CN107014976A - 一种新型的林间土壤重量含水率快速检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的林间土壤重量含水率快速检测系统，通过土壤采集模块的土壤取样器采集土壤后，通过施压装置压力作用使待测土壤进入测量土壤容器，然后将土壤含水量、质量、温度数据输送到水分数据收集模块，再通过导线将水分数据收集模块与重量含水率计算模块连接，重量含水率计算模块与水分含量动态监测模块通过导线连接，通过放大电路显示微处理器输出的土壤重量含水率特征曲线。本发明的系统可以实时采集土壤重量含水率，针对森林间的特殊土壤环境，根茎分布不规律，土壤内部情况复杂多变等情况，都可以方便的检测，准确度高。

Description

一种新型的林间土壤重量含水率快速检测系统

技术领域

本发明属于森林土壤重量含水率快速检测技术领域，具体来讲是一种新型的林间土壤重量含水率快速检测系统。

背景技术

水资源短缺已成为制约环境持续发展的关键性因素，特别是对饮用水来讲水质常年超过五类标准而丧失了饮用功能，急需恢复和增加森林植被，改善生态环境，但又产生了植被建设生态用水与保障库区产水功能的突出矛盾。因此，急需了解植被蒸散耗水规律，准确估计森林植被的蒸散耗水量，为合理协调和科学规划饮水区植被建设提供科学依据。林木蒸腾是干旱缺水地区林地蒸散耗水的最主要组成部分。因此需要从简化林木蒸腾耗水估算的角度出发而尝试在单株或林分蒸腾耗水量测定值与环境因素之间建立定量关系，在利用自动气象站同步监测气象因子的同时，更需要实时测定土壤含水量，然后分析森林植被蒸腾耗水特性及与环境因素的关系，以便为林业生态环境建设和流域水分管理提供科技基础。

土壤含水量一般是指土壤绝对含水量，即100g烘干土中含有若干克水分，也称土壤重量含水率。土壤重量含水率是农业生产中一重要参数，其主要方法有称重法，张力计法，电阻法，中子法，r-射线法，驻波比法，时域反射法、高频振荡法及光学法等。土壤中水分含量称之为土壤重量含水率，是由土壤三相体中水分所占的相对比例表示的，通常采用重量重量含水率和体积重量含水率两种表示方法。重量重量含水率是指土壤中水分的重量与相应固相物质重量的比值，体积重量含水率是指土壤中水分占有的体积和土壤总体积的比值。

称重法具有各种操作不便等缺点，但作为直接测量土壤水分含量的唯一方法，在测量精度上具有其它方法不可比拟的优势，它作为一种实验室测量方法并用于其它方法的标定将长期存在，但是要在森林环境中使用具有太多不稳定的因素。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种设计科学、准确率高、稳定性好的新型的林间土壤重量含水率快速检测系统。

本发明的技术方案如下：一种新型的林间土壤重量含水率快速检测系统，所述的检测系统主要包括：土壤采集模块、水分数据收集模块、重量含水率计算模块、水分含量动态监测模块、电源模块；所述的土壤采集模块主要包括土壤取样器、组合传感器、测量土壤容器、施压装置；所述的土壤取样器中内置组合传感器，通过施压装置压力作用使待测土壤进入测量土壤容器，然后通过信号线将组合传感器和测量土壤容器连接到水分数据收集模块，再通过导线将水分数据收集模块与重量含水率计算模块连接，重量含水率计算模块与水分含量动态监测模块通过导线连接，所述的水分含量动态监测模块是指将显示设备与重量含水率计算模块的微处理器相连，通过放大电路显示微处理器输出的土壤重量含水率特征曲线。

进一步的，所述的土壤取样器是利用土壤黏附作用以及管式凹孔结构带出待测土壤，所述的待测土壤在所述的施压装置试压采样过程中通过组合传感器测量质量和温度，所述的组合传感器包括质量传感器和温度传感器，所述的测量土壤容器是一种可以自动打开或关闭的管式容器，管式容器的中间设置有管针式土壤重量含水率探头，所述的管针式土壤重量含水率探头与温度传感器、质量传感器一体化控制，实时传递测量的数值，便于现场实时快速完成整个测量过程，获得测量结果；所述的施压装置主要包括钻杆、定位导管、压力把手，所述的定位导管用于放置在预先钻设形成的孔槽内，用于所述的土壤采集模块埋在钻入土壤中进行定位，所述的压力把手通过外螺纹与所述的钻杆底部设置的内螺纹旋紧固定后，通过旋转压力把手将钻杆钻入土壤，操作简单，使用者可以单人完成取样过程。

