CN107064243A - 一种陶土介质电容式土壤基质势测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陶土介质电容式土壤基质势测量方法，属于土壤基质势测量技术领域。本发明的特征在于通过以透水不透气的新型陶土材料为电容介质的电容式传感器将土壤基质势的变化量转变为可测量电容的变化量，基于频率振荡器的原理将电容的变化转变为方波频率的变化，运用直接测频法对频率进行高精度测量，经数据拟合后完成土壤基质势的测量。该方法所需传感器基于电容原理，与现有方法相比，具有精度高，抗干扰能力强，学习、使用成本低，适合于大部分土壤测量条件等优势。一次安装便可长期使用，可分布式测量，数据经处理可以得到土壤基质势的空间分布。该方法为我国水文研究方面提供了一种新思路，具有很高的科学价值。

Description

一种陶土介质电容式土壤基质势测量方法

技术领域

本发明涉及一种土壤基质势测量方法，具体涉及一种基于陶土介质的电容原理的土壤基质势测量方法，属于土壤基质势测量技术领域。

背景技术

土壤基质势是指在非饱和条件下，由土壤基质的吸附力和毛管力造成的势能，是土壤水势的主要组成部分。目前土壤基质势的研究已经成为土壤学、生态学、水资源学以及资源与环境科学等相关学科的基础和前沿研究领域，越来越受到重视。

直接测量土壤基质势的方法主要以水银负压计为主，例如公开号为CN204832185U，名为“一种刻度式水势测定仪”的发明专利，土壤基质势的大小通过水量的刻度来表示，这种方法虽然直观，但是必须人工进行读数，测量作业量大，费时费力，而且读数存在误差，不利于高精度的测量研究。

通过测量土壤含水量间接测得土壤基质势的有很多方法，其中时域反射法较为广泛应用，然而公开号为CN103207188A，名为“一种基于时域反射的土壤水分测量方法”的发明专利，利用电磁在不同介质的传输速度差异，通过测定土壤的介电常数来计算土壤水分含量。这种方法不仅受时间精度的影响，而且不同土壤类型也会对结果造成影响。不利于高精度的测量研究，也不能广泛应用。而公开号为CN102455282A，名为“测量土壤含水量的方法”的发明是利用可见近红外与热红外遥感数据定量化计算土壤含水量，该方法复杂且成本高，不利于推广。其它方法，例如烘干称重法，通过分离土壤中的水分与干土，计算水和干土的质量之比来确定土壤中水分含量，但该方法需要实地取土采样，人工采样在地点与距离选取上具有一定的局限性，烘干流程中所需的实验仪器较多，流程复杂，而且不能及时显示土壤水分含量的变化，应用范围不大；中子测量法利用中子仪上的探头发射高能中子，高能中子在土壤中与氢核碰撞将高能中子转化为慢热中子，通过探测器检测慢热中子，进而换算出土壤体积含水量。这种方法仪器价格昂贵，还存在潜在的辐射影响，容易影响测量人员的身体健康和给土地造成污染，而且测量时受到土地类型和土壤板结程度大小的影响。

综上所述，现有方法或使用麻烦，流程复杂；或受环境影响较大，测量误差大；或价格昂贵，难以大规模推广，因此需要寻找一种成本较低、精度较高、易于安装使用、测量结果不受土壤类型、时间精度等因素影响并可实现分布式连续测量的土壤基质势测量方法，为现代农业、土壤水运动和生态研究提供技术支持。

发明内容

针对现有土壤基质势测量方法存在使用麻烦、流程复杂、不稳定、价格昂贵和不能大规模推广等问题，本发明提出一种可多点测量的，精度高，抗干扰能力强，学习、使用成本低，适合于大部分土壤测量条件的基于电容原理的陶土介质电容式土壤基质势测量方法。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种陶土介质电容式土壤基质势测量方法，采用了电容式土壤基质势实时测量系统，将土壤基质势的测量化为电容式传感器的电容值，通过测量电容的变化，经数据拟合后可反映土壤基质势的变化，具体阐述如下：

将电容式土壤基质势实时测量系统中的测量端插入土壤指定深度，电容式土壤基质势实时测量系统的电容式传感器包括透水不透气的陶土材料电容介质，当土壤基质势改变时，渗入陶土材料中的水分发生改变，从而使电容式传感器的电容发生改变，电容的计算公式采用下式：

