CN106980011B - 一种深层土壤水分多点同步测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深层土壤水分多点同步测量系统，其特征在于：包括多个限位管（6）、多个孔洞、多个自动打孔测量装置以及一控制接收器（8），每个孔洞中放置一限位管（6），每个限位管（6）中设有一自动打孔测量装置（9），控制接收器（8）同步控制每个自动打孔测量装置（9）进行同时打孔、同时测量以及测量数据的传输。本发明可以实现多个自动打孔测量装置在不同的孔洞同步进行打孔、测量以及测量数据的传输，可以获得特定区域内多个测量点土壤水分在同一时间的测量值，该测量值更加真实可靠的反映出该区域土壤的水分情况。

Description

一种深层土壤水分多点同步测量系统

技术领域

本发明涉及用于研究变化环境下土壤水分变化对水文过程响应关系的设备，属于水文学研究设备领域，尤其是涉及一种深层土壤水分多点同步测量系统。

背景技术

剖面土壤水分测量系统是基于剖面土壤水分传感器的时域反射技术，用以直接测量土壤或其他介质的介电常数，介电常数又与土壤水分含量的多少呈现密切关系，土壤含水量即可通过模拟电压输出被读数系统计算并显示出来。该技术是当前土壤水分测定装置的主流原理，可对土壤水分进行连续、快速、准确测量。同时也可用于测量土壤表层含水率。一般剖面土壤水分测量系统的设备响应时间约10-20秒，适合移动测量和定点监测，测定结果受盐度影响很小。

但是使用剖面土壤水分测量系统在对较深的土壤水分进行测定时，由于配套预打孔装置无法保证剖面土壤水分测量系统的探针一次性准确插入预打孔中，这样可能会造成剖面土壤水分测量系统探针的损伤。

此外，现有土壤水分测量需要在同一区域中设置多个测量点，分别进行测量土壤水分数据。但是，鉴于野外作业条件有限和工作人员数量的限制，同时受野外温差和水分蒸发的影响，每个测量点之间较长的间隔时间会影响到整个区域水分的测量值，导致数据失真。

此外，使用现有剖面土壤水分测量系统时，由于土壤中成分的多样性，固体石砾极其容易造成下行过程中测量探针毁损，土壤水分测量仪价格不菲，导致使用成本高昂。

参见以下中国专利文献：

1、专利名称：一种用于测定土壤水分的改进装置；申请号：200620168653.1；专利权人：中国科学院沈阳应用生态研究所。该专利包括打孔器和土壤水分仪。先使用打孔器对土壤进行打孔，再使用土壤水分仪进行测量。但是，其存在的技术缺陷是无法确保土壤水分仪的测量探针准确进入预打孔中，并且在下行的过程中有可能会被石砾损伤。同时，其没有给出多个孔洞同步测量的技术启示。

2、发明名称：一种可用于剖面土壤水分测量系统的预打孔装置；申请号：201610248040.7；专利申请人：中国水利水电科学研究院。该发明申请解决了打孔装置与限位管之间的定位关系，但是也无法确保后续放置的测量探针准确进入预定孔中，并且如果下行中存在石砾，也会造成探测系统的损坏。同样，其也没有给出多个孔洞同步测量的技术启示。

发明内容

本发明设计了一种深层土壤水分多点同步测量系统，其解决的技术问题是：（1）现有土壤水分测量需要在同一区域中设置多个测量点，分别进行测量土壤水分数据。但是，鉴于是野外作业条件有限和工作人员数量的限制，由于野外温差和水分蒸发的影响，每个测量点的间隔时间较长会影响到整个区域水分的测量值失真。

（2）现有使用剖面土壤水分测量系统在对较深土壤水分进行测定的时，由于配套预打孔装置无法保证剖面土壤水分测量系统的探针一次性准确插入预打孔中，这样可能会造成剖面土壤水分测量系统探针的损伤。

（3）现有使用剖面土壤水分测量系统时，由于土壤中的成分多样性，固体石砾极其容易造成下行过程中测量探针毁损，土壤水分测量仪价格不菲，造成使用成本高昂。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：

