CN110749630A - 一种土壤剖面含水量自动连续检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种土壤剖面含水量自动连续检测装置及方法，包括检测套管与检测仪器；检测套管套在检测仪器外；检测仪器包括塞盖、底座、自动伸缩套管、绝缘连接杆、探头和控制单元；塞盖下部固定设有底座，底座下部设有自动伸缩套管，自动伸缩套管下部连接有绝缘连接杆，绝缘连接杆下部设有探头；控制单元分别与自动伸缩套管和探头连接。本发明基于电场边缘效应的检测套管集成度高，内置可以移动的检测电极，实现对土壤不同深度含水量自动检测；检测装置体积小，便于携带，检测套管与土壤紧密接触，对土壤及作物扰动小；检测套管外表面制作螺纹，便于人工或者借助电动工具自动插入土壤中，不需要预埋，即插即用，使用方便，节省人力。

Description

一种土壤剖面含水量自动连续检测装置及方法

技术领域

本发明属于土壤含水量检测技术领域，具体是涉及一种土壤剖面含水量自动连续检测装置及方法，主要用于对土壤剖面不同深度水分多层自动检测。

背景技术

土壤水分随时间和空间的变化而变化，在不同土壤类型下土壤水分的分布特征、动态变化以及相互循环机理也具有显著差别。而实时、准确地测量土壤剖面不同深度的含水量不仅能更好的了解土壤水分的剖面特征，而且对更好的掌握不同根系作物的需水规律，实施精准灌溉及提高生产效益具有重要的意义。

土壤剖面水分的检测方法主要有烘干法，通过钻土取样烘干称重来测量不同深度的土壤水分，烘干法测量精度高，缺点是费时费力且破坏观测场地；中子仪法，将中子仪探头放入装有观测样品的测管中，逐层测定土壤剖面水分，缺点是中子仪法存在辐射危险；介电法，利用高频段或微波段的土壤介电特性来测量土壤水分，具有快速、灵敏度高、受土壤理化特性干扰小等优点，常见的有驻波率法、电容法。驻波率法，在高频信号源作用下，双圆环探头呈容抗特性，当土壤含水量变化，土壤介电常数也随之变化，通过测量探头的阻抗变化实现土壤含水量的测量；电容法，基于高频电磁边缘场效应，传感器探头作为高频振荡器并联LC谐振回路的电容元件，土壤为其电介质，介电常数主要取决于土壤水分，通过测量谐振频率变化，实现土壤含水量的测量。

对于土壤剖面含水量检测，近几年来国内外学者也开展了相关研究。如专利201610194101.6一种适用不同土壤深度的土壤水分检测仪，公开了一种将间距相同、长度不等的探针并排组合而成的检测仪器，但是多根探针需要多个独立的检测电路，难以保证各检测电路输出信号的一致性，所以检测信号精度较低；又如专利201610105404.6农田土壤垂直剖面水分测量方法及装置和201810585339.0一种土壤水分检测系统，均公开了一种多层级土壤剖面水分检测装置，虽然在检测方法和电路结构上进行了优化，但均只能检测固定几个深度的含水量，且前者需要提前埋设套管，工作量大、对土壤扰动大。

因此如何通过较少的敏感元件，更方便、准确的实现土壤剖面水分多层检测，是现在土壤水分检测研究中急需解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术中土壤剖面含水量检测仪器只能检测固定几个深度，检测套管不能即插即用，多个检测信号输出不一致引起的精度低等缺点，提供了一种结构简单的土壤剖面含水量自动连续检测装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种土壤剖面含水量自动连续检测装置，包括检测套管与检测仪器；

所述检测套管套在检测仪器外；所述检测套管表面设有外螺纹，底部为锥形头；

所述检测仪器包括塞盖、底座、自动伸缩套管、绝缘连接杆、探头和控制单元；所述塞盖下部固定设有底座，所述底座下部设有自动伸缩套管，所述自动伸缩套管下部连接有绝缘连接杆，所述绝缘连接杆下部设有探头；所述自动伸缩套管包括外壳、步进电机、限位开关、丝杠螺母、丝杠螺杆、伸缩杆和支撑座；所述外壳内上部和下部均设有限位开关，底部设有支撑座，所述支撑座底部设有开口，所述外壳顶部设有步进电机，所述步进电机下部设有丝杠螺杆，所述丝杆螺杆上套有丝杆螺母，所述伸缩杆的一端与丝杆螺母连接，另一端穿过支撑座底部的开口与绝缘连接杆连接；

