CN109307752A - 一种用于获取土壤多深度水分含量的传感器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于获取土壤多深度水分含量的传感器及方法，该传感器包括：套设于探测管的外壁上、用于感知土壤中水分信息的感知探头对，所述感知探头对至少有两对；该检测方法包括：步骤S1、在测量深度范围内同时获取多个深度土壤的水分含量值，并以此构建预估模型；步骤S2、基于所述预估模型，获取所述测量深度范围内任意深度土壤的水分。本发明的一种用于获取土壤多深度水分含量的传感器及方法，装置集成度高，功能完善，操作简单，能够连续获取土壤水分垂直分布信息。
Description
技术领域
本发明涉及传感检测技术，更具体地，涉及一种用于获取土壤多深度水分含量的传感器及方法。
背景技术
用于检测土壤水分信息的传感器，从原理上分类，可分为时域反射法、时域传输法、频域分解法或驻波率法等；按照探头的结构又可以分为针式或管式。
目前，用于检测土壤水分信息的传感器，多是采用针式结构。例如公开号为CN105659498A的PCT专利申请，其公开了一种传感器件。参见图1所示，该传感器件包括电特性与物理量相应地变化的传感元件；对上述传感元件的输出信号进行处理的信号处理电路；位于电源端子与上述信号处理电路之间的晶体管元件；将上述晶体管元件的漏极与栅极连接或者将上述晶体管元件的集电极与基极连接的电阻提；和将上述晶体管元件的栅极或基极与GND连接的、具有阈值电压的元件，上述元件在向上述信号处理电路供给的供给电压低于上述阈值电压的情况下，限制从上述电阻体向GND的方向流动的电流。
但是，目前市场上的传感器仅能测量单点水分值，而不能同时测量垂直方向多个甚至任意一点值。
发明内容
为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供了一种用于获取土壤多深度水分含量的传感器及方法，以解决应用传感器难以同时测量多个深度位置，甚至任意一点土壤数据、测量准确度不高、无法连续获取多深度位置土壤数据的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种用于获取土壤垂直方向上多个测量节点水分含量的方法，包括：
步骤S1、在测量深度范围内同时获取多个深度土壤的水分含量值，并以此构建预估模型；
步骤S2、基于所述预估模型，获取所述测量深度范围内任意深度土壤的水分。
进一步地，所述水分含量值至少为两个。
进一步地，所述水分含量值采用传感器采集；所述传感器包括用于感知土壤中水分信息的感知探头对，所述感知探头对至少有两对。
进一步地，步骤S1中多个深度土壤的水分含量值具体为：位于土壤表面以下同一直线方向上、且相间隔的多个测量节点的水分含量值。进一步地，所述每个测量节点之间的间距为10-25cm。
进一步地，以所述每个测量节点所在位置对应的测量深度为节点，采用插值法构建所述预估模型；
所述预估模型包含n-1个函数关系式，其中，n为节点的数量。
进一步地，所述预估模型具体为：
式中，x1、x2、x3、x4依次为测量节点所在位置对应的测量深度，a、b、c、a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3分别为预估模型的系数。
根据本发明的另一个方面，还提供一种传感器，用于实现上述测量方法，包括：套设于探测管的外壁外侧、用于感知土壤中水分信息的感知探头对，所述感知探头对至少有两对。
进一步地，所述感知探头对为四对。
进一步地，所述感知探头对对应连接有设置于所述探测管内侧的检测电路，所述检测电路包括由所述感知探头对形成的等效电容。
本发明提出的有益效果主要如下：
(1)同时获取的多个深度水分含量值，通过构建预估模型，能够获取土壤中在测量深度范围内垂直方向的任意深度的水分信息；
