测信息，并计算出对应的土壤样本的含冰量后，根据多组数据，以含冰量为输出量，以检测信息为输入量，建立土壤含冰量模型，为土壤含冰量检测提供理论依据。
例如：若要检测土地A的土壤含冰量，从土地A出获取一定量的土壤，将获取到的土壤通过烘箱进行干燥，烘干的温度为105℃，时间为24h。计算出不同梯度含水率的土壤样本所需水分，从干燥到水分饱以含水率为5％为梯度，配置不同水分梯度的土壤样本，这样得到了对应数量的土壤样本。将配置好的土壤样本按容重1.6g/cm3均匀的装入容器中，密封静置48小时，然后将配置好的土壤样本放入冰箱进行冻结。在冻结的过程中用土壤检测仪器测量土壤样本的检测信息，获取多组不同时间对应的不同水分梯度的土壤样本的检测信息。再根据获取到的检测信息计算出对应的土壤样本的含冰量，根据计算出的含冰量以及对应的检测信息，建立出土壤含冰量与检测信息之间的函数关系，即为土壤含冰量模型。
本发明实施例提供的土壤含冰量检测方法，通过获取待检测地区的土壤配置出土壤样本，并测量土壤样本在冻结过程中的检测信息，根据检测信息计算出对应的含冰量，根据含冰量以及对应的检测信息建立土壤含冰量模型。土壤含冰量模型可以针对不同的待检测地区的土壤进行建立，不同的待检测土壤，土壤含冰量模型可以不同，提高了土壤含冰量模型建立的准确性，进一步提高了土壤含冰量测量的准确性。
在上述实施例的基础上，所述获取所述土壤样本在冻结过程中的所述检测信息包括：将所述土壤样本进行冻结，对所述土壤样本在冻结过程中，每隔预设时间测量所述土壤的所述检测信息。
具体地，配置好土壤样本后，将土壤样本进行冻结，每隔预设时间测量一次土壤样本的的检测信息，获取多组数据。其中预设时间可以根据实际情况进行设置，例如可以每隔15分钟测量一次检测信息，测量的次数也可以根据需要进行设置，例如测量10次，本发明实施例不作具体限定。
本发明实施例提供的土壤含冰量检测方法，每隔预设时间获取一次土壤样本的检测信息，使得能够获取到不同时间不同环境下土壤样本的检测信息，并且获取多组检测信息，可以降低若获取的检测信息中部分数据有误差对土壤含冰量模型的建立带来的影响，提高了土壤含冰量模型建立的准确性和土壤含冰量测量的准确性。
在上述实施例的基础上，所述检测信息包括：所述土壤的含水率、温度以及电导率。
具体地，由于土壤的含冰量与土壤的含水率、温度以及电导率密切相关，因此检测信息可以包括土壤的含水率、温度以及电导率。当然，还可以包括其他与土壤含冰量有关的信息，例如：土壤的酸碱性等，本发明实施例不作具体限定。
例如：若要检测地区A的土壤含冰量，可以检测出土地A处土壤的含水率、温度以及电导率，将检测出的土壤的含水率、温度以及电导率输入到土壤含冰量模型中，就可以计算出土地A处土壤的含冰量。其中土壤含冰量模型是通过将待检测地区A处的土壤配置成土壤样本，测量出土壤样本在冻结过程中的含水率、温度以及电导率，并计算出对应的含冰量。根据获取到的含冰量、含水率、温度以及电导率，以含冰量为输出量，含水率、温度以及电导率建立出土壤含冰量模型。
本发明实施例提供的土壤含冰量检测方法，通过以与土壤的含冰量有关的土壤的含水率、温度以及电导率作为检测信息，建立土壤含冰量模型并检测待检测地区土壤的含冰量，提高了土壤含冰量测量的准确性。
在上述实施例的基础上，所述根据所述检测信息计算对应的所述土壤样本的含冰量包括：
根据所述检测信息中的所述含水率，利用物质守恒定律计算所述土壤样本的含冰量。
具体地，在土壤冻结过程中，水由液态变为固态冰，但其物质总量并没有发生变化，采用未冻结状态下土壤样本中的水的总质量减去冻结过程中土壤水分的质量，即可获取到土壤样本的冰的质量，即土壤样本的含冰量。其中土壤样本冻结过程中水分的质量可以采用获取到的土壤样本的检测信息中的含水率计算获得。
例如：检测到其中一个土壤样本在冻结过程中的一组检测信息中的含水率为a，对应的土壤样本的总质量为m，土壤样本未冻结之前水的质量为b。根据检测到的含水率a和土壤样本的总质量m，计算得出这时土壤样本中水的质量为am，可以得到土壤样本中转化为冰的水的质量为b-am，即为这时土壤样本中对应的冰的质量，即土壤样本的含冰量。
