CN110487909B - 一种非侵入式土壤水分声波检测装置及方法 - Google Patents

一种非侵入式土壤水分声波检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非侵入式土壤水分声波检测装置及方法，装置包括声波激励及监测主机、底座支架、滑动固定装置以及换能器安装控制装置；所述声波激励及监测主机包括主控开关、触摸式显示屏、声波发射通道、声波接收通道以及红外感知端口；所述声波激励及监测主机还内置有激励及监测模块，所述激励及监测模块包括MCU主控模块、声波激励模块、红外感知模块、压力控制模块、显示模块以及电源模块；本发明的装置无需将声波探头埋入土层中，可以直接压在土壤表面进行检测，且红外温度探测器可实时获取检测温度，基于此可对检测结果进行温度修正，具有重复性好、实时性强及无损检测的特点。

Description

一种非侵入式土壤水分声波检测装置及方法
技术领域
本发明属于土壤水分检测的技术领域，具体涉及一种非侵入式土壤水分声波检测装置及方法。
背景技术
水分是土壤的一个重要组成部分,是农田灌溉管理、区域水文条件研究和流域水分平衡计算的重要参量，且土壤水分在地表与大气间的物质和能量交换中，起着极为重要的作用，是陆地地表参数化的一个关键变量。因此快速、准确、经济的获取土壤含水量信息，有利于研究和了解土壤水分动态变化规律和空间立体分布，对于适时做出科学的决策或采取合理的措施等具有重要意义。目前，土壤水分的测量方法主要有烘干称重法、中子法、时域反射法(TDR)、频域反射法(FDR)、和遥感法等,烘干称重法曾作为直接测量土壤质量含水量的唯一方法，在测量精度上有着其他方法无可比拟的优势，但检测出来的土壤水分信息缺乏时效性，中子法因存在辐射危害不能大面积推广，TDR与FDR基于土壤介电特性检测土壤水分受到土壤质地影响较大，检测结果不够精确，遥感法在大面积、多时相的土壤水分检测中表现出独特的优势，但检测结果易受到表面粗糙度、地表坡度和植被覆盖等影响，检测误差较大且检测设备昂贵。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种实时性好、工作效率高、成本低、且能够原位无损测量土壤水分的非侵入式土壤水分声波检测装置。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的一种非侵入式土壤水分声波检测装置，包括声波激励及监测主机、底座支架、滑动固定装置以及换能器安装控制装置，所述声波激励及监测主机设置在底座支架顶部，所述滑动固定装置设置在底座支架中部，所述换能器安装控制装置设置在滑动固定装置上；
所述声波激励及监测主机包括主控开关、触摸式显示屏、声波发射通道、声波接收通道以及红外感知端口，所述主控开关与所述触摸式显示屏安装在所述声波激励及监测主机顶面，其中所述主控开关安装在所述触摸式显示屏上；所述声波发射通道与所述红外感知端口设置在所述声波激励及监测主机右侧面；所述声波接收通道设置在所述声波激励及监测主机左侧面；声波激励及监测主机通过螺栓固定在底座支架上方；所述声波激励及监测主机还内置有激励及监测模块，所述激励及监测模块包括MCU主控模块、声波激励模块、红外感知模块、压力控制模块、显示模块以及电源模块，所述声波激励模块、红外感知模块、压力控制模块、显示模块以及电源模块均与MCU主控模块连接；
所述MCU主控模块，用于接收所述声波激励模块的模拟声波信号并转换为数字信号显示在所述显示模块；用于接收所述红外感知模块采集到的温度信息并将其用于土壤含水量声速模型修正；用于所述控制压力控制模块对压力值进行采集；用于控制所述显示模块对声波信号、温度及所测量土壤含水量值的显示；用于控制电源模块的正常供电；
所述声波激励模块，用于激励声波探头发射声波信号穿过土壤并在另一端接收声波信号将模拟声波信号发送给所述MCU主控模块；
所述红外感知模块，用于通过控制所述微型温度探头采集检测环境的温度并记录采集到的温度数据发送到所述MCU主控模块用于土壤含水量声速模型的修正；
所述压力控制模块，用于通过所述薄膜压力传感器采集到的压力值控制所述螺杆对换能器安装盒下降高度的调节；
