CN110108659A - 一种基于近红外反射式土壤湿度测量装置及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于近红外反射式土壤湿度测量装置及其检测方法。烘干法最为简单直观，且测量结果准确，是国际上沿用的标准方法，但不能实现原位测定，采样费时费力干扰土壤含水率的连续性，给测定工作带来不便。本发明一种基于近红外反射式土壤湿度测量装置，包括装置壳体、检测光源、参考光源和红外传感器。所述的壳体呈碗状。红外传感器设置在壳体上，且朝向壳体内。c个检测光源、d个参考光源均固定在壳体上。c个检测光源、d个参考光源均朝向壳体的开口端。本发明通过检测光源和参照光源相对比，能够有效提高对土壤湿度的测量准确度。
Description
技术领域
本发明属于土壤湿度检测技术领域，具体涉及一种基于近红外反射式土壤湿度测量装置。
背景技术
水分是土壤的最重要组成部分之一，土壤含水量的高低直接影响着土壤质量的好坏。土壤含水率是最基本的水文状态变量，在植物的生长、农业生产、土壤生化作用、水资源保护、土壤侵蚀和干旱区土地管理中起着重要的作用。目前，国内外相关研究人员提出了大量的土壤含水率测量方法，大致可分为3类：取样、定位和遥感。常用的方法有重量法、中子法、介电常数法包括频域反射法(FDR)和时域反射法(TDR)、γ射线法、热学法、遥感监测等。不同的土壤含水率测量技术都存着相对的优点和缺点，在测量的过程中都存在一定的局限性，受测试区域土壤类型和区域环境特点的影响。其中烘干法最为简单直观，且测量结果准确，是国际上沿用的标准方法，但不能实现原位测定，采样费时费力干扰土壤含水率的连续性，给测定工作带来不便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于近红外反射式土壤湿度测量装置。
本发明一种基于近红外反射式土壤湿度测量装置，包括装置壳体、检测光源、参考光源和红外传感器。所述的壳体呈碗状。红外传感器设置在壳体上，且朝向壳体内。c个检测光源、d个参考光源均固定在壳体上。c个检测光源、d个参考光源均朝向壳体的开口端。
进一步地，本发明一种基于近红外反射式土壤湿度测量装置还包括控制电路。所述的控制电路包括光源控制电路、控制器和存储器；c个检测光源、d个参考光源的控制接口分别通过光源控制电路与控制器的光源控制接口连接。红外传感器的信号输出接口与控制器的信号输入接口连接。存储器的通信接口与控制器的通信接口连接。
进一步地，所述的红外传感器、c个检测光源、d个参考光源的中心轴线交于同一点，且该交点在壳体的基准面上。壳体的基准面即为壳体的开口端端面。c个检测光源、d个参考光源且沿红外传感器检测头中心轴线的周向均布。
进一步地，所述壳体的侧壁上设有一个锥度为1:1的圆台面。c个检测光源、d个参考光源均位于该圆台面处。
进一步地，各检测光源、参考光源的中心轴线与红外传感器中心轴线的夹角均为45°。
进一步地，c＝d。c个检测光源、d个参考光源沿着红外传感器检测头中心轴线的周向依次交替排列。
进一步地，所述的检测光源及参考光源均采用基于InGaAs型光电二极管。检测光源的发光波长为1450nm。参考光源的发光波长为1300nm。红外传感器采用DLATGS探测器。
该基于近红外反射式土壤湿度测量装置的检测方法具体如下：
步骤一、将壳体倒扣在被测土壤上。
步骤二、参照光源、检测光源分别在不同时间点照射土壤；红外传感器接收经土壤反射后的光，得到检测光源照射时红外传感器接收到的反射光强X和参照光源照射时红外传感器接收到的反射光强X′。
步骤三、根据X、X′计算相对吸收深度
步骤四、将相对吸收深度X*代入检测数值模型Y＝aX*+b中；得到被检测土壤的湿度值Y。其中，a为第一模型参数，b为第二模型参数，其值通过标定得到。
进一步地，通过标定确定第一模型参数a和第二模型参数b的方法如下：
1)通过前述步骤一和二中的方法分别测试n份湿度值已知且不同的试验土壤，n≥2，得到n个光强数对(Xi,Xi′)，i＝1,2,…,n。Xi为检测光源照射第i份试验土壤时所得的反射光强；Xi′为参照光源照射第i份试验土壤时所得的反射光强。
2)分别计算n个光强数对的相对吸收深度
3)根据n份试验土壤的相对吸收深度和湿度值Yi；建立n条模型方程并根据n条模型方程求出a、b。