下面介绍本发明实施例中土壤含冰量模型的具体建立过程，以便更好的理解本发明实施例的技术方案。
获取待检测地区A的土壤，并将获取到的土壤配置成不同水分梯度的土壤样本，土壤样本的具体配置方法同上述实施例一致，此处不再赘述。将配置好的土壤样本进行冰冻，每隔15分钟获取一次所有土壤样本的含水率、温度以及电导率。土壤样本的含水率的获取方法可以采用驻波比法，驻波比法是利用土壤中水和其他介质介电常数之间的差异性，以及介电常数与土壤含水量变化相关的性质来测定土壤含水量的方法。本发明实施例根据在100MHz的激励频率下水的介电常数与土壤的介电常数大致相等，采用100MHz的信号源作为探针的激励频率，利用土壤检测仪器测量出土壤样本在冻结过程中的含水率，当然还可以采用其他方法测量土壤样本中的含水率，本发明实施例不作具体限定。
土壤样本的电导率的获取方法可以为电阻分压法，采用分压电阻和选通电路，依据土壤冻结过程中，测量土壤电导率的探针间的阻值变化范围，选取不同的分压电阻进行测量，根据获取的电压信号与电导率的标定模型，获取被测土壤样本中的电导率，当然还可以采用其他方法测量土壤样本中的电导率，本发明实施例不作具体限定。获取到的土壤样本的含水率、温度以及电导率都是离散的数值，再根据物质守恒定律，通过计算土壤样本在冻结前后水的含量，计算出对应的土壤样本中的含冰量，这样得到多组土壤样本对应的多组含水率、温度、电导率以及含冰量的离散数值。
在冬季，随着空气温度的降低，土壤中的一部分水分将释放热量变成冰，此时土壤中主要由冰、水与土壤颗粒三项物质组成。而在土壤冻融过程中，其实质是水与冰的相互转换过程，因为冰与水的电导率存在巨大差异性，结合温度对电导率的影响，选取电导率作为含冰量、含水率以及温度的主因素变量，建立以电导率为输出项，以温度、含冰量与含水率为输入量的多元非线性回归模型，以达到求解土壤中含冰量的目的。本发明实施例利用SPSS(Statistical Product and Service Solutions，统计产品与服务解决方案)软件对土壤样本所测的离散数值进行以电导率作为主因素非线性回归分析，得到以电导率σ为输出项，以含水率θw、含冰量θi以及温度T为输入项的非线性回归模型，具体参见公式(1)：
σ＝k1θW+k3T+k2θi+k4θWT+k5θWθi+k6Tθi+ε (1)
式中：k1、k2、k3、k4、k5、k6以及ε都是常数，是根据获取到的土壤样本的含水率、温度、电导率以及含冰量进行非线性回归分析时计算所得，不同的土壤样本，其数值可能会有差异。
将公式(1)进行整理，得到以含冰量为输出项的非线性模型，即为土壤含冰量模型，具体参见公式(2)：
本发明实施例中土壤样本的含冰量是根据物质守恒定律通过检测土壤样本的含水率计算得到的，这需要知道土壤样本在冻结前后的土壤样本中的水的质量。而实际检测待检测地区土壤的含冰量时，土壤冻结前后的水的质量是未知的，因此不能直接利用物质守恒定律检测土壤中的含冰量。
本发明实施例提供的土壤含冰量检测方法，对待检测地区的土壤进行土壤样本的检测，并根据检测得到的数据进行分析，建立针对待检测地区的土壤含冰量模型，根据建立的模型，再进行待检测地区的土壤含冰量检测时，只需要检测水土壤的含水率、温度以及电导率就可以计算出土壤的含冰量。这种针对性的建立土壤含冰量模型，提高了土壤含冰量测量的准确性，并且本发明实施例提供的方法，在土壤含冰量模型建立后，可以实时的检测土壤含冰率。
图3为本发明实施例中土壤冰含量检测装置的结构示意图，如图3所示，本发明实施例提供的土壤冰含量检测装置包括：电源01、线路控制板02、铂电阻探针03以及至少两个不锈钢探针04，铂电阻探针03和各不锈钢探针04用于检测土壤的检测信息，各不锈钢探针04与铂电阻探针03均与线路控制板02连接；线路控制板02用于控制各不锈钢探针04和铂电阻探针03获取所述检测信息，并根据所述检测信息以及预设的土壤含冰量模型获得所述土壤的含冰量，其中所述土壤含冰量模型的输入量为所述检测信息，输出量为所述土壤的含冰量。