所述显示模块，用于显示所述声波激励模块采集到的声波波形信息、所述红外感知模块检测到的温度，所述压力控制模块检测到的压力值。
作为优选的技术方案，所述底座支架包括四个竖直支撑杆和两个横向支撑板，其中在横向支撑板两侧开有滑动固定装置安装孔。
作为优选的技术方案，所述滑动固定装置包括左滑动杆、右滑动杆、左右固定旋钮，换能器安装板、换能器安装孔、清洁刀安装板、清洁刀滑动板扶手以及清洁刀，所述左右固定旋钮分别通过松紧弹簧安装于左滑动杆和右滑动杆，所述换能器安装板和清洁刀安装板通过滚珠轴承与左滑动杆和右滑动杆连接。
作为优选的技术方案，还包括微型温度探头，所述微型温度探头安装在换能器安装板上。
作为优选的技术方案，所述换能器安装控制装置包括螺杆、螺栓固定法兰、换能器安装盒、薄膜压力传感器以及距离探测头，所述螺杆穿过换能器安装孔并通过螺栓固定法兰与换能器安装盒连接，所述换能器安装在换能器安装盒内，所述薄膜压力传感器安装在所述换能器安装盒底端。
本发明还提供了一种非侵入式土壤水分声波检测装置的检测方法，包括下述步骤：
分别取不同质地的土壤样本，根据农田实测紧实度分别将土样压实，测定压实后土样容重，分别对不同质地的土样加水，配制不同梯度的含水量样本，密封保存设定时间，使土样充分湿润；
采用所述的非侵入式土壤水分声波检测装置将声波探头分别放置到土样表面，对不同含水量的土样进行声波测试，获取土壤含水量与声波速度及主频率相位关系数据，建立土壤含水量与声波速度间的含水量声速模型，并利用声波主频率相位与土壤温度间的关系对含水量声速模型进行修正；
将建立的含水量声速模型输入到声波激励及监测主机，对农田实际土壤进行声波检测，获得与土壤含水量信息相关声波速度及主频率相位信息，结合含水量声速模型获得土壤含水量信息。
作为优选的技术方案，所述含水量声速模型的建立方法为：
首先获取不同含水量土样的声速信息，将含水量与声速信息分为训练集与验证集，利用神经网络技术建立含水量与声速间的关系模型；
然后将各含水量的土壤样本分别放置到不同的温度梯度下进行声波检测获取测量温度对所建立数值模型的影响程度，利用时频分析方法对所获取的声波信息进行分析得到温度对声波主频相位的影响关系，利用因子分析法得出检测温度对声波主频相位的影响度，进而对土壤水分-声速模型进行修正；
建立环境适应能力较强的土壤水分-声速的反演模型。
作为优选的技术方案，密封保存设定时间为24小时。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明是利用声速及声波主频相位双参数来反演修正土壤含水量模型，具有计算速度快，容错能力强的特点。
(2)本发明的装置无需将声波探头埋入土层中，可以直接压在土壤表面进行检测，且红外温度探测器可实时获取检测温度，并基于此可对检测结果温度进行修正，具有重复性好、实时性强及无损检测的特点。
本发明的原理是：声波作为一种良好的信息载体，穿过土壤介质时与土壤相互作用，在接收波中携带了许多与土壤基本物理参数相关的信息，这些信息可综合反映到声波速度，主频相位上，而不同土壤含水量的土壤，孔隙结构、颗粒联结力及粘滞性均不相同。因此根据这些声波参数变化可以反演得到土壤含水量，从而能够无损、快速、简便的获取土壤含水量信息。
附图说明
图1为本发明非侵入式土壤水分声波检测装置的正视图；
图2为本发明非侵入式土壤水分声波检测装置的结构示意图；
图3为本发明非侵入式土壤水分声波检测装置的操作示意图；
图4为本发明声波激励及监测主机模块结构示意图。
附图标号说明：1、声波激励及监测主机；2、底座支架；3、滑动固定装置；4、换能器安装控制装置；5、主控开关；6、触摸式显示屏；7、声波发射通道；8、声波接收通道；9、红外感知端口；10、四个竖直支撑杆；11、两个横向支撑板；12、滑动固定装置安装孔；13、左滑动杆；14、右滑动杆；15、左右固定旋钮；16、换能器安装板；17、微型温度探头；18、换能器安装孔；19、清洁刀安装板；20、清洁刀滑动板扶手；21、清洁刀；22、螺杆；23、螺栓固定法兰；24、换能器安装盒；25、薄膜压力传感器；26、距离探测头。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1、如图2所示，本实施例的一种非侵入式土壤水分声波检测装置，包括声波激励及监测主机1、底座支架2、滑动固定装置3、换能器安装控制装置4、主控开关5、触摸式显示屏6、声波发射通道7、声波接收通道8、红外感知端口、四个竖直支撑杆10、两个横向支撑板11、滑动固定装置安装12、左滑动杆13、右滑动14、左右固定旋钮15、换能器安装16、微型温度探头安装孔17、换能器安装孔18、清洁刀安装19、清洁刀滑动板扶手20、清洁刀21、螺杆22、螺栓固定法兰23、换能器安装盒24、薄膜压力传感器25以及距离探测头26。
