CN108709908B - 水盐一体速测仪以及土壤含盐量检测方法、装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水盐一体速测仪以及土壤含盐量检测方法、装置，包括土壤水分传感器、处理器和输入输出设备。使用方便、操作简单，能够实地读取数据。广泛的适用性，设备适用于不同质地的土壤，在使用之前将仪器调整至待测地区土壤质地，进行测量更准确。根据频域反射原理，能测得含水率、含盐量、电导率和温度，同时操作简单，方便快捷，更重要的是精度高，稳定性好。

Description

水盐一体速测仪以及土壤含盐量检测方法、装置

技术领域

本发明涉及盐碱地研究技术领域，具体而言，涉及一种水盐一体速测仪以及土壤含盐量检测方法、装置。

背景技术

目前，全球范围内土壤盐渍化范围广、面积大、类型多，例如中国的盐渍土面积约为l.0×108ha(公顷)。大多研究土壤盐分数据均来自野外采集土壤样品、室内通过土壤浸提液，进行大量的室内外实验，将分析结果与野外测得土壤的电导率、水分、温度等其他指标拟合分析。

传统的分析土壤电导率的设备主要有以下几种：

一，基于阻抗技术的电导率仪，例如TYC-2传感器与SY系列袖珍数字盐分计。当土壤探针按电流-电压四端法分布时，土壤电导率ECb可以通过下式计算：

其中，ECb为土壤电导率，单位为dS/cm；

k＝[2a-1-(a-b)-1-(a+c)-1]-1，单位为cm。I为一恒流源，作为测量电路的激励信号源；ΔVAB为相邻两探针间的电位差。4根土壤探针分为等距的2组(A/B，C/D)，分别与I和ΔVAB连接，C、D分别为激励电流I的流入与流出端口，如图1所示，A、B分别为测量电路的输出点位端口，a为C、D电流端中心点至电压端A、B中心点的距离；b为A与B和C与D间的距离。这种特殊的测量探针分布结构，称为阵列电流-电压四端法。

针对土壤电导率四电极法，早在上世纪80年代，中国生产的便携式土壤电导率仪便得到推广应用。南京土壤研究所研制的TYC-2传感器与SY系列袖珍数字盐分计成为当时中国科研单位与大专院校所广泛使用的仪器。该仪器将电导率作为影响土壤盐分的唯一值，并没有考虑其他因素影响。

二，中子水分仪，中子水分仪是高精度测定土壤含水量的工具。中子水分仪基于动量守恒定律，利用氢原子的质量和中子十分接近的特点，用仪器前端装载的同位素中子源不断地发射出快中子与土壤水中的氢原子碰撞，降低其能量，使得快中子转化成热中子。这些热中子犹如云雾一般紧紧围绕在中子源的周围，通过热中子探头，测定单位体积内的热中子，建立热中子计数和土壤含水量之间的关系，从而通过标定计数算出土壤含水量。

中子水分仪在农田土壤熵情研究中，有着一定的应用，但在测量过程中，不同物质间的界面和安装中子管时产生的空隙对中子测水仪的测量精度有较大影响。同时，由于中子仪成本高，设备维护困难，且前端的放射源具有危险性，并受到使用管制。因此，该设备的普及率低，并无推广应用。

三，基于电磁技术的的土壤水分、盐分速测仪，例如加拿大乔尼克斯公司生产大地电导率探测仪EM38。

由于土壤是一种具有一定结构和不规则表面的大小不同的颗粒组成的多孔结构体，在这一结构系统中经常产生着化学键的断裂和形成，从而使土壤胶体表面发生一定的电性磁性的变化，最终体现在土壤“力”场的物质基础——双电层的变化上。利用这种土壤电层分层结构，以及人造产生的磁场，根据磁场强度随大地深度的增加而逐渐减弱的能量变化以及时间动态变化，诱导土层中的微弱交流感应电流产生次生磁场，利用信号端接收的磁场信号，分解出次生磁场强度，从而通过土壤电导率与电信号间的关系，转化为土壤表观电导率。

EM38已经成为一种广泛使用的农业勘查土壤盐分含量的仪器，其可通过非接触式的方式快速勘查和测量大面积土壤中的含盐量。大地电导仪EM38总长度1m，主要由信号发射和信号接受2个端口组成，两者之间相隔一定的距离，发射频率为14.6kHz，测量的有效深度可达1.5m。但是，其测量精度差，在应用EM38电磁发生仪测定土壤含盐量时，不仅要深入研究影响EM38测定结果的环境因素，而且要结合实验室分析方法，建立EM38读数和土壤盐分常规法分析结果及作物产量之间的关系。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种水盐一体速测仪以及土壤含盐量检测方法、装置。