C＝kε_rε₀

式中，C为电容式传感器的电容，k为几何常数(m)，由电容式传感器上电容介质的面积和厚度决定，s为电容式传感器电容介质的面积(单位m²)，d为电容式传感器电容介质的厚度(单位m)，ε₀为真空中相对介电常数，为1，可视为ε_r为陶土中按照体积比例混合的相对介电常数；

ε_r取决于渗透进陶土材料的水分含量，陶土和水分体积所占比例决定了电容介质的相对介电常数，公式为

ε_r＝∑V_iε_i

其中，V_i为陶土或水分占整体体积的比例，ε_i为陶土或水分的相对介电常数；

电容的测量基于频率振荡器的原理，在辅助电阻固定的情况下，输出方波信号频率的变化取决于电容的变化，振荡频率的计算采用以下公式：

f＝(R₁+2R₂)Cln2

其中f为频率振荡器输出方波的频率，单位Hz，R₁和R₂为固定电阻，单位为Ω，C为电容式传感器的电容，电容的变化可转化频率变化的方波信号，通过测量方波信号的频率可得电容的值；

方波信号频率的测量是在确定的闸门时间T内，利用计数器对待测信号进行计数，根据所得计数个数N，得到频率的大小，具体计算公式为

其中f_x为所得频率的大小，单位Hz；T为闸门时间，单位为s；

将测量的频率与在相同条件下由水银负压计所测得数据结合起来，经数据拟合可得到方波频率与土壤基质势的对应关系。

更进一步的方案是：

所述的陶土的相对介电常数为6，水的相对介电常数为80.4。

更进一步的方案是：

所述电容式土壤基质势实时测量系统，包括依次连接的电容式测量单元、测量处理单元、数据传输单元、终端；

所述电容式测量单元包括箭型金属前端和电容式传感器，所述电容式传感器包括金属连接杆和从上往下依次设置的上极板、第一陶瓷介质、金属导体、第二多孔陶瓷介质、下极板，所述金属连接杆将上极板、第一陶瓷介质、金属导体、第二多孔陶瓷介质、下极板贯穿连接，且所述金属连接杆将上下极板短接，金属连接杆与金属导体绝缘；所述箭型金属前端与金属导体连接，箭型金属前端与上极板、下极板绝缘；电容式测量单元将土壤基质势转化为电容值，当土壤基质势发生改变时，陶瓷片(第一陶瓷介质、第二多孔陶瓷介质)内部的含水量也会相应发生变化，从而电容式传感器的电容值也会发生变化，实现土壤基质势变化与电容变化之间的关联。

所述箭型金属前端的最大直径与电容式传感器的外圆直径相等；

所述测量处理单元、数据传输单元置于外壳内，所述外壳的最大直径与电容式传感器的外圆直径相等。

更进一步的方案是：

所述上极板和下极板上均设有镂空，以增加土壤与第一陶瓷介质、第二多孔陶瓷介质接触面积，使其适应不同土壤硬度，提高测量准确率。所述第一陶瓷介质、第二多孔陶瓷介质均为透水不透气的陶瓷片，避免了不同土壤间差异造成的影响，提高了整个装置的测量精度。

更进一步的方案是：

所述测量处理单元包括频率振荡电路和嵌入式MCU处理器，所述频率振荡电路的输入端与电容式传感器连接，频率振荡电路的输出端与嵌入式MCU处理器连接，嵌入式MCU处理器与数据传输单元连接。频率振荡电路根据电容式传感器电容值的不同输出不同频率的方波，从而建立土壤基质势-电容-频率之间的联系，频率振荡电路实现电容到频率的转化，嵌入式MCU处理器根据频率振荡电路实时得出频率数据，以使整个测量变得简单、准确。

更进一步的方案是：

所述电容式土壤基质势实时测量系统还包括电路保护单元，所述电路保护单元与测量处理单元连接；电路保护单元包括依次连接的检测电阻、放大电路、峰值检波和比较电路，所述检测电阻与频率振荡电路连接，所述峰值检波和比较电路与嵌入式MCU处理器连接。检测电阻的阻值很小，放大电路对检测电阻两端的电压进行采样放大，并利用峰值检波和比较电路获得其电压幅值，该电压幅值与基准电压进行比较，比较结果输入到嵌入式MCU处理器中，当测量处理单元短路时，嵌入式MCU处理器切断整个系统供电，以保证整个装置的安全和使用寿命。