所述声波激励及监测主机1通过螺栓固定在所述底座支架2顶端；所述左滑动杆13,和右滑动杆14，通过配合装配穿过所述固定装置安装孔12，所述左右固定旋钮15通过松紧弹簧固定在所述左滑动杆13,和右滑动杆14上，所述换能器安装板16与所述清洁刀安装板19通过滚珠轴承安装在所述左滑动杆13,和右滑动杆14上，所述换能器安装盒24通过所述螺栓固定法兰23与所述螺杆22连接，所述螺杆22穿过所述换能器安装孔18将所述换能器安装盒24安装在所述换能器安装板16，所述清洁刀21通过固定旋压弹簧安装在所述清洁刀安装板19。
如图3所示，操作时，首先通过所述清洁刀滑动板扶手20带动所述清洁刀21将地面杂物清除，其次将换能器安装在所述换能器安装盒24，打开所述主控开关5，将声波接收线缆L1与发射线缆L2和所述声波接收通道8与声波发射通道7连接，之后通过调节所述螺栓22将安装在所述换能器安装盒24中的所述换能器贴紧地面当压力值达到所述声波激励及监测主机1中压力控制模块设定的压力指时停止，通过所述触摸式显示屏6控制声波脉冲发射对土壤进行水分检测。
如图4所示，所述声波激励及监测主机1中MCU主控模块通过控制所述声波激励模块发射脉冲激励声波发射探头发射声波经过土壤后被声波接收探头接收，同时MCU主控模块控制红外感知模块通过微型温度探头检测被测量土壤温度，采集到的声波信息后MCU主控模块对声波信息进行计算通过所建立的土壤含水量-声速模型结合实时温度修正获得土壤含水量信息。
本实施例非侵入式土壤水分声波检测方法，包括下述步骤：
(1)分别取不同质地的土壤样本，根据农田实测紧实度分别将土样压实，测定压实后土样容重，被别对不同质地的土样加水，配制不同梯度的含水量样本，密封保存24小时，使土样充分湿润。
(2)采用所述的非侵入式土壤水分声波检测装置将声波探头分别放置到土样表面，对不同含水量的土样进行声波测试，获取土壤含水量与声波速度及主频率相位关系数据，建立土壤含水量与声波速度间的含水量声速模型，并利用声波主频率相位与含水量间的关系对含水量声速模型进行修正。
所述步骤(2)中声波数值模型的具体建立步骤为：首先获取不同含水量土样的声速信息，将含水量与声速信息分为训练集与验证集，利用神经网络技术建立含水量与声速间的关系模型，然后将各含水量的土壤样本分别放置到不同的温度梯度下进行声波检测获取测量温度对所建立含水量声速模型的影响程度，利用时频分析方法对所获取的声波信息进行分析得到温度对声波主频相位的影响关系，利用知识发现工具建立声波主频相位与温度的关系模型，进而对含水量声速模型模型进行修正。建立环境适应能力较强的土壤水分-声速的反演模型。
(3)将建立的检测数值模型输入到声波激励及监测主机，对农田实际土壤进行检测获得声波速度及主频率相位信息，通过土壤水分-声速反演模型获得土壤含水量信息。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种非侵入式土壤水分声波检测装置的检测方法，其特征在于，所述非侵入式土壤水分声波检测装置包括声波激励及监测主机（1）、底座支架（2）、滑动固定装置（3）以及换能器安装控制装置（4），所述声波激励及监测主机（1）设置在底座支架（2）顶部，所述滑动固定装置（3）设置在底座支架（2）中部，所述换能器安装控制装置（4）设置在滑动固定装置（3）上；所述声波激励及监测主机（1）包括主控开关（5）、触摸式显示屏（6）、声波发射通道（7）、声波接收通道（8）以及红外感知端口（9），所述主控开关（5）与所述触摸式显示屏（6）安装在所述声波激励及监测主机（1）顶面，其中所述主控开关（5）安装在所述触摸式显示屏（6）上；所述声波发射通道（7）与所述红外感知端口（9）设置在所述声波激励及监测主机（1）右侧面；所述声波接收通道（8）设置在所述声波激励及监测主机（1）左侧面；声波激励及监测主机（1）通过螺栓固定在底座支架上方；所述声波激励及监测主机（1）还内置有激励及监测模块，所述激励及监测模块包括MCU主控模块、声波激励模块、红外感知模块、压力控制模块、显示模块以及电源模块，所述声波激励模块、红外感知模块、压力控制模块、显示模块以及电源模块均与MCU主控模块连接；