第一方面，本发明实施例提供了一种水盐一体速测仪，包括土壤水分传感器、处理器和输入输出设备；

所述土壤水分传感器，包括一对探针，用于与所述处理器连接，测量土壤的复介电常数，并将所述复介电常数传输给所述处理器；

所述处理器，和所述土壤水分传感器连接，用于根据所述复介电常数得到电导率、土壤含盐量和含水量；

所述输入输出设备，与所述处理器连接，用于显示电导率、土壤含盐量和含水量。

进一步的，所述输入输出设备为显示屏幕。

进一步的，所述输入输出设备为触控屏。

进一步的，所述处理器通过光纤与所述土壤水分传感器连接。

进一步的，所述速测仪还包括定位装置；

所述定位装置，用于与所述处理器连接，向所述处理器传输定位信息。

进一步的，所述速测仪还包括警示装置；

所述警示装置与所述处理器连接，当土壤含水量小于阈值时，所述警示装置进行报警。

进一步的，所述速测仪还包括存储装置；

所述存储装置，与所述处理器连接，用于存储所述土壤水分传感器测量到的和所述处理器得到各种数据。

第二方面，本发明实施例提供了一种土壤含盐量检测方法，所述方法包括：

测量土壤的电导值和电容值；

根据所述电导值和电容值,得到土壤的复介电常数的实部和虚部；

根据土壤的复介电常数的实部和虚部，计算土壤的电导率和含水率；

根据所述复介电常数的虚部、电导率、含水率和预设的土壤中砂粒和粘粒的含量，计算土壤的含盐量。

进一步的，所述方法还包括：

显示并保存所述土壤的含水率和含盐量。

第三方面，本发明实施例提供了一种土壤含盐量检测装置，所述装置包括：

测量模块，用于测量土壤的电导值和电容值；

复介电常数计算模块，用于根据所述电导值和电容值,得到土壤的复介电常数的实部和虚部；

含水率计算模块，用于根据土壤的复介电常数的实部和虚部，计算土壤的电导率和含水率；

含盐量计算模块，用于根据所述复介电常数的虚部、电导率、含水率和预设的土壤中砂粒和粘粒的含量，计算土壤的含盐量。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例提供了一种水盐一体速测仪以及土壤含盐量检测方法、装置，包括土壤水分传感器、处理器和输入输出设备。使用方便、操作简单，能够实地读取数据。广泛的适用性，设备适用于不同质地的土壤，在使用之前将仪器调整至待测地区土壤质地，进行测量更准确。根据频域反射原理，能测得含水率、含盐量、电导率和温度，同时操作简单，方便快捷，更重要的是精度高，稳定性好。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的地和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为为现有技术的基于阻抗技术的电导率仪的应用原理图；

图2为本发明实施例所提供的水盐一体速测仪的结构图；

图3为本发明实施例所提供的土壤含盐量检测方法的流程图；

图4为本发明实施例所提供的土壤含盐量检测装置的结构框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的地、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

实施例一

参见图2所示的一种水盐一体速测仪的结构图，水盐一体速测仪，具体包括：探针1、土壤水分传感器，万用表2、光纤3、警示灯4、电源开关5、处理器6、存储设备7、定位装置8、显示设备9、充电接口10、扩展接口11。

所述土壤水分传感器，包括一对探针，用于与所述处理器连接，测量土壤的复介电常数，并将所述复介电常数传输给所述处理器6；

所述处理器6，和所述土壤水分传感器连接，用于根据所述复介电常数得到电导率、土壤含盐量和含水量；

所述显示设备9，与所述处理器连接，用于显示电导率、土壤含盐量和含水量。

所述处理器6通过光纤3与所述土壤水分传感器连接。

所述定位装置8，用于与所述处理器6连接，向所述处理器6传输定位信息。

所述警示灯4与所述处理器6连接，当土壤含水量小于阈值时，所述警示灯4进行闪光报警。

所述存储装置7，与所述处理器连接，用于存储所述土壤水分传感器测量到的和所述处理器得到各种数据。

探针1间距对测量影响很小，而探针长度对土壤介电实部或虚部均有不同影响。研究表明，探针间距不是土壤介电谱测量的影响因素，根据测量需要可对其进行一定范围的调整。探针长度影响土壤介电谱弛豫频率值，探针越短其弛豫频率越大，探针长度是影响土壤介电谱测量的关键因素之一。土壤水分传感器探针应适当缩短这有利于土壤水分传感器测量精度和环境适应性的提高。