更进一步的方案是：

所述数据传输单元包括无线传输模块，无线传输模块将测量处理单元的数据传递给终端进行显示和存储。所述无线传输模块为蓝牙模块。嵌入式MCU处理器处理完的数据先保存在自身的RAM之中，每经过一段时间便将RAM内的数据转移至ROM内；同时嵌入式MCU处理器通过无线传输模块将数据传输终端进行显示和处理。采用无线传输模块避免了大规模走线对土壤原结构的影响，确保了测量的准确性。

更进一步的方案是：

所述嵌入式MCU处理器与存储单元连接，以便于数据的保存。

更进一步的方案是：

所述测量处理单元、数据传输单元、电路保护单元置于一块PCB板上，增加了装置的集成程度，减小了整个装置的体积，以便于携带及操作。

更进一步的方案是：

所述金属导体的后端与连接杆连接，锤击连接杆，将电容式土壤基质势实时测量系统插入土壤指定深度，以使整个装置适用于浅层土壤和深层土壤。

更进一步的方案是：

所述金属导体与箭型金属前端一体成型，以方便制作和确保整个装置的稳定性。

与现有方法相比，该发明具有突出的技术特点和显著的进步。该方法是基于陶土介质电容式传感器的土壤基质势测量方法，所需成本较低，使用方便，精度高。以透水不透气的新型陶土材料为电容介质的传感器，电容的变化只取决于渗入水分的量，不受土壤结构和其他因素的影响，适用范围显著增大，不像频(时)域反射法，每次测量都需要根据土壤的类别进行校正，测量比较麻烦；电容的测量基于频率振荡器的原理，根据电容的变化可以产生不同频率的方波信号，使得数据采集不存在滞后性，测量速度远快于需要人工采样并经过一系列测量流程的烘干称重法；方波信号的测量采用的是直接测频法，进过单片机的处理，测量精度可达到1Hz，保证了数据的精确性；相对于国内外新的土壤基质势测量方法，该方法最大的优点在于具体实施所需的成本较低，适合推广使用。

附图说明

图1是物理量到模拟量、数字量的转化过程图；

图2是采用负压计在实验室条件下对电容式传感器进行标定的过程图；

图3是电容式土壤基质势实时测量系统的剖视结构示意图；

图4是电容式土壤基质势实时测量系统的主视图；

图5是电容式土壤基质势实时测量系统的俯视图；

图6是电容式土壤基质势实时测量系统的仰视图；

图7是电容式土壤基质势实时测量系统的使用框图；

图8是电容式土壤基质势实时测量系统的实物示意图；

其中：1、箭型金属前端，2、电容式传感器，3、金属连接杆，4、上极板，5、第一陶瓷介质，6、金属导体，7、第二多孔陶瓷介质，8、下极板，9、频率振荡电路，10、嵌入式MCU处理器，11、连接杆，12、蓝牙模块，13、终端，14、存储单元，15、防腐蚀合金外壳，16、镂空，17、电路保护单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式及步骤做进一步说明：

参见图3-图8，一种电容式土壤基质势实时测量系统，包括电容式测量单元、测量处理单元、电路保护单元、数据传输单元和终端，测量处理单元、电路保护单元、数据传输单元置于防腐蚀合金外壳15内。测量处理单元通过处理极间电容变化将测量转化为不同频率的电信号；数据传输单元向用户实时传输测量数据。