所述控制单元分别与步进电机、限位开关和探头连接。

上述方案中，所述检测套管表面设有外螺纹，底部为锥形头。

上述方案中，所述检测套管顶部与检测仪器顶部可拆卸连接。

进一步的，所述检测套管顶部圆周设有若干凸耳；所述塞盖圆周设有若干卡扣，所述卡扣上设有通孔；所述凸耳能够卡在通孔内。

上述方案中，所述控制单元设置在塞盖内；

所述控制单元包括电池、单片机和存储卡；

所述塞盖设有一号开关、二号开关和插槽；所述一号开关和二号开关分别与自动伸缩套管8连接；所述存储卡安装在插槽内；

所述单片机分别与自动伸缩套管和存储卡连接；

所述电池分别与一号开关、二号开关、单片机、自动伸缩套管和探头连接。

进一步的，所述控制单元还包括无线模块；所述无线模块与单片机连接。

进一步的，所述塞盖顶部还设有急停按钮；

所述急停按钮分别与自动伸缩套管和电池连接。

上述方案中，所述探头包括激励电极和感应电极。

一种所述土壤剖面含水量自动连续检测装置的检测方法，包括以下步骤：

将所述检测套管旋入待测土壤指定深度位置；

通过所述控制单元控制检测仪器的自动伸缩套管带动探头匀速垂直向下运动；

所述探头按照在控制单元预设的下降位移量△X、检测时间T与检测次数N进行土壤水分检测，探头在检测套管内垂直移动一次位移量△X，自动伸缩套管停转，探头开始检测，检测时间为T；

所述探头每检测完一次，将探头已移动次数Ni、对应土壤水分信息和深度信息及时反馈给控制单元的单片机，并存储在存储卡中，最终完成探头在检测套管内N个位置土壤水分自动连续检测；

检测完毕时，通过所述控制单元控制自动伸缩套管带动探头向上运动回到初始位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于电场边缘效应的检测套管集成度高，内置可以移动的检测电极，实现对土壤不同深度含水量自动检测；检测装置体积小，便于携带，检测套管与土壤紧密接触，对土壤及作物扰动小；通过控制电机旋转圈数来控制伸缩杆伸缩长度，实现探头深度检测与调整控制；检测套管外表面制作螺纹，便于人工或者借助电动工具自动插入土壤中，不需要预埋，即插即用，使用方便，节省人力。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明检测装置结构示意图；

图2是本发明检测仪器结构示意图；

图3是本发明伸缩套管内部结构示意图；

图4是本发明探头在土壤中初始位置剖面图；

图5是本发明检测装置在土壤中检测剖面图。

图中：1、检测套管；2检测仪器；3、螺纹；4、凸耳；5、锥形头；6、塞盖；7、底座；8、自动伸缩套管；9、绝缘连接杆；10、探头；11、一号开关；12、二号开关；13、急停按钮；14、插槽；15、卡扣；16、通孔；17、微型步进电机；18、激励电极；19、感应电极；20、待测土壤；21、椭球型辐射电场；22、限位开关；23、丝杠螺母；24、丝杠螺杆；25、伸缩杆；26、支撑座。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1所示为本发明所述土壤剖面含水量自动连续检测装置的一种较佳实施方式，所述土壤剖面含水量自动连续检测装置包括检测套管1与检测仪器2。所述检测套管1套在检测仪器2外；所述检测套管1表面设有外螺纹3，底部为锥形头5。表面外螺纹3方便检测套管1旋入，能够减少对土壤的扰动并增加与土体接触，底部锥形头5能够减少检测套管1旋入土壤的阻力。所述土壤剖面含水量自动连续检测装置能够实现一定深度范围内，土壤含水量的自动连续分层检测。