进一步地，求出a、b的方法如下：
①.用n条模型方程中任意二条组成待解方程组；通过排列组合，得到个待解方程组。
②.分别联立个待解方程组内的方程，接出组a、b。
③.对第②步中求得的个a取平均值，得到最终的第一模型参数a；对第②步求得的个b取平均值，得到最终的第二模型参数b。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明通过检测光源和参照光源相对比，能够有效提高对土壤湿度的测量准确度。
2、本发明的光源采用基于InGaAs型的光电二极管，由于基于InGaAs型的光电二极管体积小，耗能少，寿命长，响应速度快，因此本发明土壤湿度的测量装置的稳定性良好。
3、本发明的红外传感器采用DLATGS探测器，由于DLATGS探测器具有快速的响应时间，因此本发明能够快速、准确的完成土壤湿度的测量；同时由于采用的红外传感器只接收光源波段的近红外光，因此不受自然光线的影响。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的俯视示意图；
图3为本发明中控制电路的系统框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和2所示，一种基于近红外反射式土壤湿度测量装置，包括装置壳体1、检测光源2-1、参考光源2-2、红外传感器3和控制电路。检测光源2-1及参考光源2-2均采用基于InGaAs型光电二极管，其性能参数为：直径5.4mm，最大脉冲模式电流1A，最大连续模式电流80mA，工作电压1V。检测光源2-1的发光波长为1450nm。参考光源2-2的发光波长为1300nm。红外传感器采用DLATGS探测器，其能够检测环境中红外光的强度，性能参数为：敏感区域大小2×2mm，探测光谱范围0.15-12.5μm，工作电压8-10V，最大供电电压25V；上述性能参数的探测器对1450nm和1300nm波段的光具有很强的感应特性。
壳体1呈碗状。红外传感器3设置在壳体1顶部的中心位置，且朝向壳体1的开口端。壳体1的侧壁上设有一个锥度为1:1的圆台面。四个检测光源2-1、四个参考光源2-2均固定在壳体1的圆台面处，且沿红外传感器3检测头中心轴线的周向均布。四个检测光源2-1、四个参考光源2-2沿着红外传感器3检测头中心轴线的周向依次交替排列(即任意两个相邻的参考光源2-2之间均有一个检测光源)。四个检测光源2-1、四个参考光源2-2均朝向壳体1的开口端。红外传感器3、四个检测光源2-1、四个参考光源2-2的中心轴线交于同一点，且该交点在壳体1的基准面上。壳体1的基准面即为壳体的开口端端面。各检测光源2-1、参考光源2-2的中心轴线与红外传感器3中心轴线的夹角均为45°。
如图3所示，控制电路包括光源控制电路4、控制器5和存储器6；四个检测光源2-1、四个参考光源2-2的控制接口分别通过光源控制电路4与控制器5的光源控制接口连接。光源控制电路4用于对检测光源2-1或参考光源2-2的开启、关闭进行控制，其属于现有技术，在此不作赘述。红外传感器3的信号输出接口与控制器5的信号输入接口(具有数模转换功能的接口)连接。存储器6的通信接口与控制器的通信接口连接。控制器5采用单片机。
该基于近红外反射式土壤湿度测量装置的检测方法具体如下：
步骤一、将壳体倒扣在平坦的被测土壤7上。
步骤二、控制器5通过光源控制电路4控制参照光源、检测光源分别在不同时间点照射土壤；红外传感器接收经土壤反射后的光，并转换为电信号传输给控制器。控制器经过自带的模数转换功能得到检测光源照射时红外传感器接收到的反射光强X和参照光源照射时红外传感器接收到的反射光强X′。控制器将检测到两个反射光强发送给储存器保存。
步骤三、将X与X′用参照光源的反射光强归一化处理，得到相对吸收深度
步骤四、将相对吸收深度X*代入检测数值模型Y＝aX*+b中；得到被检测土壤的湿度值Y。其中，a为第一模型参数，b为第二模型参数，其值通过标定得到。
通过标定确定第一模型参数a和第二模型参数b的方法如下：
1)通过前述步骤一和二中的方法分别测试n份湿度值已知且不同的试验土壤，n≥2，得到n个光强数对(Xi,Xi′)，i＝1,2,…,n。Xi为检测光源照射第i份试验土壤时所得的反射光强；Xi′为参照光源照射第i份试验土壤时所得的反射光强。