一种深层土壤水分多点同步测量系统，包括多个限位管（6）、多个孔洞、多个自动打孔测量装置以及一控制接收器（8），每个孔洞中放置一限位管（6），每个限位管（6）中设有一自动打孔测量装置（9），控制接收器（8）同步控制每个自动打孔测量装置（9）进行同时打孔、同时测量以及测量数据的传输。

进一步，所述自动打孔测量装置（9）包括打孔探针（1），其通过打孔驱动电机（14）驱动下打出不同深度的预打孔；测量探针（2），其用于对土壤的水分数据进行采集，其设置在所述打孔探针（1）内部；打孔探针开关机构（4），其用于将打孔探针（1）的锥体挖掘部开启或关闭，使得测量探针（2）自由的进出打孔探针（1）；第一微型气缸（7），其与测量探针（2）连接，将所述测量探针（2）从打孔探针（1）中送出并进行测量以及在测量完毕后收回到打孔探针（1）中；压力传感器（21），其设置在测量探针（2）的测量端部，其采集的数据判断测量探针（2）是否达到合适的测量位置；水分测量仪的控制接收器，其与打孔驱动电机（14）、打孔探针开关机构（4）、第一微型气缸（7）、压力传感器（21）以及测量探针（2）连接，控制它们的开启、开启时间和停止。

进一步，所述打孔探针（1）包括锥体挖掘部（11）、移动连接部（12）以及固定连接部（13），打孔驱动电机（14）的输出端与固定连接部（13）一端连接，固定连接部（13）另一端与移动连接部（12）一端通过螺纹进行连接，移动连接部（12）在固定连接部（13）转动下进行伸缩；移动连接部（12）另一端通过连接转轴（15）与锥体挖掘部（11）连接；锥体挖掘部（11）通过打孔探针开关机构（4）开启或关闭将测量探针（2）进行释放或收回；所述移动连接部（12）表面设有方便泥土输出的螺旋凹槽（16）。

进一步，所述打孔探针开关机构（4）包括伸缩杆（41）、气缸杆（42）、弹性空心管（43）以及第二微型气缸（45），第二微型气缸（45）固定在移动连接部（12）内壁上，第二微型气缸（45）的气缸杆（42）与伸缩杆（41）一端固定连接，伸缩杆（41）在气缸杆（42）直线运动的作用下进行伸缩；弹性空心管（43）固定在锥体挖掘部（11）的内壁上，伸缩杆（41）另一端进入弹性空心管（43）中直接顶开锥体挖掘部（11）或通过弹性空心管（43）间接顶开锥体挖掘部（11）。

进一步，所述锥体挖掘部（11）至少由两个半锥体（111）组成，每个半锥体（111）设有一弹性空心管（43），每个半锥体（111）都通过一连接转轴（15）与移动连接部（12）连接；移动连接部（12）与连接转轴（15）连接的一端设有用于限制半锥体（111）开启角度的限位片（17）。

进一步，两个半锥体（111）的开启通过一个所述第二微型气缸（45）实现；具体结构为：伸缩杆（41）通过连接圆环（44）与一顶杆连接，测量探针（2）穿过连接圆环（44）；伸缩杆（41）与一个半锥体（111）上的弹性空心管（43）配合，顶杆与另一个半锥体（111）上的另一弹性空心管（43）配合。

进一步，每个半锥体（111）与移动连接部（12）之间设有一复位弹簧（46）用于帮助半锥体（111）在被打开后能够恢复成锥体结构。

进一步，还包括安装平台（3），打孔驱动电机（14）固定在安装平台（3）上，测量探针（2）的一端也安装在安装平台（3）上，安装平台（3）上方连接一延长杆（5）。

进一步，还包括一限位管（6），其整个管身埋设在土壤中，其给自动打孔测量装置（9）打孔的位置进行定位；限位管（6）内壁沿着轴向设有多个限位滑块（61），安装平台（3）对应设有数量相同的限位凹槽（31），限位滑块（61）与限位凹槽（31）相互配合确保两者的位置关系不会偏移。