如图2所示，所述检测仪器2包括塞盖6、底座7、自动伸缩套管8、绝缘连接杆9、探头10和控制单元；所述塞盖6下部固定设有底座7，所述底座7下部设有自动伸缩套管8，所述自动伸缩套管8下部连接有绝缘连接杆9，所述绝缘连接杆9下部设有探头10。

如图3所示，所述自动伸缩套管8包括外壳、步进电机17、限位开关22、丝杠螺母23、丝杠螺杆24、伸缩杆25和支撑座26；所述外壳内上部和下部均设有限位开关22，底部设有支撑座26，所述支撑座26底部设有开口，所述外壳顶部设有步进电机17，步进电机17为微型步进电机；所述步进电机17下部设有丝杠螺杆24，所述丝杆螺杆24上套有丝杆螺母23，所述伸缩杆25的一端与丝杆螺母23连接，另一端穿过支撑座26底部的开口与绝缘连接杆9连接；所述控制单元分别与步进电机17、限位开关22和探头10连接。检测时，步进电机17控制伸缩杆25伸缩，带动探头10在检测套管1中上下移动，实现土壤水分的分层检测。

根据本实施例优选的，所述检测套管1顶部与检测仪器2顶部可拆卸连接。

所述检测套管1顶部圆周设有若干凸耳4；所述塞盖6圆周设有若干卡扣15，所述卡扣15上设有通孔16；所述凸耳4能够卡在通孔16内。

根据本实施例优选的，所述控制单元设置在塞盖6内；所述控制单元包括电池、单片机和存储卡；所述塞盖6顶部设有一号开关11和二号开关12，侧面设有插槽14；所述一号开关11和二号开关12分别与自动伸缩套管8连接；所述存储卡安装在插槽14内；所述单片机分别与自动伸缩套管8和存储卡连接；所述电池分别与一号开关11、二号开关12、单片机、自动伸缩套管8和探头10连接。

根据本实施例优选的，所述控制单元还包括无线模块；所述无线模块与单片机连接。

根据本实施例优选的，所述塞盖6顶部还设有急停按钮13；所述急停按钮13分别与自动伸缩套管8和电池连接。

根据本实施例优选的，所述自动伸缩套管8、绝缘连接杆9内部设有信号导线、电源导线，所述探头10与步进电机17均通过信号导线、电源导线与单片机电连接。

如图4所示，根据本实施例优选的，所述探头10包括激励电极18和感应电极19。检测前所述探头10位于初始位置，即探头10底面与待测土壤20表面处于同一高度。

如图5所示，检测时所述探头10在伸缩杆25推动下向下移动，在待测土壤20中形成椭球型辐射电场21。

所述探头10高度自动调整工作原理特征是：检测前，固定步进电机17某一转速不变，并对探头10每次下降位移量△X、检测时间T、检测次数N进行预设置；检测时，步进电机17电机轴正转，步进电机17与丝杠螺杆24直接连接，丝杠螺杆24正转带动丝杠螺母23把电机的正转运动转为向下直线运动，伸缩杆25伸长从而带动探头10在检测套管1中向下移动，将探头10从土壤上层调整到下层；检测完毕，与正转相似，步进电机17反转控制伸缩杆25向上伸缩，将探头10从土壤下层调整回上层。

土壤含水量分层检测原理是：步进电机17旋转一圈丝杠螺母23移动一个导程距离，控制电机旋转圈数即可控制伸缩杆25伸缩长度，进而实现探头10深度自动控制；基于介电法，探头10的激励电极18和感应电极19在待测土壤20中形成椭球型辐射电场21，椭球型辐射电场21的分布随着待测土壤水分含量的变化而改变，通过检测并联谐振频率f的变化实现探头10在土壤环境中电容值的测量，进而实现待测土壤含水量的分层检测。

一种根据所述土壤剖面含水量自动连续检测装置的检测方法，包括以下步骤：

将所述检测套管1旋入待测土壤20指定深度位置；

通过所述控制单元控制检测仪器2的自动伸缩套管8带动探头10匀速垂直向下运动；

所述探头10按照在控制单元预设的下降位移量△X、检测时间T与检测次数N进行土壤水分检测，探头10在检测套管1内垂直移动一次位移量△X，自动伸缩套管8停转，探头10开始检测，检测时间为T；