(2)传感器的探测管上套设有至少两个感知探头对，能够同时测量同一点不同深度位置的土壤水分信息，测量准确度高；
(3)将感知探头对设置为四对，除能测量感知节点处土壤水分含量值外也可以获得其它深度水分预估值，能够有效提高土壤信息检测的准确性，同时能够控制传感器的成本、确保结构简单。
附图说明
图1为现有技术中传感器件的结构示意图；
图2为根据本发明实施例中的一种用于获取土壤垂直方向上多个测量节点水分含量的方法的预估模型的计算结果示意图；
图3为根据本发明实施例中的一种用于获取土壤垂直方向上多个测量节点水分含量的方法的预估模型的计算结果示意图；
图4为根据本发明实施例中的一种传感器的结构示意图。
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作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明提供一种用于获取土壤垂直方向上多个测量节点水分含量的方法，包括：
步骤S1、在测量深度范围内同时获取多个深度土壤的水分含量值，并以此构建预估模型；
步骤S2、基于所述预估模型，获取所述测量深度范围内任意深度土壤的水分。
具体地，用以构建预估模型的水分含量值，是在测量深度范围内同时获取的不同深度的土壤的水分含量值，能够保证土壤原位测量及用户对多深度土壤水分监测的需求。
进一步地，由所获取的土壤中的水分含量值为基础，构建一个预估模型，由该预估模型能够得到在测量深度范围内任意一个测量深度位置的土壤的水分信息，从而能够连续获取测量深度范围内的土壤水分信息。基于所构建的预估模型，即可获取多个深度的水分含量值，还可以获取任意测量深度连续的土壤水分分布信息，利于对土壤信息的更准确监测。
在另一个具体的实施例中，所述水分含量值至少为两个。具体地，在基于所获取的水分含量值构建预估模型以获取任意深度土壤的水分时，，所获取的水分含量值越多，采用预估模型获得垂直方向的水分分布情况的准确了就越高。
在实际操作过程中，由于水分含量值是在土壤地面以下的位置所获取，当测量节点设置过多，会增加测量传感器的制作成本及设备复杂度；当测量节点设置过少，相邻测量节点间距过大，会降低所建立预估模型的预测精度。
在另一个具体的实施例中，步骤S1中多个深度土壤的水分含量值具体为：位于土壤表面以下同一直线方向上、且相间隔的多个测量节点的水分含量值。
具体地，在土壤垂直方向上获取不同深度土壤中的土壤水分含量值时，所获取的土壤水分含量值更能反映土壤在垂直方向上的水分分布情况。
具体地，在获取土壤水分含量值的过程中，该多个测量节点对应的水分含量值是在同一时刻获取的。即在同一时刻获取位于垂直方向上的多个测量节点对应的水分含量值。
在对土壤水分监测时，采用单点传感器时需要多个传感器埋设安装，造成被测土壤遭到破坏，数据不能真实反应被测土壤实际含水量，不仅检测过程复杂，还容易造成对目标待测土壤条件的不良影响，会影响测量数据的准确性。因此，能够同时获取多个测量节点的数据，能够大大提高检测分析的准确性。
在另一个具体的实施例中，土壤中的水分含量值采用传感器采集。该传感器包括：探测管和感知探头对。感知探头对用于感知土壤中的水分信息，并将该水分信息输出至传感器的其他部分继续处理。感知探头对以环状结构套设于探测管的外壁上，并且，感知探头对至少有两对，分别沿探测管的长度方向套设于探测管的不同位置。
具体地，探测管为具有中空内腔的柱体结构，与感知探头对相连的检测电路设置于探测管的内侧。沿探测管的长度方向设置两对以上的感知探头对，当传感器插入到土壤中以测量土壤中的水分信息时，处于探测管上不同位置的感知探头对即处于土壤中不同的深度位置，从而采用一只传感器，通过一次测量即可同时获取同一地点不同深度位置的多个水分含量值。
具体地，由该传感器采集的水分信息由传感器的数据采集器采集后输送给云服务器保存以供用户调取查询。具体地，数据采集器包括A/D转换器、微处理器、存储单元和WIFI/GPRS输送单元。