所述滑动固定装置（3）包括微型温度探头（17），所述微型温度探头（17）安装在换能器安装板（16）上；
所述换能器安装控制装置（4）包括螺杆（22）、螺栓固定法兰（23）、换能器安装盒（24）、薄膜压力传感器（25）以及距离探测头（26），所述螺杆（22）穿过换能器安装孔（18）并通过螺栓固定法兰（23）与换能器安装盒（24）连接，所述换能器安装在换能器安装盒（24）内，所述薄膜压力传感器（25）安装在所述换能器安装盒（24）底端；
所述MCU主控模块，用于接收所述声波激励模块的模拟声波信号并转换为数字信号显示在所述显示模块；用于接收所述红外感知模块采集到的温度信息并将其用于土壤含水量声速模型修正；用于控制压力控制模块对压力值进行采集；用于控制所述显示模块对声波信号、温度及所测量土壤含水量值的显示；用于控制电源模块的正常供电；
所述声波激励模块，用于激励声波探头发射声波信号穿过土壤并在另一端接收声波信号将模拟声波信号发送给所述MCU主控模块；
所述红外感知模块，用于通过控制所述微型温度探头（17）采集检测环境的温度并记录采集到的温度数据发送到所述MCU主控模块用于土壤含水量声速模型的修正；
所述压力控制模块，用于通过所述薄膜压力传感器(25)采集到的压力值控制所述螺杆（22）对换能器安装盒下降高度的调节；
所述显示模块，用于显示所述声波激励模块采集到的声波波形信息、所述红外感知模块检测到的温度、所述压力控制模块检测到的压力值；
该检测方法包括下述步骤：
分别取不同质地的土壤样本，根据农田实测紧实度分别将土样压实，测定压实后土样容重，分别对不同质地的土样加水，配制不同梯度的含水量样本，密封保存设定时间，使土样充分湿润；
采用所述非侵入式土壤水分声波检测装置将声波探头分别放置到土样表面，对不同含水量的土样进行声波测试，获取土壤含水量与声波速度及主频率相位关系数据，建立土壤含水量与声波速度间的含水量声速模型，并利用声波主频率相位与土壤温度间的关系对含水量声速模型进行修正；
将建立的含水量声速模型输入到声波激励及监测主机，对农田实际土壤进行声波检测，获得与土壤含水量信息相关声波速度及主频率相位信息，结合含水量声速模型获得土壤含水量信息；
所述含水量声速模型的建立方法为：
首先获取不同含水量土样的声速信息，将含水量与声速信息分为训练集与验证集，利用神经网络技术建立含水量与声速间的关系模型；
然后将各含水量的土壤样本分别放置到不同的温度梯度下进行声波检测获取测量温度对所建立数值模型的影响程度，利用时频分析方法对所获取的声波信息进行分析得到温度对声波主频相位的影响关系，利用因子分析法得出检测温度对声波主频相位的影响度，进而对土壤水分-声速模型进行修正；
建立环境适应能力较强的土壤水分-声速的反演模型。
2.根据权利要求1所述非侵入式土壤水分声波检测装置的检测方法，其特征在于，密封保存设定时间为24小时。
3.根据权利要求1所述非侵入式土壤水分声波检测装置的检测方法，其特征在于，所述底座支架（2）包括四个竖直支撑杆（10）和两个横向支撑板（11），其中在横向支撑板（11）两侧开有滑动固定装置安装孔（12）。
4.根据权利要求1所述非侵入式土壤水分声波检测装置的检测方法，其特征在于，所述滑动固定装置（3）包括左滑动杆（13）、右滑动杆（14）、左右固定旋钮（15），换能器安装板（16）、换能器安装孔（18）、清洁刀安装板（19）、清洁刀滑动板扶手（20）以及清洁刀（21），所述左右固定旋钮（15）分别通过松紧弹簧安装于左滑动杆（13）和右滑动杆（14），所述换能器安装板（16）和清洁刀安装板（19）通过滚珠轴承与左滑动杆（13）和右滑动杆（14）连接。
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