进一步，所述打孔探针（1）为两枚，与之对应的测量探针（2）也为两枚；两枚打孔探针（1）同时工作，两枚测量探针（2）也同时工作。

该深层土壤水分多点同步测量系统具有以下有益效果：

（1）本发明可以实现多个自动打孔测量装置在不同的孔洞同步进行打孔、测量以及测量数据的传输，可以获得特定区域内多个测量点土壤水分在同一时间的测量值，该测量值更加真实可靠的反映出该区域土壤的水分情况。

（2）本发明将打孔探针和测量探针组合在一起，打孔探针打孔完毕后释放出测量探针进行测量，减少了测量探针需要单独进入预打孔中的步骤，避免了测量探针进入误差而导致测量探针的损坏，还可以避免预打孔中石砾对测量探针的损害。

（3）本发明可以实现打孔和测量的自动化，改变了过去人工过多接触的方式，提高了测量精度和测量效率。

附图说明

图1：本发明自动打孔测量装置的结构示意图；

图2：图1中打孔探针开关机构的工作示意图；

图3：图1中打孔探针的外观示意图；

图4：本发明中安装平台与限位管连接示意图；

图5：图1中锥体挖掘部结构示意图；

图6：本发明深层土壤水分多点同步测量系统控制单元连接方框示意图；

图7：本发明深层土壤水分多点同步测量系统的结构示意图；

附图标记说明：

1—打孔探针；11—锥体挖掘部；111—半锥体；12—移动连接部；13—固定连接部；14—打孔驱动电机；15—连接转轴；16—螺旋凹槽；17—限位片；2—测量探针；21—压力传感器；3—安装平台；31—限位凹槽；4—打孔探针开关机构；41—伸缩杆；42—气缸杆；43—弹性空心管；44—连接圆环；45—第二微型气缸；46—复位弹簧；5—延长杆；6—限位管；61—限位滑块；7—第一微型气缸；8—控制接收器；9—自动打孔测量装置。

具体实施方式

下面结合图1至图7，对本发明做进一步说明：

如图1所示，一种深层土壤水分多点同步测量系统，包括打孔探针1和测量探针2，打孔探针1为空心结构，测量探针2放置在打孔探针1中。打孔探针1为两枚，与之对应的测量探针2也为两枚；两枚打孔探针1同时工作，两枚测量探针2也同时工作。打孔探针1打孔完毕后，自动释放出测量探针2进行土壤水分测量，避免了测量探针2需要独立进入预打孔中或进入预打孔时被石砾损坏。

具体来说，打孔探针1包括锥体挖掘部11、移动连接部12以及固定连接部13，打孔驱动电机14的输出端与固定连接部13一端连接，固定连接部13另一端与移动连接部12一端通过螺纹进行连接，移动连接部12在固定连接部13转动下进行伸缩；移动连接部12另一端通过连接转轴15与锥体挖掘部11连接；锥体挖掘部11通过打孔探针开关机构4开启或关闭将测量探针2进行释放或收回；移动连接部12表面设有方便泥土输出的螺旋凹槽16。

上述固定连接部13并非是指其为固定不动的，而是指其与打孔驱动电机14的输出端固定连接，在打孔驱动电机14的作用下，固定连接部13旋转，并通过螺纹作用于移动连接部12也转动，移动连接部12转动过程中使得其与固定连接部13螺纹连接长度发生变化，从而实现伸缩。所以，移动连接部12和固定连接部13中需要有一个外表布满螺纹的杆结构，另一个为内部布满螺纹的管状结构。两者螺纹的长度可以安装要求移动连接部12移动长度进行规定。

工作原理如下：当控制接收器通过指令启动打孔驱动电机14，打孔驱动电机14正转，驱动固定连接部13也正转，最终使得移动连接部12旋转伸出，移动连接部12下端的锥体挖掘部11通过旋转的方式在土壤中开始打孔。当一个正转行程完毕，控制接收器通过指令启动打孔驱动电机14反转，移动连接部12旋转缩回，锥体挖掘部11也被收回。可以通过重复上述控制流程打出不同深度的预打孔。