具体地，如图3所示，本发明实施例提供的土壤冰含量检测装置主要包括电源01、线路控制板02、铂电阻探针03以及至少两个不锈钢探针04，本发明实施例采用的电源01是通讯供电电缆。此外还可以包括用于保护线路控制板02的壳体05，壳体05的材质可以采用聚氯乙烯(Polyvinyl chloride，简称PVC)，当然还可以采用其他材质，本发明实施例不作具体限定。线路控制版02设置在PVC壳体05内，电源01带有供电接口用于给线路控制版02供电，为了保证供电正常，本发明实施例在电源01与壳体05的接口处设置有防水接头06。铂电阻探针03以及至少两个不锈钢探针04穿过PVC壳体05与线路控制板02连接，具体的连接方式可以是螺纹连接，或其他的连接方式，本发明实施例不作具体限定。铂电阻探针03是一种内部设置有铂电阻的不锈钢探针，铂电阻探针03和不锈钢探针04属于传感器的一部分，都是用来检测土壤的检测信息。本发明实施例中不锈钢探针04的数量是3个，当然根据实际的需要，还可以设置为其他数量，可以根据线路控制板中具体线路进行设置，本发明实施例不作具体限定。铂电阻探针03以及不锈钢探针04的壳体采用的材质都是不锈钢，可以防止探针在土壤中被腐蚀而影响检测的结果，并且探针之间有一定的距离，本发明实施例探针间的距离为12mm，当然根据实际的需要，还可以设置为其他距离，本发明实施例不作具体限定。线路控制板02用于控制多个不锈钢探针04和铂电阻探针03检测土壤的检测信息，并根据获取到的检测信息以及预设的土壤含冰量模型计算出土壤的含冰量。其中预设的土壤含冰量模型的建立方法同上述实施例一致，此处不再赘述。
例如：若要检测地区A的土壤含冰量，首先配置土地A的土壤样本，并根据土壤样本建立土壤含冰量模型，将土壤含冰量模型输入到土壤冰含量检测装置的线路控制板02内。将土壤冰含量检测装置放置到待检测土地A的区域内，将铂电阻探针03和不锈钢探针04插入待检测土地A的土壤中，线路控制板02控制铂电阻探针03和不锈钢探针04检测待检测地区A的土壤的检测信息，并根据获取到的检测信息以及输入的土壤含冰量模型计算出待检测地区A的土壤的含冰量。
本发明实施例提供的土壤冰含量检测装置，是根据上述实施例的方法以及原理进行工作的，通过线路控制板控制铂电阻探针和不锈钢探针检测待检测土壤的检测信息，并根据获取到的检测信息以及输入土壤含冰量模型的计算出待检测土壤的含冰量，提高了土壤含冰量检测的准确性，并且本发明实施例中的土壤冰含量检测装置结构简单，对于土壤含冰量的测量更具有普适性。
在上述实施例的基础上，所述检测信息包括：所述土壤的含水率、温度以及电导率。
具体地，土壤冰含量检测装置在对待检测土地的土壤进行检测时，获取到的检测信息包括：土壤的含水率、温度以及电导率。其中不锈钢探针用于检测土壤的含水率和电导率，铂电阻探针用于检测土壤的温度。当然，检测信息还可以包括其他与土壤含冰量有关的信息，本发明实施例不作具体限定。此外，土壤含冰量模型也是根据土壤的含水率、温度以及电导率与土壤含冰量之间的关系建立的，因此通过检测土壤的含水率、温度以及电导率，根据土壤含冰量模型就可以计算出待检测土壤的含冰量。
本发明实施例提供的土壤含冰量检测装置，通过以与土壤的含冰量有关的土壤的含水率、温度以及电导率作为检测信息，建立土壤含冰量模型输入到土壤含冰量检测装置，土壤含冰量检测装置检测待检测地区土壤的含水率、温度以及电导率，就可以直接检测出待检测土壤的含冰量，提高了土壤含冰量测量的准确性。
图4本发明实施例中线路控制板的结构示意图，如图4所示，在上述实施例的基础上，所述线路控制板包括：控制单元41、串口下载单元42、土壤温度检测单元43、土壤水分检测单元44、土壤电导率检测单元45、时钟单元46以及总线收发控制单元47；
串口下载单元42与控制单元41连接，用于下载控制程序到控制单元41；控制单元41与土壤温度检测单元43连接，用于控制土壤温度检测单元43检测所述土壤的温度；控制单元41与土壤水分检测单元44连接，用于控制土壤水分检测单元44检测所述土壤的含水率；控制单元41与土壤电导率检测单元45连接，用于控制土壤电导率检测单元45检测所述土壤的电导率；控制单元41与时钟单元46连接，用于控制时钟单元46记录采集所述检测信息的时间；总线收发控制单元47与控制单元41连接，用于控制控制单元41与外置设备进行通讯。