电容式测量单元包括箭型金属前端1和电容式传感器2，电容式传感器2包括金属连接杆3和从上往下依次设置的上极板4、第一陶瓷介质5、金属导体6、第二多孔陶瓷介质7、下极板8，金属连接杆3将上极板4、第一陶瓷介质5、金属导体6、第二多孔陶瓷介质7、下极板8贯穿连接，且金属连接杆3将上下极板短接，金属连接杆3与金属导体6绝缘；箭型金属前端1与上极板4、下极板8绝缘，且箭型金属前端1与金属导体2一体成型。为了便于电容式传感器2与土壤良好接触，箭型金属前端1的最大直径与电容式传感器2的外圆直径相等。为了便于将整个装置插入土壤中，防腐蚀合金外壳15的最大直径与电容式传感器2的外圆直径相等。电容式测量单元将土壤基质势转化为电容值，当土壤基质势发生改变时，陶瓷片(第一陶瓷介质5、第二多孔陶瓷介质7)内部的含水量也会相应发生变化，从而电容式传感器的电容值也会发生变化，实现土壤基质势变化与电容变化之间的关联。

测量处理单元包括频率振荡电路9和嵌入式MCU处理器10，频率振荡电路9的输入端与电容式传感器2连接，频率振荡电路9的输出端与嵌入式MCU处理器10连接，嵌入式MCU处理器10与数据传输单元连接。频率振荡电路9根据电容式传感器2电容值的不同输出不同频率的方波，从而建立土壤基质势-电容-频率之间的联系，频率振荡电路9实现电容到频率的转化，嵌入式MCU处理器10根据频率振荡电路9实时得出频率数据，并将该数据通过数据传输单元实时传递给终端13。为了保证低功耗特性，数据传输采用的是蓝牙模块，蓝牙模块将测量处理单元的数据传递给终端进行显示和存储。

电路保护单元包括依次连接的检测电阻、放大电路、峰值检波和比较电路，检测电阻与频率振荡电路9连接，峰值检波和比较电路与嵌入式MCU处理器10连接。检测电阻的阻值很小，放大电路对检测电阻两端的电压进行采样放大，并利用峰值检波和比较电路获得其电压幅值，该电压幅值与基准电压进行比较，比较结果输入到嵌入式MCU处理器10中，当测量处理单元短路时，嵌入式MCU处理器10切断整个系统供电，以保证整个装置的安全和使用寿命。

金属导体6的后端与连接杆11连接，锤击连接杆，将电容式土壤基质势实时测量系统插入土壤指定深度，以使整个装置适用于浅层土壤和深层土壤。

为了增加土壤与第一陶瓷介质5、第二多孔陶瓷介质7的接触面积，使电容式传感器2适应不同土壤硬度，提高测量准确率，可在上极板4和下极板8上均设镂空16。为了避免不同土壤间差异造成的影响，提高整个装置的测量精度，第一陶瓷介质5、第二多孔陶瓷介质7均为透水不透气的陶瓷片。为了便于数据的保存，嵌入式MCU处理器10与存储单元14连接。为了增加集成程度，减小整个装置的体积，可将测量处理单元、数据传输单元、电路保护单元置于一块PCB板上。

本发明中，上极板4和下极板8上的镂空16有4个，对称布设，且镂空面积从中间向外逐渐缩小，即靠近金属连接杆3的镂空面积的大于远离金属连接杆3的镂空面积。

嵌入式MCU处理器10为32位嵌入式MCU处理器10，通过I/O口直接与频率振荡电路9连接。嵌入式MCU处理器10通过测量频率并根据事先保存的拟合曲线公式换算出实时土壤基质势。测量频率使用的是直接测频法，直接测频即在确定的闸门时间T内，利用计数器对待测信号进行计数，根据所得计数N，由公式计算出被测脉冲的频率。经实际测试，电路部分输出的方波频率的量级是kHz，根据嵌入式MCU处理器10测频的实验数据，在这个频率范围内误差可控制在1％以内，精度较高，在整个系统的误差允许范围内。

使用时，将箭型金属前端1向下，锤击连接杆11，将测量端(电容式测量单元、测量处理单元、电路保护单元、数据传输单元)插入土壤指定深度，断开安装点和连接杆11的连接，拔出连接杆11，将测量端留于土壤内部。测量端开始工作后，土壤基质势的改变就会引起电容式传感器2两极板间所夹的陶瓷材料(陶瓷片)内部含水量的变化，从而引起电容值的改变；频率振荡电路9根据电容式传感器电容值的不同，输出不同频率的方波。嵌入式MCU处理器10接收频率振荡电路9传来的不同频率的方波之后，通过直接测频法测得方波频率，然后根据事先保存在内存中的拟合曲线的公式，由方波频率计算出此时的土壤基质势。最后，嵌入式MCU处理器10通过蓝牙模块将所测得的土壤基质势数据发送至终端(移动设备或计算机)。终端13储存数据，并进行数据处理：对于单个电容式传感器，给出土壤基质势随时间的变化曲线；对于电容式传感器网络，给出实时的土壤基质势三维分布图。