如图2所示，打孔探针开关机构4包括伸缩杆41、气缸杆42、弹性空心管43以及第二微型气缸45，第二微型气缸45固定在移动连接部12内壁上，第二微型气缸45的气缸杆42与伸缩杆41一端固定连接，伸缩杆41在气缸杆42直线运动的作用下进行伸缩；弹性空心管43固定在锥体挖掘部11的内壁上，伸缩杆41另一端进入弹性空心管43中直接顶开锥体挖掘部11或通过弹性空心管43间接顶开锥体挖掘部11。

第二微型气缸45的气缸杆42驱动伸缩杆41伸缩并且进出弹性空心管43。选择弹性空心管43的优点在于：避免伸缩杆41顶开半锥体111时，伸缩杆41与半锥体111接触位置会发生变化，为了避免卡死或磨损使用弹性空心管43可以确保锥体挖掘部11开启的顺利。

锥体挖掘部11至少由两个半锥体111组成，每个半锥体111设有一弹性空心管43，每个半锥体111都通过一连接转轴15与移动连接部12连接；移动连接部12与连接转轴15连接的一端设有用于限制半锥体111开启角度的限位片17。

两个半锥体111的开启通过一个释放测量探针驱动电机45实现；具体结构为：伸缩杆41通过连接圆环44与一顶杆连接，测量探针2穿过连接圆环44；伸缩杆41与一个半锥体111上的弹性空心管43配合，顶杆与另一个半锥体111上的另一弹性空心管43配合。上述伸缩杆41与顶杆共用一个第二微型气缸45驱动，可以节省空间的设置，并且也可以节省制造成本，还可以确保伸缩杆41与顶杆始终同步工作，以及两个半锥体111同步被打开。

在需要关闭锥体挖掘部11时，释放测量探针驱动电机45反转，每个半锥体111需要恢复原状，所以每个半锥体111与移动连接部12之间设有一复位弹簧46用于帮助半锥体111在被打开后能够恢复成锥体结构。

如图3所示，移动连接部12表面设有方便泥土输出的螺旋凹槽16。

如图4所示，本发明深层土壤水分多点同步测量系统还包括安装平台3，打孔驱动电机14固定在安装平台3上，测量探针2的一端也安装在安装平台3上，安装平台3上方连接一延长杆5。此外，还包括一限位管6，其整个管身埋设在土壤中；限位管6内壁沿着轴向设有多个限位滑块61，安装平台3对应设有数量相同的限位凹槽31，限位滑块61与限位凹槽31相互配合确保两者的位置关系不会偏移。

如图5所示，锥体挖掘部11由两个半锥体111组成，所述半锥体111是指沿着锥体的高将锥体切成两个体积大小相同的结构。

如图6所示，本发明深层土壤水分多点同步测量系统控制单元连接方式如下：

水分测量仪的控制接收器，其与打孔驱动电机14、打孔探针开关机构4的第二微型气缸、第一微型气缸7、压力传感器21以及测量探针2连接，控制它们的开启、开启时间和停止。此外，水分测量仪的控制接收器还通过电源控制打孔驱动电机14、打孔探针开关机构4的第二微型气缸、第一微型气缸7、压力传感器21以及测量探针2。

如图7所示，一种深层土壤水分多点同步测量系统，包括六个限位管6、六个孔洞A、B、C、D、E、F、六个自动打孔测量装置9以及一控制接收器8，每个孔洞中放置一限位管6，每个限位管6中设有一自动打孔测量装置9，控制接收器8同步控制每个自动打孔测量装置9进行同时打孔、同时测量以及测量数据的传输。

本发明深层土壤水分多点同步测量系统的控制方法如下：

步骤1、在特定区域内挖掘多个孔洞，每个孔洞中放置一限位管6，每个限位管6中设有一自动打孔测量装置9，自动打孔测量装置9位于孔洞底部，控制接收器8连接所有的自动打孔测量装置9。