处理器6存储计算介电常数实部、介电常数虚部、电导率、含盐量和含水率模型，并且该芯片可提供扩展接口11扩展，通过连接计算机，输入该设备测量所得的数据为参数的模型，即可应用。

实施例二

本发明利用频域反射技术，基于土壤电导模型，建立以介电常数为纽带的土壤含水率、含盐量与土壤电导率定量关系。将土壤介电实部与含水率耦合，建立土壤介电实部-含水率高精度机理；利用盐碱地土壤对脉冲信号的衰减作用，利用以土壤介电虚部为中间转换参数，建立土壤介电损耗与土壤自由盐溶液介电损耗间的关系，并将这一关系转化为电导率与含水率、含盐量的关系。

参见图3所示的一种土壤含盐量检测方法的流程图，主要应用于上一实施例中所述的水盐一体速测仪，具体包括如下步骤：

S101.测量土壤的电导值和电容值；

其中，土壤水分传感器的探针主要为一对电极，并形成一个电容，其间的土壤充当电介质。在土壤水分传感器中，电容与振荡器组成一个调谐电路。土壤水分传感器可以应用100MHz正弦曲线信号，角频率为ω，通过传输线到达探头，探头的阻抗依赖于土壤基质的介电常数。土壤水分传感器使用扫频频率来检测共振频率(此时振幅最大)，土壤含水量不同，发生共振的频率不同，根据不同频率可计算复介电常数。

S102.根据所述电导值和电容值,得到土壤的复介电常数的实部和虚部；

介电常数与电场频率及温度、压力、场强都有关系，由于相关因素比较多。当两个极板之间有土壤时候,101是两个极板组成的电容器，其中102是电容C，与介电常数实部相对应；103是并联电阻，相当于介质损耗部分消耗的能能量，对应于介电常数虚部。

平行板电容器，真空室电容量为C0，在角频率为ω的交流电场中，介电常数ε(ω)为复数，ε(ω)＝ε′(ω)-iε″(ω)

其中ε'(ω)是电介质的介电常数实部，它是ω的函数，ε″(ω)是介电常数虚部，代表介质损耗。ε0为真空绝对介电常数，ε₀＝8.85×10^-12F·m-1平行板电容器的电流密度可写成:

其中E为电场强度。比值J/E的实部为电介质的电导率ECb，即

ECb＝ωε₀ε″ (2)

ECb概括了电介质的全部损耗机构的总和。而且，电导率的测量一般也采用交流信号作用于电导池的两电极板，由测量到的电极常数K和两电极板之间的电导G而求得电导率ECb(单位：ms/m)。

ECb＝K×G (3)

L是有效电极板的长度，A是极板的面积。通过公式(3)和测得的电导值G，可得到电导率ECb。再通过(2)可得到介电常数的虚部ε”。

再测得两极板直接的电容C，根据公式(5)

可得介电常数实部ε′。

S103.根据土壤的复介电常数的实部和虚部，计算土壤的电导率和含水率；

利用频域反射原理、土壤介电性质，以介电实部为纽带，对DOBSON、STOGRYN、TOPP三种模型进行耦合，建立盐碱地含水率θb与介电实部ε′的模型：

盐碱地土壤含水率模型根据土质不同分为如下几种：

θ_b＝-0.0083+0.0339ε′-7.93×10^-4×ε′²+9.49×10^-6×ε′³

其中，粉砂质土壤：θ_b＝-0.022+0.025ε′-3.622×10^-4×ε′²+3.130×10^-6×ε′³；

壤质土壤：θ_b＝-0.0454+0.0329ε′-5.33×10^-4×ε′²+4.55×10^-6×ε′³；

砂壤土：θ_b＝-0.0994+0.0243ε′-8.71×10^-4×ε′²+7.91×10^-6×ε′³

红壤：θ_b＝-0.2191+0.085ε′-3.6×10^-3×ε′²+5×10^-5×ε′³

介电虚部ε″反映了电介质在外电场的作用下，将一部分电能转变成热能的物理过程。如果介质受交变电场的作用，而交变电场的改变相当迅速时，极化就会追随不及而滞后，这种滞后导致一部分能量消耗在强迫固有偶极距的转动上，并变为热能而消失，从而引起电能转化为热能，成为介电损耗的原因之一；介质的导电则是介电损耗的另一个原因。二者导致了介质介电常数具有复数形式。