在另一个具体的实施例中，为进一步提高后续分析的准确性，上述相邻测量节点之间的间距为10-25cm。
具体地，相邻测量节点之间的间距保持在合适的范围，在基于所获取的水分含量值构建预估模型以获取任意深度土壤的水分时，能够有效提供土壤垂直方向水分分布情况。
相邻测量节点之间的距离太大，在后续建立预估模型时，其会影响基于预估模型获取连续水分信息的准确度；相邻测量节点之间的距离太小，能够增加基于预估模型获取连续水分信息的准确度，但是会增加数据获取的操作复杂性和数据分析复杂度。
在另一个具体的实施例中，以所述每个测量节点所在位置对应的测量深度为节点，采用插值法构建所述预估模型；所述预估模型包含n-1个函数关系式，其中，n为节点的数量。
具体地，当在土壤垂直方向设置n个测量节点时，以各测量节点所在的位置为节点，即一个测量节点对应一个节点，将测量深度范围划分为n-1个测量深度区间。各测量深度区间均对应一个函数关系式，各函数关系式组成预估模型，以用于获取测量深度范围内任意一个测量深度对应位置的土壤水分信息。
具体地，当用户获取传感器通过数据采集器输送的土壤水分数据时，用户可通过在设置有预估模型的用户终端上直接输入所要查询的测量节点深度x，及测量时间，即可根据几个测量节点的数据，预测测量深度范围内任意深度位置的土壤水分信息。
具体地，各函数关系式采用插值法构建，其中的系数由所获取的水分含量值以及对应的边界条件获取。
在另一个具体的实施例中，预估模型采用插值法构建，通过插值法构建的预估模型可表述如下：
式中，x1、x2、x3、x4依次为测量节点所在位置对应的测量深度，a、b、c、a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3分别为预估模型的系数。
具体地，当所设置的测量节点为两个，对应所获取的水分含量值为两个时，其对应的预估模型可用下式表述：
式中，x1、x2依次为测量节点所在位置对应的测量深度，a、a1、a2、a3为预估模型的系数。
具体地，当所设置的测量节点为三个，对应所获取的水分含量值为三个时，其对应的预估模型可用下式表述：
式中，x1、x2、x3依次为测量节点所在位置对应的测量深度，a、b、c、a1、a2、a3、b1、b2、b3分别为预估模型的系数。
具体地，当所设置的测量节点为四个，对应所获取的水分含量值为四个时，其对应的预估模型可用下式表述：
式中，x1、x2、x3、x4依次为测量节点所在位置对应的测量深度，a、b、c、a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3为预估模型的系数。
以此类推，可以得到对应多个水分含量值时，所建立的预估模型。
以所设置的测量节点为四个为例，且相邻测量节点之间的间距均相同，设置为20cm，最上面一个测量节点距离地面的距离为20cm，则测量深度范围可以达到80cm。以计算土壤中水分含量的过程为例。
该四个测量节点对应获取四个水分含量值，即第一个测量节点对应获取20cm深度位置的水分含量值、第二个测量节点对应获取40cm深度位置的水分含量值、第三个测量节点对应获取60cm深度位置的水分含量值、第四个测量节点对应获取80cm深度位置的水分含量值。
通过该四个水分含量值，采用插值法的连续取值计算方法可表述如下：
其中，29.27为20cm深度位置的水分含量值，34.01为40cm深度位置的水分含量值，31.31为60cm深度位置的水分含量值。80cm深度位置的水分含量值为31.36。基于这四个水分含量值，采用三次样条差值法可以构造得到预估模型，表述为函数关系式(5)。
具体地，由公式(5)得到的土壤水分与深度关系参见3所示。以此类推，用不同时刻的土壤水分建立相应的预估模型，再将不同时刻测量得到的水分含量值，根据函数关系式(5)对不同深度位置的计算结果采用三维空间图表示，如图2所示。