所述探头10每检测完一次，将探头10已移动次数Ni、对应土壤水分信息和深度信息及时反馈给控制单元的单片机，并存储在存储卡中，最终完成探头10在检测套管1内N个位置土壤水分自动连续检测；

检测完毕时，通过所述控制单元控制自动伸缩套管8带动探头10向上运动回到初始位置。

根据本实施例优选的，所述检测套管1为PPO材料，外螺纹3为右旋粗牙螺纹，底部为锥形头5，能够减少对土壤的扰动、作物的破坏，增加与土体的接触，方便旋入；检测套管1内径可为28mm，能够与探头10间隙配合，减少探头10与检测套管1的磨擦，又不引入较大的测量误差；检测套管1厚度可为3mm，既保证了一定的强度，又保证了对电磁场较小的衰减；检测套管1外部螺纹3长度可为60mm，能够满足一般温室作物根系水分检测要求，长度也可根据实际需求增加。

根据本实施例优选的，所述凸耳4有四个，分别位于所述检测套管1上部外侧的前、后、左、右，检测前可将电动工具卡在所述卡扣15上，方便将检测套管1旋入土壤。

根据本实施例优选的，所述卡扣15有四个，分别位于所述塞盖6顶端的前、后、左、右；第一功能为固定装置，将检测仪器2与检测套管1固定；第二功能为手环，方便人工将检测仪器2提起置于检测套管1内。

根据本实施例优选的，所述检测仪器2的底座7外圆周与自动伸缩套管8的外壳间隙配合，起到固定检测仪器2的作用，检测时将所述自动伸缩套管8的外壳嵌入底座7中，方便装取且减少装置纵向长度。

根据本实施例优选的，所述自动伸缩套管8内部设有两个限位开关22，所述限位开关22为非电磁式接触开关，当伸缩杆25伸直最长或缩至最短，步进电机17停转实现对伸缩杆22的限位保护。

根据本实施例优选的，所述探头10在检测套管1内的初始位置与待测土壤20表面同一高度位置。

根据本实施例优选的，所述步进电机17通过电机驱动模块与塞盖6电连接，所述步进电机17通过联轴器与丝杠螺杆24相连。

根据本实施例优选的，所述自动伸缩套管8的外壳及内部装置均为PE材料，长度可随需设置。

根据本实施例优选的，所述绝缘连接杆9、探头10、激励电极18、感应电极19同轴安装，所述激励电极18、感应电极19均为采用铜制作的圆环电极，内径均可为25mm、厚度均可为2mm、轴向长度均可为20mm、轴向间距可为10mm。

本发明所述的一种土壤剖面含水量自动连续检测装置的检测方法，包括以下步骤：

人工或者借助电动工具将检测套管旋入待测土壤中：可将土壤剖面含水量自动连续检测装置整体旋入待测土壤20指定深度位置，也可先将检测套管1旋入待测土壤20，再将检测仪器2放于检测套管1内，具体操作方法为：可采用电动工具卡在检测套管1的四个卡扣15上，在电动工具带动下将检测套管1旋入待测土壤20指定深度位置；也可手动将检测套管1旋入待测土壤20指定深度位置；将下部设有探头10的自动伸缩套管8嵌入底座7内，手提塞盖6左右两个卡扣15，将检测仪器2放于检测套管1内，并将四个卡扣15的通孔16分别扣在检测套管1的四个凸耳4上，从而将检测仪器2固定在检测套管1上；

按下一号开关11，步进电机17正转，伸缩杆25向下运动，带动探头10匀速垂直向下运动；

所述探头10按照检测前在单片机上预设的下降位移量△X、检测时间T与检测次数Ni，i＝1、2、3…，进行土壤水分检测，探头10在检测套管1内垂直移动一次位移量△X，步进电机17停转，探头10开始检测，检测时间为T；

所述探头10每检测完一次，将探头10已移动次数Ni、对应土壤水分信息和深度信息及时反馈给单片机，并存储在存储器中，同时无线模块将信息发送到远程终端电脑或手机，最终完成探头在检测套管1内N个位置土壤水分自动连续检测；