步骤2、控制接收器8启动所有打孔探针1的打孔驱动电机14正转，每个锥体挖掘部11通过力的传动向下挖掘预打孔。

步骤3、控制接收器8启动所有打孔探针1的打孔驱动电机14反转，使得每根打孔探针1恢复至步骤2开始之前的初始状态。

步骤4、控制接收器8启动每个打孔探针开关机构4，每个伸缩杆41通过力的传动打开各自的锥体挖掘部11，使得每根测量探针2下行通道通畅。

步骤5、控制接收器8启动每个第一微型气缸7，每个第一微型气缸7将各自的测量探针2推出打孔探针1。

步骤6、每根测量探针2下行过程中，当任何一压力传感器21输出的数值达到预设值时，说明测量探针2与待测土壤充分接触，控制接收器8关闭该压力传感器21对应的第一微型气缸7，直至关闭所有第一微型气缸7。

步骤7、控制接收器8启动各根测量探针2进行水分数据的采集，并都存储在控制接收器8中。

步骤8、数据采集完毕，控制接收器8启动每个第一微型气缸7，将每根测量探针2收回至各自对应的打孔探针1中。

步骤9、控制接收器8启动每个自动打孔测量装置9的打孔探针开关机构4，将各自的锥体挖掘部11进行关闭。

步骤10、从限位管6中取出自动打孔测量装置9。

进一步改进，步骤1中通过限位管6的限位滑块61与自动打孔测量装置9的安装平台3的限位凹槽31相互配合，使得打孔探针1准确的位于孔洞的底部。

如果预打孔的深度无法通过一次完成，可以重复步骤2-3。

部分自动打孔测量装置9重复步骤2-3，或者部分自动打孔测量装置9重复步骤2-3的次数不同，以实现不同深度预打孔水分的测量。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种深层土壤水分多点同步测量系统，其特征在于：包括多个限位管（6）、多个孔洞、多个自动打孔测量装置以及一控制接收器（8），每个孔洞中放置一限位管（6），每个限位管（6）中设有一自动打孔测量装置（9），控制接收器（8）同步控制每个自动打孔测量装置（9）进行同时打孔、同时测量以及测量数据的传输；

步骤1、在特定区域内挖掘多个孔洞，每个孔洞中放置一限位管（6），每个限位管（6）中设有一自动打孔测量装置（9），自动打孔测量装置（9）位于孔洞底部，控制接收器（8）连接所有的自动打孔测量装置（9）；

步骤2、控制接收器（8）启动所有打孔探针（1）的打孔驱动电机（14）正转，每个锥体挖掘部（11）通过力的传动向下挖掘预打孔；

步骤3、控制接收器（8）启动所有打孔探针（1）的打孔驱动电机（14）反转，使得每根打孔探针（1）恢复至步骤2开始之前的初始状态；

步骤4、控制接收器（8）启动每个打孔探针开关机构（4），每个伸缩杆（41）通过力的传动打开各自的锥体挖掘部（11），使得每根测量探针（2）下行通道通畅；

步骤5、控制接收器（8）启动每个第一微型气缸（7），每个第一微型气缸（7）将各自的测量探针（2）推出打孔探针（1）；

步骤6、每根测量探针（2）下行过程中，当任何一压力传感器（21）输出的数值达到预设值时，说明测量探针（2）与待测土壤充分接触，控制接收器（8）关闭该压力传感器（21）对应的第一微型气缸（7），直至关闭所有第一微型气缸（7）；

步骤7、控制接收器（8）启动各根测量探针（2）进行水分数据的采集，并都存储在控制接收器（8）中；

步骤8、数据采集完毕，控制接收器（8）启动每个第一微型气缸（7），将每根测量探针（2）收回至各自对应的打孔探针（1）中；

步骤9、控制接收器（8）启动每个自动打孔测量装置（9）的打孔探针开关机构（4），将各自的锥体挖掘部（11）进行关闭；

步骤10、从限位管（6）中取出自动打孔测量装置（9）。

2.根据权利要求1所述深层土壤水分多点同步测量系统，其特征在于：所述自动打孔测量装置（9）包括所述打孔探针（1），其通过打孔驱动电机（14）驱动下打出不同深度的预打孔；测量探针（2），其用于对土壤的水分数据进行采集，其设置在所述打孔探针（1）内部；打孔探针开关机构（4），其用于将打孔探针（1）的锥体挖掘部开启或关闭，使得测量探针（2）自由的进出打孔探针（1）；第一微型气缸（7），其与测量探针（2）连接，将所述测量探针（2）从打孔探针（1）中送出并进行测量以及在测量完毕后收回到打孔探针（1）中；压力传感器（21），其设置在测量探针（2）的测量端部，其采集的数据判断测量探针（2）是否达到合适的测量位置；水分测量仪的控制接收器，其与打孔驱动电机（14）、打孔探针开关机构（4）、第一微型气缸（7）、压力传感器（21）以及测量探针（2）连接，控制它们的开启、开启时间和停止。