具体地，土壤含冰量检测装置中的线路控制板包括：控制单元41、串口下载单元42、土壤温度检测单元43、土壤水分检测单元44、土壤电导率检测单元45、时钟单元46以及总线收发控制单元47。控制单元41可以是单片机，当然还可以是其他用于控制的装置，本发明实施例不作具体限定。串口下载单元42与控制单元41连接，用于下载控制程序到控制单元41，控制程序包括含有土壤冰含量模型的计算程序以及控制其他单元工作的控制程序，还可以根据需要下载其他程序，本发明实施例不作具体限定。控制单元41与其余各单元均连接，并根据下载的控制程序控制土壤温度检测单元43检测土壤的温度，控制土壤水分检测单元44检测土壤的含水率，控制土壤电导率单元45检测土壤的电导率，控制时钟单元46记录采集检测信息的时间。根据总线收发控制单元47的控制与外置设备进行通讯，例如将检测到的土壤含冰量输入到外置设备。
例如：若要检测地区A的土壤含冰量，预先通过串口下载单元42将包含土壤含冰量模型的相应的程序输入到控制单元41。将土壤冰含量检测装置放置到待检测地区A的区域内，将铂电阻探针03和不锈钢探针04插入待检测地区A的土壤中。线路控制板中的控制单元41控制土壤温度检测单元43使用铂电阻探针检测土壤的温度，土壤温度检测单元43将检测到的温度上传至控制单元41；控制单元41控制土壤水分检测单元44和土壤电导率单元45使用不锈钢探针分别检测土壤的含水率和电导率，土壤水分检测单元44和土壤电导率单元45分别将检测到的含水率和电导率上传至控制单元41。控制单元41根据接收到的土壤的温度、含水率和电导率以及输入的土壤含冰量模型计算出待检测土地A的土壤的含冰量。
本发明实施例提供的土壤含冰量检测装置，通过在线路控制板中的控制单元输入包含土壤含冰量模型的相应的程序，并由控制单元控制其他各单元检测土壤的温度、含水率和电导率，再根据输入的土壤含冰量模型计算出待检测土地土壤的含冰量。提高了土壤含冰量检测的准确性，克服了对土壤含冰量间接测量的局限性，能够直接测量土壤中含冰量的情况，从而为农业生产、林木抚育及生态环境监测的研究奠定基础。
在上述实施例的基础上，所述土壤水分检测单元和所述土壤电导率检测单元分别与所述各不锈钢探针连接，根据所述控制单元的控制，所述土壤水分检测单元使用所述各不锈钢探针检测所述土壤的含水率或所述土壤电导率检测单元使用所述各不锈钢探针检测所述土壤的电导率。
具体地，线路控制板中的土壤水分检测单元和土壤电导率检测单元都与土壤含冰量检测装置中的各不锈钢探针连接。控制单元控制土壤水分检测单元使用各不锈钢探针检测土壤的含水率，或者控制土壤电导率检测单元使用各不锈钢探针检测土壤的电导率。即土壤水分检测单元和土壤电导率检测单元检测土壤含水率和土壤电导率使用的是相同的不锈钢探针。例如本发明实施例中土壤含冰量检测装置采用3个不锈钢探针，土壤水分检测单元和土壤电导率检测单元都用这3个不锈钢探针检测土壤的检测信息。相当于同一个传感器既可以用来检测土壤的含水率，也可以检测土壤的电导率。当土壤水分检测单元使用不锈钢探针时，可以检测土壤的含水率，当土壤电导率检测单元使用不锈钢探针时，可以检测土壤的电导率。
本发明实施例提供的土壤含冰量检测装置，土壤水分检测单元和土壤电导率检测单元使用相同的不锈钢探针对土壤进行检测，以使得检测到的土壤的含水率和土壤的电导率是同一土壤，以此保证数据采集的原位测量，保证检测到的土壤的检测信息的准确性，进一步提高土壤含水量测量的准确性。
图5为本发明实施例中又一线路控制板的结构示意图，如图5所示，在上述实施例的基础上，所述线路控制板还包括：选通控制单元50，控制单元41、土壤水分检测单元44和土壤电导率检测单元45均与选通控制单元50连接，选通控制单元50用于根据控制单元41的控制选择土壤水分检测单元44或土壤电导率检测单元45使用各不锈钢探针04。