检测完毕时，按下二号开关12，步进电机17反转，伸缩杆7向上运动，探头10自动回到初始位置；

取出存储卡结合远程终端实时数据信息，对检测结果进一步分析。

在检测过程中，当发生意外情况，按下急停按钮13，电机停转。再次检测需要按下二号开关12，将探头10返回到初始位置，重新进行上述检测步骤。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种土壤剖面含水量自动连续检测装置，其特征在于，包括检测套管(1)与检测仪器(2)；

所述检测套管(1)套在检测仪器(2)外；所述检测套管(1)表面设有外螺纹(3)，底部为锥形头(5)；

所述检测仪器(2)包括塞盖(6)、底座(7)、自动伸缩套管(8)、绝缘连接杆(9)、探头(10)和控制单元；所述塞盖(6)下部固定设有底座(7)，所述底座(7)下部设有自动伸缩套管(8)，所述自动伸缩套管(8)下部连接有绝缘连接杆(9)，所述绝缘连接杆(9)下部设有探头(10)；所述自动伸缩套管(8)包括外壳、步进电机(17)、限位开关(22)、丝杠螺母(23)、丝杠螺杆(24)、伸缩杆(25)和支撑座(26)；所述外壳内上部和下部均设有限位开关(22)，底部设有支撑座(26)，所述支撑座(26)底部设有开口，所述外壳顶部设有步进电机(17)，所述步进电机(17)下部设有丝杠螺杆(24)，所述丝杆螺杆(24)上套有丝杆螺母(23)，所述伸缩杆(25)的一端与丝杆螺母(23)连接，另一端穿过支撑座(26)底部的开口与绝缘连接杆(9)连接；

所述控制单元分别与步进电机(17)、限位开关(22)和探头(10)连接。

2.根据权利要求1所述的土壤剖面含水量自动连续检测装置，其特征在于，所述检测套管(1)顶部与检测仪器(2)顶部可拆卸连接。

3.根据权利要求2所述的土壤剖面含水量自动连续检测装置，其特征在于，所述检测套管(1)顶部圆周设有若干凸耳(4)；所述塞盖(6)圆周设有若干卡扣(15)，所述卡扣(15)上设有通孔(16)；所述凸耳(4)能够卡在通孔(16)内。

4.根据权利要求1所述的土壤剖面含水量自动连续检测装置，其特征在于，所述控制单元设置在塞盖(6)内；

所述控制单元包括电池、单片机和存储卡；

所述塞盖(6)设有一号开关(11)、二号开关(12)和插槽(14)；所述一号开关(11)和二号开关(12)分别与自动伸缩套管(8)连接；所述存储卡安装在插槽(14)内；

所述单片机分别与自动伸缩套管(8)和存储卡连接；

所述电池分别与一号开关(11)、二号开关(12)、单片机、自动伸缩套管(8)和探头(10)连接。

5.根据权利要求4所述的土壤剖面含水量自动连续检测装置，其特征在于，所述控制单元还包括无线模块；所述无线模块与单片机连接。

6.根据权利要求4所述的土壤剖面含水量自动连续检测装置，其特征在于，所述塞盖(6)顶部还设有急停按钮(13)；

所述急停按钮(13)分别与自动伸缩套管(8)和电池连接。

7.根据权利要求1所述的土壤剖面含水量自动连续检测装置，其特征在于，所述探头(10)包括激励电极(18)和感应电极(19)。

8.一种根据权利要求1-7任意一项所述土壤剖面含水量自动连续检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述检测套管(1)旋入待测土壤(20)指定深度位置；

通过所述控制单元控制检测仪器(2)的自动伸缩套管(8)带动探头(10)匀速垂直向下运动；

所述探头(10)按照在控制单元预设的下降位移量△X、检测时间T与检测次数N进行土壤水分检测，探头(10)在检测套管(1)内垂直移动一次位移量△X，自动伸缩套管(8)停转，探头(10)开始检测，检测时间为T；

所述探头(10)每检测完一次，将探头(10)已移动次数Ni、对应土壤水分信息和深度信息及时反馈给控制单元的单片机，并存储在存储卡中，最终完成探头(10)在检测套管(1)内N个位置土壤水分自动连续检测；

检测完毕时，通过所述控制单元控制自动伸缩套管(8)带动探头(10)向上运动回到初始位置。

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