参见图4所示，为更简便的实现上述测量方法，本发明还提供一种传感器，包括：探测管和感知探头对。感知探头对用于感知土壤中的水分信息，并将该水分信息输出至传感器的其他部分继续处理。感知探头对以环状结构套设于探测管的外壁上，并且，感知探头对至少有两对，分别沿探测管的长度方向套设于探测管的不同位置。
具体地，探测管为具有中空内腔的柱体结构，沿探测管的长度方向设置两对以上的感知探头对，当传感器插入到土壤中以测量土壤中的水分信息时，处于探测管上不同位置的感知探头对即处于土壤中不同的深度位置，从而通过一次测量即可同时获取同一地点不同深度位置的水分信息。
探测管上设置两对以上的感知探头对，能够简化数据获取过程；减少检测设备的数量或种类，测量方法简单。并且，由于感知探头对均套设于同一探测管上，当传感器插入到土壤中，多对感知探头对处于同一直线方向上，便于更准确获取土壤数据，以及对土壤信息的分析。
将传感器插入到待测地点的土壤中，传感器上的感知探头对均埋入到地面之下，使感知探头对与待测土壤能够充分接触，以感知土壤中的水分信息。
在实际测量过程中，传感器沿垂直方向插入到土壤中进行检测时，检测得到的数据更具代表性。即在此种情形下，传感器采集的是同一地点多个不同深度位置的土壤中水分的信息。
具体地，在实现测量方法的过程中，可以采用本发明该改进后的传感器进行测量，也可以通过设置同一直线方向的测量节点，然后采用不同的传感器以同时获取多个水分信息数据。但显然，采用本发明传感器进行测量时，将获取土壤垂直方向多个深度水分分布情况其测量过程大大简化，提高其测量效率和准确性。
具体地，采用该传感器进行检测时，只需一只传感器，在同一时间即能同时获取多个样本数据，不仅提高了检测效率，还能够提高检测的准确性，使数据分析更能反映实际土壤信息。通过改进后得到的传感器，采用本发明的一个传感器即能够同时获取不同深度的多个水分数据点值，即能够简化测量过程，又能够提高测量的准确性，避免多次操作造成的误差。
具体地，由该传感器采集的水分信息由传感器的数据采集器采集后输送给云服务器保存以供用户调取查询。具体地，数据采集器包括A/D转换器、微处理器、存储单元和WIFI/GPRS输送单元。
在另一个具体的实施例中，在探测管上设置四对感知探头对。四对感知探头对能够同时获取四个不同深度位置的水分和/或土壤信息，在此基础上其它各点的水分值由预估算法模型来计算得出。
通常传感器上感知探头对的数量越多，即相同测量深度范围内能够获取的水分含量值越多。此外，相同测量深度范围内由感知探头对所分成的测量深度区间越多，各测量节点越小，预估精度越高。
但是，传感器上设置的感知探头对过多，不仅会增加成本，还会使结构过于复杂，不利于传感器的测量。因此，合理的设置传感器上感知探头的数量，能够有效的提高传感器的检测效率、简化结构和降低成本。
在另一个具体的实施例中，在探测管上设置的感知探头对与感知探头对之间间隔一定距离，即感知探头对之间相互不接触节点距离适中以保证测量范围较大也保证预估精度。具体地，感知探头对之间保持一定距离，使每一对感知探头对能够独立的探测土壤中的水分信息，避免相互之间出现干扰。
可以理解的是，感知探头对之间的距离可以根据实际情况进行调整。根据所述测量位置的条件或探测管的材质等要求合理的设置感知探头对间的距离。
例如，可以将相邻感知探头对间的间距设置为10-25cm范围内。具体地，相邻感知探头对之间的间距越小，越利于后续的数据分析。但相邻感知探头对之间的间距过小，不仅会增加成本，还会增加传感器的构造复杂程度。
在另一个具体的实施例中，感知探头对包括两个金属感应环，两个金属感应环并列套设于探测管的外壁上，金属感应环的内端面与探测管的外壁壁面紧密接触，且两个金属感应环之间间隔一定距离。例如，两个金属感应环之间间隔1-2cm。具体地，金属感应环的外径可设置为40-50mm，金属感应环的宽可设置为15-25mm。
