CN107091864A - 电容式土壤基质势实时测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种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；电容式测量单元包括箭型金属前端和电容式传感器，电容式传感器包括金属连接杆，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；金属连接杆将上下极板短接，金属连接杆与金属导体绝缘；箭型金属前端与金属导体连接；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；测量处理单元、数据传输单元置于外壳内，该外壳与电容式传感器的外圆直径相等。本发明能确保测量数据具有实时性、连续性和准确性，能既能对浅层土壤进行土壤基质势测量，又能对深层土壤进行土壤基质势测量。

Description

电容式土壤基质势实时测量系统

技术领域

本发明属于土壤基质势测量领域，具体涉及一种电容式土壤基质势实时测量系统。

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，是土壤水势主要组成部分，对非饱和土壤的水分运动和保持具有重要作用。土壤基质势是研究土壤中水体流动的一项重要指标，通常通过测量土壤含水量间接反映土壤基质势的情况。

现有的土壤基质势测量通常采用直接测量法、各向异性测量法、频(时)域反射法，上述三种方法各有优劣：直接测量法以水银负压计为主，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，测量作业量达，费时费力，而且读数存在误差，不利于高精度的测量研究。各向异性测量法需要对土壤进行取样，例如公开号为CN103822845A，名为“一种非饱和土体水力特性的各向异性测量装置及测量方法”的发明专利，该方法可以测量多种土壤参数，但是需要对土壤进行采样，费时费力，数据不具有实时性和连续性，该方法会对土壤的原结构产生影响进而影响到数据的准确性；该方法因必须采样，所以对深层土壤情况的监测难度较大。频(时)域反射法(FDR/TDR)是利用高频电磁波在不同介电常数物质中传播的频率不同的原理，通过测量土壤中高频电磁波的频率测量土壤含水量，例如公开号为CN103592338A，名为“一种基于频域反射法的管针式土壤含水率检测方法和装置”的发明专利，该方法测量精度较高但是只能测量浅层土壤，并且由于使用有线传输，所以难以大规模使用。

因此，我们迫切需要一种测量数据准确、能既能对浅层土壤，又能对深层土壤进行土壤基质势测量的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电容式土壤基质势实时测量系统，该测量系统能确保测量数据具有实时性、连续性和准确性，且该测量系统能既能对浅层土壤进行土壤基质势测量，又能对深层土壤进行土壤基质势测量。

本发明所采用的技术方案是：

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、数据传输单元、终端；所述电容式测量单元，测量处理单元，数据传输单元、终端依次连接；

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。

按上述方案，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。

按上述方案，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。

按上述方案，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。

按上述方案，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。

按上述方案，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。

按上述方案，所述嵌入式MCU处理器与存储单元连接，以便于数据的保存。

按上述方案，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。

按上述方案，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。

按上述方案，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。

本发明的有益效果在于：

箭型金属前端减小了整个装置插入土壤时的阻力，可适用于浅层土壤和深层土壤的土壤基质势测量；

电容式传感器的外圆直径与箭型金属前端的最大直径相等，以便于土壤与电容式传感器接触，增加测量准确性；

电容式传感器由金属连接杆、上极板、第一陶瓷介质、金属导体、第二多孔陶瓷介质、下极板组成，其结构简单、制作方便；

结构简单、使用方便，测量数据具有实时性和连续性；

测量结果直接发送到终端，避免了人工读数，既准确又省力；

以陶瓷作为极间介质，避免了每次使用前的校准，同时提高了精度；

能适用于各种类型土壤并且对土壤原结构无大的改变，确保了测量的准确性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明电容式土壤基质势实时测量系统的剖视结构示意图；

图2是电容式土壤基质势实时测量系统的主视图；

图3是电容式土壤基质势实时测量系统的俯视图；

图4是电容式土壤基质势实时测量系统的仰视图；

图5是电容式土壤基质势实时测量系统的使用框图；

图6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

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1-图6，一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。

本发明中，为了增加土壤与第一陶瓷介质5、第二多孔陶瓷介质7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。

输入频率(kHz)	测得频率(kHz)	误差(％)
			1	0.994	0.60
5	4.970	0.60
			8	7.955	0.56
10	9.939	0.61
			20	19.88	0.58
30	29.82	0.60
			40	39.76	0.58
50	49.69	0.60
			100	99.44	0.55

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。

本发明实现了土壤基质势到电容再到频率的转化，配合外部设备进行数据的采集与处理，自动化程度高、抗干扰能力强，使用成本低，适合于大部分土壤测量条件；有效提高了我国水文研究方面的技术力量与设备力量。具有很高的科学价值。

本发明的应用范围广，适用于任何不同类型的土壤：利用透水不透气的陶瓷材料作为电容介质，当土壤基质势发生变化时，陶瓷内部的含水量也发生变化，进而反映到电容的变化上，因此本系统可以不受土壤类型的限制，适用于任何类型的土壤。本发明采用无线通信模式，测量所得数据可以实时发送到移动设备或计算机，数据具有实时性和连续性。本发明的制作和使用成本较低。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种电容式土壤基质势实时测量系统，其特征在于：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；

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。

2.根据权利要求1所述的电容式土壤基质势实时测量系统，其特征在于：所述上极板和下极板上均设有镂空。

3.根据权利要求1或2所述的电容式土壤基质势实时测量系统，其特征在于：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。

4.根据权利要求1所述的电容式土壤基质势实时测量系统，其特征在于：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。

5.根据权利要求4所述的电容式土壤基质势实时测量系统，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1或5所述的电容式土壤基质势实时测量系统，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。

7.根据权利要求5所述的电容式土壤基质势实时测量系统，其特征在于：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。

8.根据权利要求4所述的电容式土壤基质势实时测量系统，其特征在于：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。

9.根据权利要求1所述的电容式土壤基质势实时测量系统，其特征在于：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。

10.根据权利要求1所述的电容式土壤基质势实时测量系统，其特征在于：金属导体与箭型金属前端一体成型。