进一步的，所述的水分数据收集模块通过信号处理电路与土壤采集模块中的组合传感器连接，并将测得的所述的土壤质量和土壤温度通过信号线发送至所述的重量含水率计算模块，所述的管针式土壤重量含水率探头通过高频信号激励电路将土壤含水量数据传输到水分数据收集模块，所述的水分数据收集模块包括：电平转换单元，用于将所述电源模块的输出电平转换为数据采集模块的工作电平；单片机芯片，用于通过所述信号线接收所述土壤温度；信号调节单元，用于通过所述信号线接收所述土壤含水量和土壤温度；存储单元，用于存储所述土壤质量、土壤含水量和土壤温度。

进一步的，所述的信号处理电路通过A/D转换单元将所述土壤质量、温度电压信号转化为数字信号。

进一步的，所述的高频信号激励电路包括高频信号发生芯片、差分处理电路和放大电路，用于产生管针式土壤含水量探头所适用的高频信号；所述的高频信号激励电路输出端电压为恒定值，是将未修正土壤重量含水率信号电压是对高频衰减信号进行高频滤波、高频检波和信号处理，可以高效、实时、准确的检测水分含量数值。

进一步的，所述的重量含水率计算模块是通过微处理器根据已建立的土壤含水量与土壤质量、土壤温度之间形成的函数关系快速计算土壤重量含水率，并将实时的结果输出到水分含量动态监测模块显示最终结果，在微处理器中，利用编写的软件，根据所建立的土壤含水量与土壤质量、土壤温度之间函数关系，实时、精确计算出某温度下的土壤重量含水率，所述的函数关系为：ω＝Mw/Ms，其中，ω(％)为土壤的质量重量含水率，Mw(g)为土壤中的水分质量，Ms(g)为所取样品的土壤质量。

进一步的，所述的电源模块分别管针式土壤重量含水率探头、温度传感器、质量传感器、显示设备和微处理器相连，为它们提供电源。

进一步的，所述的电源模块是通过太阳能电池装置提供电源，所述的太阳能电池装置主要包括：太阳能电池板、充放电控制单元、蓄电池、备用电池、外接电源；所述的太阳能电池板用于采集太阳能；所述的充放电控制单元用于将所述太阳能转换为电能；所述的蓄电池用于存储所述电能；所述的备用电池用于当所述的蓄电池供电不足时为所述的检测系统供电。

进一步的，所述的温度传感器和质量传感器之间设置绝缘层，起隔离作用。

进一步的，所述的测量土壤容器由陶瓷材料制成，绝缘，易清理，可反复使用，不易受到其他因素干扰。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过土壤采集模块的土壤取样器采集土壤后，使用组合传感器检测待测土壤的温度和质量，通过施压装置压力作用使待测土壤进入测量土壤容器，然后将土壤含水量、质量、温度数据输送到水分数据收集模块，再通过导线将水分数据收集模块与重量含水率计算模块连接，重量含水率计算模块与水分含量动态监测模块通过导线连接，通过放大电路显示微处理器输出的土壤重量含水率特征曲线。本发明的系统可以实时采集土壤重量含水率，针对森林间的特殊土壤环境，根茎分布不规律，土壤内部情况复杂多变等情况，都可以方便的检测，准确度高。