具体地，由于土壤水分检测单元44和土壤电导率检测单元45使用相同的不锈钢探针04，因此在线路控制板中可以包括选通控制单元50，控制单元41、土壤水分检测单元44和土壤电导率检测单元45均与选通控制单元50连接，选通控制单元50根据控制单元41的控制，选择土壤水分检测单元44或土壤电导率检测单元45使用不锈钢探针进行土壤检测信息的检测。选通控制单元50包括选通电路，即相当于一个双向开关，而不锈钢探针内可以设置两条电路，当开关将一边的电路闭合时，可以控制土壤水分检测单元44使用不锈钢探针检测土壤的含水率；当开关将另一边的电路闭合时，可以控制土壤电导率检测单元45使用不锈钢探针检测土壤的导电率。需要说明的是，土壤水分检测单元44和土壤电导率检测单元45的切换时间很短，可以认为土壤的含水率和电导率是同时测量的。
下面介绍本发明实施例中土壤含冰量检测装置的具体结构，以便更好的理解本发明的技术方案。
本发明实施例提供的土壤含冰量检测装置包括电源、防水接头、PVC壳体、线路控制板、不锈钢探针、铂电阻探针。不锈钢探针与铂电阻探针穿过PVC壳体与线路控制板通过螺纹连接，其中探针间距为12mm。线路控制板包括控制单元、串口下载单元、土壤温度检测单元、实时时钟单元、总线收发控制单元、RS-232接口、选通控制单元、土壤水分检测单元与土壤电导率检测单元。RS-232接口是一种串行通讯接口。电源采用5V的直流电源，控制单元采用主控单片机，总线收发控制单元采用RS-232总线收发控制单元。
5V的直流电源连接主控单片机的电源输入端，用于给土壤含冰量检测装置供电；串口下载单元连接主控单片机的串口1引脚，用于下载相应的程序到主控单片机；土壤温度检测单元连接主控单片机的ADC1引脚，用于检测土壤温度；时钟单元连接主控单片机的I2C引脚，用于记录采集数据的时间；RS-232总线收发控制单元连接主控单片机的串口2引脚，用于控制主控单片机与外置采集器通讯；选通控制单元连接主控单片机的输入输出端口以及ADC2端口，用于选通哪个通道进行工作；土壤水分检测单元连接选通控制单元通道1，用于检测土壤中的含水率；土壤电导率检测单元连接选通控制单元通道2，用于检测土壤中的电导率。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种土壤含冰量检测的方法，其特征在于，包括：
获取土壤的检测信息，所述检测信息包括，含水率、温度以及电导率；
根据所述检测信息以及预设的土壤含冰量模型获得所述土壤的含冰量，其中所述土壤含冰量模型的输入量为所述检测信息，输出量为所述土壤的含冰量；
其中，土壤含冰量模型为，
式中，θi为含冰量，σ为电导率，θw为含水率，T为温度，k1、k2、k3、k4、k5、k6以及ε都是常数，是根据获取到的土壤样本的含水率、温度、电导率以及含冰量进行非线性回归分析时计算所得。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述土壤含冰量模型的建立方法包括：
配置所述土壤不同水分梯度的土壤样本；
获取所述土壤样本在冻结过程中的多组所述检测信息；
根据所述土壤样本的所述检测信息计算对应的所述土壤样本的含冰量；
根据所述土壤样本的含冰量以及所述检测信息建立所述土壤含冰量模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取所述土壤样本在冻结过程中的所述检测信息包括：将所述土壤样本进行冻结，对所述土壤样本在冻结过程中，每隔预设时间测量所述土壤的所述检测信息。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述检测信息计算对应的所述土壤样本的含冰量包括：
根据所述检测信息中的所述含水率，利用物质守恒定律计算所述土壤样本的含冰量。
5.一种土壤冰含量检测装置，其特征在于，包括：电源、线路控制板、铂电阻探针以及至少两个不锈钢探针，所述铂电阻探针和所述各不锈钢探针用于检测土壤的检测信息，所述检测信息包括，含水率、温度以及电导率，所述各不锈钢探针与所述铂电阻探针均与所述线路控制板连接；所述线路控制板用于控制所述各不锈钢探针和所述铂电阻探针获取所述检测信息，并根据所述检测信息以及预设的土壤含冰量模型获得所述土壤的含冰量，其中所述土壤含冰量模型的输入量为所述检测信息，输出量为所述土壤的含冰量。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述线路控制板包括：控制单元、串口下载单元、土壤温度检测单元、土壤水分检测单元、土壤电导率检测单元、时钟单元以及总线收发控制单元；