一种陶土介质电容式土壤基质势测量方法，该方法采用上述电容式土壤基质势实时测量系统进行土壤基质势的测量；

将测量端(电容式测量单元、测量处理单元、电路保护单元、数据传输单元)插入土壤指定深度，电容式传感器的电容值会与土壤基质势形成特定函数关系。其中，各物理量转化过程如图1：

1)根据土壤物理学有关原理，土壤基质势是指在非饱和条件下，由土壤基质的吸附力和毛管力造成的势能，当土壤的基质势变化时，通过水分在陶土介质中的渗入或渗出，使得土壤和陶土介质中的势能达到一种动态平衡，因此可通过测量陶土介质的电容值得到土壤基质势。

2)电容式传感器插入土壤后，作为介质的陶土材料会吸收土壤中的水分，直至其含水量与土壤含水量相等，此时二者对水分的吸收能力相等，对土壤来说就是土壤基质势。吸水后的陶土材料的相对介电常数ε_r服从以下关系：

ε_r＝∑V_iε_i

其中，V_i为陶土或水分的体积占整体体积的比例(对土壤水来说即容积含水量)，ε_i为陶土或水分的相对介电常数(陶土的相对介电常数为6，水的相对介电常数为80.4)。

3)根据平行板电容器容值公式：

C＝kε_rε₀

其中ε₀为真空中介电常数，ε_r为所述吸水后陶土材料的相对介电常数，k为几何常数，取决于两极板的面积和距离，可视为常数。至此，土壤基质势的变化通过中间变量最终反映在电容式传感器容值的变化上。

4)由于电容值难以直接测量，本实施例采用基于555计时器的多谐震荡电路，将电容式传感器的容值进一步转化为方波频率。在辅助电阻阻值固定的情况下，输出方波信号的频率取决于电容值，振荡频率的计算采用如下公式：

f＝(R₁+2R₂)Cln2

其中，R₁和R₂为固定电阻，C为电容式传感器的容值。

2.通过所述方法可以使土壤基质势与传感器电容值之间形成一定的函数关系，但是由于此函数的具体形式无法直接得到，因此需要采用负压计在实验室条件下对电容式传感器进行标定，具体步骤如图2：

1)取水分分布均匀，含水量不同的土壤样本若干，分别编号为1、2、3……N。将每一份样本平均分为两份，分别编号为1A、1B、2A、2B……NA、NB；

2)用水银负压计分别测量A组各土壤样本的基质势，记录相应数据；

3)将上文实施例所述电容式传感器分别插入B组各土壤样本中，记录各组输出方波信号的频率；

4)将每一份土壤样本1A、1B，2A、2B，……，NA、NB测得的土壤基质势和方波频率对应起来，求得二者的关系式。

由于本发明采用的方法以陶土片作为电容式传感器的介质材料，介质与土壤只进行水分交换而避免了其他物质的可能影响，因此本实施例只需要一次标定即可获得通用的土壤基质势与方波频率的关系式，在不同类型的土壤中均可适用，无需再次标定，从而极大地降低了测量的工作量。

Claims (10)

1.一种陶土介质电容式土壤基质势测量方法，其特征在于：

所述的陶土介质电容式土壤基质势测量方法，采用了电容式土壤基质势实时测量系统，并具体包括：

将电容式土壤基质势实时测量系统中的测量端插入土壤指定深度，电容式土壤基质势实时测量系统的电容式传感器包括透水不透气的陶土材料电容介质，当土壤基质势改变时，渗入陶土材料中的水分发生改变，从而使电容式传感器的电容发生改变，电容的计算公式采用下式：

C＝kε_rε₀

<mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>s</mi> <mi>d</mi> </mfrac> </mrow>