3.根据权利要求2所述深层土壤水分多点同步测量系统，其特征在于：所述打孔探针（1）包括锥体挖掘部（11）、移动连接部（12）以及固定连接部（13），打孔驱动电机（14）的输出端与固定连接部（13）一端连接，固定连接部（13）另一端与移动连接部（12）一端通过螺纹进行连接，移动连接部（12）在固定连接部（13）转动下进行伸缩；移动连接部（12）另一端通过连接转轴（15）与锥体挖掘部（11）连接；锥体挖掘部（11）通过打孔探针开关机构（4）开启或关闭将测量探针（2）进行释放或收回；所述移动连接部（12）表面设有方便泥土输出的螺旋凹槽（16）。

4.根据权利要求3所述深层土壤水分多点同步测量系统，其特征在于：所述打孔探针开关机构（4）包括伸缩杆（41）、气缸杆（42）、弹性空心管（43）以及第二微型气缸（45），第二微型气缸（45）固定在移动连接部（12）内壁上，第二微型气缸（45）的气缸杆（42）与伸缩杆（41）一端固定连接，伸缩杆（41）在气缸杆（42）直线运动的作用下进行伸缩；弹性空心管（43）固定在锥体挖掘部（11）的内壁上，伸缩杆（41）另一端进入弹性空心管（43）中直接顶开锥体挖掘部（11）或通过弹性空心管（43）间接顶开锥体挖掘部（11）。

5.根据权利要求4所述深层土壤水分多点同步测量系统，其特征在于：所述锥体挖掘部（11）至少由两个半锥体（111）组成，每个半锥体（111）设有一弹性空心管（43），每个半锥体（111）都通过一连接转轴（15）与移动连接部（12）连接；移动连接部（12）与连接转轴（15）连接的一端设有用于限制半锥体（111）开启角度的限位片（17）。

6.根据权利要求5所述深层土壤水分多点同步测量系统，其特征在于：两个半锥体（111）的开启通过一个所述第二微型气缸（45）实现；具体结构为：伸缩杆（41）通过连接圆环（44）与一顶杆连接，测量探针（2）穿过连接圆环（44）；伸缩杆（41）与一个半锥体（111）上的弹性空心管（43）配合，顶杆与另一个半锥体（111）上的另一弹性空心管（43）配合。

7.根据权利要求6所述深层土壤水分多点同步测量系统，其特征在于：每个半锥体（111）与移动连接部（12）之间设有一复位弹簧（46）用于帮助半锥体（111）在被打开后能够恢复成锥体结构。

8.根据权利要求7所述深层土壤水分多点同步测量系统，其特征在于：还包括安装平台（3），打孔驱动电机（14）固定在安装平台（3）上，测量探针（2）的一端也安装在安装平台（3）上，安装平台（3）上方连接一延长杆（5）。

9.根据权利要求8所述深层土壤水分多点同步测量系统，其特征在于：还包括一限位管（6），其整个管身埋设在土壤中,其给自动打孔测量装置（9）打孔的位置进行定位；限位管（6）内壁沿着轴向设有多个限位滑块（61），安装平台（3）对应设有数量相同的限位凹槽（31），限位滑块（61）与限位凹槽（31）相互配合确保两者的位置关系不会偏移。

10.根据权利要求9所述深层土壤水分多点同步测量系统，其特征在于：所述打孔探针（1）为两枚，与之对应的测量探针（2）也为两枚；两枚打孔探针（1）同时工作，两枚测量探针（2）也同时工作。

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