附图说明

图1为本发明的一种新型的林间土壤重量含水率快速检测系统流程示意图。

具体实施方式

现结合本发明的一种新型的林间土壤重量含水率快速检测系统流程示意图，对本发明进一步具体说明。

如图1所示，一种新型的林间土壤重量含水率快速检测系统，检测系统主要包括：土壤采集模块、水分数据收集模块、重量含水率计算模块、水分含量动态监测模块、电源模块；

土壤采集模块主要包括土壤取样器、组合传感器、测量土壤容器、施压装置；土壤取样器中内置组合传感器，通过施压装置压力作用使待测土壤进入测量土壤容器，然后通过信号线将组合传感器和测量土壤容器连接到水分数据收集模块，再通过导线将水分数据收集模块与重量含水率计算模块连接，重量含水率计算模块与水分含量动态监测模块通过导线连接，水分含量动态监测模块是指将显示设备与重量含水率计算模块的微处理器相连，通过放大电路显示微处理器输出的土壤重量含水率特征曲线。

其中，土壤取样器是利用土壤黏附作用以及管式凹孔结构带出待测土壤，待测土壤在施压装置试压采样过程中通过组合传感器测量质量和温度，组合传感器包括质量传感器和温度传感器，测量土壤容器是一种可以自动打开或关闭的管式容器，管式容器的中间设置有管针式土壤重量含水率探头，管针式土壤重量含水率探头与温度传感器、质量传感器一体化控制，实时传递测量的数值，便于现场实时快速完成整个测量过程，获得测量结果；施压装置主要包括钻杆、定位导管、压力把手，定位导管用于放置在预先钻设形成的孔槽内，用于土壤采集模块埋在钻入土壤中进行定位，压力把手通过外螺纹与钻杆底部设置的内螺纹旋紧固定后，通过旋转压力把手将钻杆钻入土壤，操作简单，使用者可以单人完成取样过程。

水分数据收集模块通过信号处理电路与土壤采集模块中的组合传感器连接，并将测得的土壤质量和土壤温度通过信号线发送至重量含水率计算模块，管针式土壤重量含水率探头通过高频信号激励电路将土壤含水量数据传输到水分数据收集模块，水分数据收集模块包括：电平转换单元，用于将所述电源模块的输出电平转换为数据采集模块的工作电平；单片机芯片，用于通过所述信号线接收所述土壤温度；信号调节单元，用于通过所述信号线接收所述土壤含水量和土壤温度；存储单元，用于存储所述土壤质量、土壤含水量和土壤温度。信号处理电路通过A/D转换单元将所述土壤质量、温度电压信号转化为数字信号。

高频信号激励电路包括高频信号发生芯片、差分处理电路和放大电路，用于产生管针式土壤含水量探头所适用的高频信号；高频信号激励电路输出端电压为恒定值，是将未修正土壤重量含水率信号电压是对高频衰减信号进行高频滤波、高频检波和信号处理，可以高效、实时、准确的检测水分含量数值。重量含水率计算模块是通过微处理器根据已建立的土壤含水量与土壤质量、土壤温度之间形成的函数关系快速计算土壤重量含水率，并将实时的结果输出到水分含量动态监测模块显示最终结果，在微处理器中，利用编写的软件，根据所建立的土壤含水量与土壤质量、土壤温度之间函数关系，实时、精确计算出某温度下的土壤重量含水率，函数关系为：ω＝Mw/Ms，其中，ω(％)为土壤的质量重量含水率，Mw(g)为土壤中的水分质量，Ms(g)为所取样品的土壤质量。

电源模块分别管针式土壤重量含水率探头、温度传感器、质量传感器、显示设备和微处理器相连，为它们提供电源。电源模块是通过太阳能电池装置提供电源，太阳能电池装置主要包括：太阳能电池板、充放电控制单元、蓄电池、备用电池、外接电源；太阳能电池板用于采集太阳能；充放电控制单元用于将所述太阳能转换为电能；蓄电池用于存储所述电能；备用电池用于当蓄电池供电不足时为检测系统供电。温度传感器和质量传感器之间设置绝缘层，起隔离作用。测量土壤容器由陶瓷材料制成，绝缘，易清理，可反复使用，不易受到其他因素干扰。