可以理解的是，套设于探测管上的多对感知探头对中的每一对感知探头对分别对应电连接一检测电路，也可以多对感知探头对分别与同一检测电路相连，以获取相应的土壤水分信息。根据测量需求，或技术的发展，可以采用目前常规的元器件，也可以采用多种不同的电路设置方式，只要能够达到土壤水分信息检测目的即可，以使采用了此种结构的传感器，其数据检测更准确、更高效。
在另一个具体的实施例中，探测管采用聚碳酸酯塑料管。聚碳酸酯塑料管具有电绝缘性能，从而使各感知探头对之间相互独立工作，不会出现电路故障。
在另一个具体的实施例中，传感器上的电源采用具有光伏太阳能板的蓄电池/备用电池，其能够实现充放电的过程。光伏太阳能板贴合于探测管上端的外壁表面，当传感器插入土壤进行检测时，探测管的上端位于土壤地面以上，不会埋入到土壤中，贴合于其表面的光伏太阳能板也位于传感器顶部，以充分利用太阳能。因此，在野外进行的实际测量过程中，能够充分利用太阳能以提供电能，支持传感器的长时间连续检测过程。
具体地，检测电路连接至数据采集器，数据采集器包括微处理器、A/D转换器、WIFI/GPRS输送单元以及存储单元。经感知探头对采集的数据由数据采集器获取后，经WIFI/GPRS输送单元发送至用户终端。
本发明的一种用于获取土壤多深度水分含量的传感器及方法，探测管上套设有至少两个感知探头对，能够同时测量同一地点不同深度位置的土壤水分信息。并且，基于感知探头对所获取的水分含量值，通过构建预估模型，能够获取测量深度范围内任意深度位置的水分信息。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于获取土壤垂直方向上多个测量节点水分含量的方法，其特征于，包括：
步骤S1、在测量深度范围内同时获取多个深度土壤的水分含量值，并以此构建预估模型；
步骤S2、基于所述预估模型，获取所述测量深度范围内任意深度土壤的水分。
2.如权利要求1所述的一种用于获取土壤垂直方向上多个测量节点水分含量的方法，其特征在于：所述水分含量值至少为两个。
3.如权利要求1或2所述的一种用于获取土壤垂直方向上多个测量节点水分含量的方法，其特征在于，步骤S1中多个深度土壤的水分含量值具体为：位于土壤表面以下同一直线方向上、且相间隔的多个测量节点的水分含量值。
4.如权利要求3所述的一种用于获取土壤垂直方向上多个测量节点水分含量的方法，其特征在于：所述水分含量值采用传感器采集；所述传感器包括用于感知土壤中水分信息的感知探头对，所述感知探头对至少有两对。
5.如权利要求4所述的一种用于获取土壤垂直方向上多个测量节点水分含量的方法，其特征在于：所述每个测量节点之间的间距为10-25cm。
6.如权利要求4所述的一种用于获取土壤垂直方向上多个测量节点水分含量的方法，其特征在于：
以所述每个测量节点所在位置对应的测量深度为节点，采用插值法构建所述预估模型；
所述预估模型包含n-1个函数关系式，其中，n为节点的数量。
7.如权利要求6所述的一种用于获取土壤垂直方向上多个测量节点水分含量的方法，其特征在于，所述预估模型具体为：
式中，x1、x2、x3、x4依次为测量节点所在位置对应的测量深度，a、b、c、a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3分别为预估模型的系数。
8.一种传感器，其特征在于，包括：套设于探测管的外壁外侧、用于感知土壤中水分信息的感知探头对，所述感知探头对至少有两对。
9.如权利要求8所述的传感器，其特征在于：所述感知探头对为四对。
10.如权利要求8所述的传感器，其特征在于：所述感知探头对对应连接有设置于所述探测管内侧的检测电路，所述检测电路包括由所述感知探头对形成的等效电容。
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