在土壤中，水分子极化在高频交变电场中，震荡产生热耗散，而土壤基质与溶液同时导电的特性。由于盐分参数的存在，土壤介电常数表现为复数形式，介电损耗(介电虚部ε″)表现为电介质热损耗(ε″_{elehear′lose})即土壤本身(包括基质和水)由于极化原因造成的介电损耗，与电介质导电造成的电导损耗(ε″_{electric leak})。在这种关系的表达上，物体电磁性质Maxell方程给出了建立三者关系的方式：

其中，ε′为介电实部，j为常数，虚部对应介电损耗。一般对于绝缘体，低频介电损耗较小，ε″可以忽略，但在介质导电的情况下，低频电场中电导损耗不可忽略。

S104.根据所述复介电常数的虚部、电导率、含水率和预设的土壤中砂粒和粘粒的含量，计算土壤的含盐量。

介电虚部ε″作为盐分与电导率的桥梁，建立模型的关系。

粉砂质壤土：

砂质壤土：

壤质砂土：

其中，ECb为土壤电导率，单位dS m-1；ω为交变电场角频率；ε₀为真空绝对介电常数，ε₀＝8.85×10-12F·m-1；θ_b为土壤含水率；Sand、Clay分别为土壤质地中砂粒与粘粒的含量；α为形状因子，α＝0.65；ε″_fw为自由水介电虚部，将该仪器放在自由水中测得的介电常数虚部，即为ε″_fw；S为含盐量。

S105.显示并保存所述土壤的含水率和含盐量。

另外，利用定位装置和温度传感器获取位置信息和温度，可将温度与位置信息同时与监测点水分盐分等信息保存。

还可以通过USB或者蓝牙装置，将速测仪中的数据导入计算机中，可以导出excel格式或者仪器对应的专门分析软件所需格式，进行相应的数据分析。

实施例三

对于前述实施例一所提供的土壤含盐量检测方法，本发明实施例提供了一种土壤含盐量检测装置，参见图4所示的一种土壤含盐量检测装置的结构框图，该装置包括如下部分：

测量模块41，用于测量土壤的电导值和电容值；

复介电常数计算模块42，用于根据所述电导值和电容值,得到土壤的复介电常数的实部和虚部；

含水率计算模块43，用于根据土壤的复介电常数的实部和虚部，计算土壤的电导率和含水率；

含盐量计算模块44，用于根据所述复介电常数的虚部、电导率、含水率和预设的土壤中砂粒和粘粒的含量，计算土壤的含盐量。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露系统和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的地。

另外，在本发明提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，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：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种使用水盐一体速测仪进行土壤含盐量检测方法，其特征在于，所述水盐一体速测仪包括土壤水分传感器、处理器和输入输出设备，所述土壤水分传感器，包括一对探针，用于与所述处理器连接，测量土壤的复介电常数，并将所述复介电常数传输给所述处理器，所述处理器，和所述土壤水分传感器连接，用于根据所述复介电常数得到电导率、土壤含盐量和含水量，所述处理器通过光纤与所述土壤水分传感器连接，所述输入输出设备，与所述处理器连接，用于显示电导率、土壤含盐量和含水量；

所述方法包括：

测量土壤的电导值和电容值；

根据所述电导值和电容值,得到土壤的复介电常数的实部和虚部；

根据土壤的复介电常数的实部和虚部，计算土壤的电导率和含水率；

根据所述复介电常数的虚部、电导率、含水率和预设的土壤中的砂粒和粘粒的含量，计算土壤的含盐量，其中，将介电虚部作为盐分与电导率的桥梁，建立模型关系，粉砂质壤土：

砂质壤土：

壤质砂土：

其中，ECb为土壤电导率，单位；ω为交变电场角频率；/>为真空绝对介电常数，=8.85×10-12 F·m-1；/>为土壤含水率；Sand、Clay分别为土壤质地中砂粒与粘粒的含量；α为形状因子，α=0.65；/>为自由水介电虚部，将该仪器放在自由水中测得的介电常数虚部，即为/>；S为含盐量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输入输出设备为显示屏幕。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输入输出设备为触控屏。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述速测仪还包括定位装置；

所述定位装置，用于与所述处理器连接，向所述处理器传输定位信息。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述速测仪还包括警示装置；

所述警示装置与所述处理器连接，当土壤含水量小于阈值时，所述警示装置进行报警。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述速测仪还包括存储装置；

所述存储装置，与所述处理器连接，用于存储所述土壤水分传感器测量到的和所述处理器得到各种数据。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

显示并保存所述土壤的含水率和含盐量。