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实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种新型的林间土壤重量含水率快速检测系统，其特征在于，所述的检测系统主要包括：土壤采集模块、水分数据收集模块、重量含水率计算模块、水分含量动态监测模块、电源模块；所述的土壤采集模块主要包括土壤取样器、组合传感器、测量土壤容器、施压装置；所述的土壤取样器中内置组合传感器，通过施压装置压力作用使待测土壤进入测量土壤容器，然后通过信号线将组合传感器和测量土壤容器连接到水分数据收集模块，再通过导线将水分数据收集模块与重量含水率计算模块连接，重量含水率计算模块与水分含量动态监测模块通过导线连接，所述的水分含量动态监测模块是指将显示设备与重量含水率计算模块的微处理器相连，通过放大电路显示微处理器输出的土壤重量含水率特征曲线。

2.如权利要求1所述的一种新型的林间土壤重量含水率快速检测系统，其特征在于，所述的优选土壤取样器是利用土壤黏附作用以及管式凹孔结构带出待测土壤，所述的待测土壤在所述的施压装置试压采样过程中通过组合传感器测量质量和温度，所述的组合传感器包括质量传感器和温度传感器，所述的测量土壤容器是一种可以自动打开或关闭的管式容器，管式容器的中间设置有管针式土壤重量含水率探头，所述的管针式土壤重量含水率探头与温度传感器、质量传感器一体化控制，实时传递测量的数值；所述的施压装置主要包括钻杆、定位导管、压力把手，所述的定位导管用于放置在预先钻设形成的孔槽内，用于所述的土壤采集模块埋在钻入土壤中进行定位，所述的压力把手通过外螺纹与所述的钻杆底部设置的内螺纹旋紧固定后，通过旋转压力把手将钻杆钻入土壤。

3.如权利要求1所述的一种新型的林间土壤重量含水率快速检测系统，其特征在于，所述的水分数据收集模块通过信号处理电路与土壤采集模块中的组合传感器连接，并将测得的所述的土壤质量和土壤温度通过信号线发送至所述的重量含水率计算模块，所述的管针式土壤重量含水率探头通过高频信号激励电路将土壤含水量数据传输到水分数据收集模块，所述的水分数据收集模块包括：电平转换单元，用于将所述电源模块的输出电平转换为数据采集模块的工作电平；单片机芯片，用于通过所述信号线接收所述土壤温度；信号调节单元，用于通过所述信号线接收所述土壤含水量和土壤温度；存储单元，用于存储所述土壤质量、土壤含水量和土壤温度。

4.如权利要求3所述的一种新型的林间土壤重量含水率快速检测系统，其特征在于，所述的信号处理电路通过A/D转换单元将所述土壤质量、温度电压信号转化为数字信号。

5.如权利要求1所述的一种新型的林间土壤重量含水率快速检测系统，其特征在于，所述的重量含水率计算模块是通过微处理器根据已建立的土壤含水量与土壤质量、土壤温度之间形成的函数关系快速计算土壤重量含水率，并将实时的结果输出到水分含量动态监测模块显示最终结果，在微处理器中，利用编写的软件，根据所建立的土壤含水量与土壤质量、土壤温度之间函数关系，实时、精确计算出某温度下的土壤重量含水率，所述的函数关系为：ω＝Mw/Ms，其中，ω(％)为土壤的质量重量含水率，Mw(g)为土壤中的水分质量，Ms(g)为所取样品的土壤质量。

6.如权利要求1-5所述的一种新型的林间土壤重量含水率快速检测系统，其特征在于，所述的电源模块分别管针式土壤重量含水率探头、温度传感器、质量传感器、显示设备和微处理器相连，为它们提供电源。

7.如权利要求1所述的一种新型的林间土壤重量含水率快速检测系统，其特征在于，所述的电源模块是通过太阳能电池装置提供电源，所述的太阳能电池装置主要包括：太阳能电池板、充放电控制单元、蓄电池、备用电池、外接电源；所述的太阳能电池板用于采集太阳能；所述的充放电控制单元用于将所述太阳能转换为电能；所述的蓄电池用于存储所述电能；所述的备用电池用于当所述的蓄电池供电不足时为所述的检测系统供电。

8.如权利要求1所述的一种新型的林间土壤重量含水率快速检测系统，其特征在于，所述的温度传感器和质量传感器之间设置绝缘层。

如权利要求1所述的一种新型的林间土壤重量含水率快速检测系统，其特征在于，所述的测量土壤容器由陶瓷材料制成。