式中，C为电容式传感器的电容，k为几何常数，单位为m，由电容式传感器上电容介质的面积和厚度决定，s为电容式传感器电容介质的面积，单位为m²，d为电容式传感器电容介质的厚度，单位为m，ε₀为真空中相对介电常数，为1，ε_r为陶土中按照体积比例混合的相对介电常数；

ε_r取决于渗透进陶土材料的水分含量，陶土和水分体积所占比例决定了电容介质的相对介电常数，公式为

ε_r＝∑V_iε_i

其中，V_i为陶土或水分占整体体积的比例，ε_i为陶土或水分的相对介电常数；

电容的测量基于频率振荡器的原理，在辅助电阻固定的情况下，输出方波信号频率的变化取决于电容的变化，振荡频率的计算采用以下公式：

f＝(R₁+2R₂)Cln2

其中f为频率振荡器输出方波的频率，单位Hz，R₁和R₂为固定电阻，单位为Ω，C为电容式传感器的电容，电容的变化可转化频率变化的方波信号，通过测量方波信号的频率可得电容的值；

方波信号频率的测量是在确定的闸门时间T内，利用计数器对待测信号进行计数，根据所得计数个数N，得到频率的大小，具体计算公式为

<mrow> <msub> <mi>f</mi> <mi>x</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>N</mi> <mi>T</mi> </mfrac> </mrow>

其中f_x为所得频率的大小，单位Hz；T为闸门时间，单位为s；

将测量的频率与在相同条件下由水银负压计所测得数据结合起来，经数据拟合可得到方波频率与土壤基质势的对应关系。

2.根据权利要求1所述陶土介质电容式土壤基质势测量方法，其特征在于：

所述的陶土的相对介电常数为6，水的相对介电常数为80.4。

3.根据权利要求2所述陶土介质电容式土壤基质势测量方法，其特征在于：

所述电容式土壤基质势实时测量系统，包括依次连接的电容式测量单元、测量处理单元、数据传输单元、终端；

所述电容式测量单元包括箭型金属前端(1)和电容式传感器(2)，所述电容式传感器包括金属连接杆(3)和从上往下依次设置的上极板(4)、第一陶瓷介质(5)、金属导体(6)、第二多孔陶瓷介质(7)、下极板(8)，所述金属连接杆(3)将上极板(4)、第一陶瓷介质(5)、金属导体(6)、第二多孔陶瓷介质(7)、下极板(8)贯穿连接，且所述金属连接杆(3)将上、下极板短接，金属连接杆(3)与金属导体(6)绝缘；所述箭型金属前端(1)与金属导体(6)连接；

所述箭型金属前端(1)的最大直径与电容式传感器(2)的外圆直径相等；

所述测量处理单元、数据传输单元置于外壳(15)内，所述外壳的最大直径与电容式传感器的外圆直径相等。

4.根据权利要求3所述陶土介质电容式土壤基质势测量方法，其特征在于：

所述上极板和下极板上均设有镂空。

5.根据权利要求3或4所述陶土介质电容式土壤基质势测量方法，其特征在于：

所述测量处理单元包括频率振荡电路和嵌入式MCU处理器，所述频率振荡电路的输入端与电容式传感器连接，频率振荡电路的输出端与嵌入式MCU处理器连接，嵌入式MCU处理器与数据传输单元连接。

6.根据权利要求5所述陶土介质电容式土壤基质势测量方法，其特征在于：

所述数据传输单元包括无线传输模块，无线传输模块将测量处理单元的数据传递给终端进行显示和存储；嵌入式MCU处理器处理完的数据先保存在自身的RAM之中，每经过一段时间便将RAM内的数据转移至ROM内；同时嵌入式MCU处理器通过无线传输模块将数据传输终端进行显示和处理。

7.根据权利要求6所述陶土介质电容式土壤基质势测量方法，其特征在于：

所述嵌入式MCU处理器与存储单元连接，以便于数据的保存。

8.根据权利要求6所述陶土介质电容式土壤基质势测量方法，其特征在于：

所述测量处理单元、数据传输单元置于一块PCB板上。

9.根据权利要求3所述陶土介质电容式土壤基质势测量方法，其特征在于：

所述金属导体的后端与连接杆连接。

10.根据权利要求3所述陶土介质电容式土壤基质势测量方法，其特征在于：

所述金属导体与箭型金属前端一体成型。