所述串口下载单元与所述控制单元连接，用于下载控制程序到所述控制单元；
所述控制单元与所述土壤温度检测单元连接，用于控制所述温度检测单元检测所述土壤的温度；
所述控制单元与所述土壤水分检测单元连接，用于控制所述土壤水分检测单元检测所述土壤的含水率；
所述控制单元与所述土壤电导率检测单元连接，用于控制所述土壤电导率检测单元检测所述土壤的电导率；
所述控制单元与所述时钟单元连接，用于控制所述时钟单元记录采集所述检测信息的时间；
所述总线收发控制单元与所述控制单元连接，用于控制所述控制单元与外置设备进行通讯。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述土壤水分检测单元和所述土壤电导率检测单元分别与所述各不锈钢探针连接，根据所述控制单元的控制，所述土壤水分检测单元使用所述各不锈钢探针检测所述土壤的含水率或所述土壤电导率检测单元使用所述各不锈钢探针检测所述土壤的电导率。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述线路控制板还包括：选通控制单元，所述控制单元、所述土壤水分检测单元和所述土壤电导率检测单元均与所述选通控制单元连接，所述选通控制单元用于根据所述控制单元的控制选择所述土壤水分检测单元或所述土壤电导率检测单元使用所述各不锈钢探针。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0466854A (ja) * | 1990-07-06 | 1992-03-03 | Takenaka Komuten Co Ltd | 氷含有流体供給システムにおける氷含有率測定方法およびそれに用いる装置 |
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|---|---|---|---|---|
| JPH0466854A (ja) * | 1990-07-06 | 1992-03-03 | Takenaka Komuten Co Ltd | 氷含有流体供給システムにおける氷含有率測定方法およびそれに用いる装置 |
| CN101782542A (zh) * | 2010-03-02 | 2010-07-21 | 长安大学 | 热脉冲法测试土体水分、温度的测试系统及其测试方法 |
| CN103901182A (zh) * | 2014-04-29 | 2014-07-02 | 北京林业大学 | 一种多节管状冻土传感器及冻土检测系统 |
| CN104036134A (zh) * | 2014-06-10 | 2014-09-10 | 北京林业大学 | 冻土含水量和温度的计算方法 |
| CN105092824A (zh) * | 2015-09-09 | 2015-11-25 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 | 一种自记式冻土含冰量测量装置 |
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Non-Patent Citations (2)
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| 土壤冻融过程中电导率特征分析及模拟;魏欢欢 等;《安徽农业学报》;20150131;第43卷(第3期);第75-77,86页 |
| 土壤多参数复合测试系统研究;赵燕东 等;《农业机械学报》;20150831;第46卷(第8期);第289-298页 |
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