2)分别计算n个光强数对的相对吸收深度
3)根据n份试验土壤的相对吸收深度和湿度值Yi；建立n条模型方程并根据n条模型方程求出a、b。求出a、b的方法如下：
①.用n条模型方程中任意二条组成待解方程组；通过排列组合，得到(即)个待解方程组；任意两个待解方程组内的两条方程不完全相同。
②.分别联立个待解方程组内的方程，接出组a、b。
③.对第②步中求得的个a取平均值，得到最终的第一模型参数a；对第②步求得的个b取平均值，得到最终的第二模型参数b。
Claims (10)
1.一种基于近红外反射式土壤湿度测量装置，包括装置壳体；其特征在于：还包括检测光源、参考光源和红外传感器；所述的壳体呈碗状；红外传感器设置在壳体上，且朝向壳体内；c个检测光源、d个参考光源均固定在壳体上；c个检测光源、d个参考光源均朝向壳体的开口端。
2.根据权利要求1所述的一种基于近红外反射式土壤湿度测量装置，其特征在于：还包括控制电路；所述的控制电路包括光源控制电路、控制器和存储器；c个检测光源、d个参考光源的控制接口分别通过光源控制电路与控制器的光源控制接口连接；红外传感器的信号输出接口与控制器的信号输入接口连接；存储器的通信接口与控制器的通信接口连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于近红外反射式土壤湿度测量装置，其特征在于：所述的红外传感器、c个检测光源、d个参考光源的中心轴线交于同一点，且该交点在壳体的基准面上；壳体的基准面即为壳体的开口端端面；c个检测光源、d个参考光源且沿红外传感器检测头中心轴线的周向均布。
4.根据权利要求1所述的一种基于近红外反射式土壤湿度测量装置，其特征在于：所述壳体的侧壁上设有一个锥度为1:1的圆台面；c个检测光源、d个参考光源均位于该圆台面处。
5.根据权利要求1所述的一种基于近红外反射式土壤湿度测量装置，其特征在于：各检测光源、参考光源的中心轴线与红外传感器中心轴线的夹角均为45°。
6.根据权利要求1所述的一种基于近红外反射式土壤湿度测量装置，其特征在于：c＝d；c个检测光源、d个参考光源沿着红外传感器检测头中心轴线的周向依次交替排列。
7.根据权利要求1所述的一种基于近红外反射式土壤湿度测量装置，其特征在于：所述的检测光源及参考光源均采用基于InGaAs型光电二极管；检测光源的发光波长为1450nm；参考光源的发光波长为1300nm；红外传感器采用DLATGS探测器。
8.如权利要求1所述的一种基于近红外反射式土壤湿度测量装置的检测方法，其特征在于：步骤一、将壳体倒扣在被测土壤上；
步骤二、参照光源、检测光源分别在不同时间点照射土壤；红外传感器接收经土壤反射后的光，得到检测光源照射时红外传感器接收到的反射光强X和参照光源照射时红外传感器接收到的反射光强X′；
步骤三、根据X、X′计算相对吸收深度
步骤四、将相对吸收深度X*代入检测数值模型Y＝aX*+b中；得到被检测土壤的湿度值Y；其中，a为第一模型参数，b为第二模型参数，其值通过标定得到。
9.根据权利要求8所述的一种基于近红外反射式土壤湿度测量装置的检测方法，其特征在于：通过标定确定第一模型参数a和第二模型参数b的方法如下：
1)通过前述步骤一和二中的方法分别测试n份湿度值已知且不同的试验土壤，n≥2，得到n个光强数对(Xi,X′i)，i＝1,2,…,n；Xi为检测光源照射第i份试验土壤时所得的反射光强；X′i为参照光源照射第i份试验土壤时所得的反射光强；
2)分别计算n个光强数对的相对吸收深度
3)根据n份试验土壤的相对吸收深度和湿度值Yi；建立n条模型方程并根据n条模型方程求出a、b。
10.根据权利要求9所述的一种基于近红外反射式土壤湿度测量装置的检测方法，其特征在于：求出a、b的方法如下：
①.用n条模型方程中任意二条组成待解方程组；通过排列组合，得到个待解方程组；
②.分别联立个待解方程组内的方程，接出组a、b；
③.对第②步中求得的个a取平均值，得到最终的第一模型参数a；对第②步求得的个b取平均值，得到最终的第二模型参数b。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190809 |