CN110988038A - 一种土壤水分特征线测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土壤参数检测领域，公开了一种土壤水分特征线测量装置及其测量方法，包括多个探测单元、测量单元和切换单元；每个探测单元均设有发射极和接收极，内部填充多孔材料；测量单元分别与各探测单元的发射极和接收极电连接，控制探测单元的发射极发射脉冲信号，并控制探测单元的接收极接收脉冲信号；切换单元与各探测单元的发射极和接收极电连接，用于切换各探测单元，使各探测单元分别发射或接收脉冲信号。本发明提供的土壤水分特征线测量装置，通过切换单元分别对多个探测单元的发射极和接收极进行切换，测量并计算出待测土壤的水分和水势，以获取待测土壤的水分特征线，实现对土壤水分特征线的原位快速监测，使用简便，测量精确。

Description

一种土壤水分特征线测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及土壤参数检测领域，特别是涉及一种土壤水分特征线测量装置及其测量方法。

背景技术

土壤水分特征线是指土壤的水势与土壤含水量，即能量与数量之间的关系，可以反映不同土壤的持水和释水特性，也可以从中获取其他土壤水分常数和特征指标，例如比水容量、田间持水量、土壤给水度、土壤孔隙度、土壤质地等。除此之外，因为土壤水分对作物的有效程度取决于土壤势能的高低，而不是自身的含水量，还可以通过土壤水分特征线以及从中获取的土壤常数，来判断该土壤含水量对于作物的有效程度。因此，土壤水分特征线既能反映土壤的物理性质，也对土壤中水、肥、盐及重金属等运移过程有重要影响，是模型预测的重要参数。对农作物的生长状态、生存环境及田间管理具有很高的参考价值。

土壤水分特征线可以通过土壤水分和水势的分离测量和复合测量获取。在进行分离测量时，土壤水分的测量方法包括：烘干法、放射法、遥感法和介电法等。土壤水势可用通过多种方法进行测量，主要包括张力计法，电阻法，热扩散法，悬挂水柱法，压力锅法，露点法，滤纸法，介电法等。土壤水分特征线的分离测量普遍存在成本高、效率低、位置有偏差等问题，因此对其进行复合测量。Wraith等人结合时域反射仪(TDR)和多孔材料对土壤水分和水势进行复合测量，但是该方法成本高且不适用于大面积测量；Rassam和Williams等人将水分测量仪和张力计进行复合，但是该复合方法测量范围较窄且滞后现象明显；MoretFerna等人将TDR和压力板结合进行复合测量，但是该方法测量周期长，且无法原位测量；我国学者孙宇瑞、任淑娟等人基于频域法和张力计复合测量土壤水分水势，但是该方法易受干扰且测量范围窄。

因此，亟需探索一种能够满足低成本、宽量程、精度高，并能实现在原位测量的土壤水分特征线测量装置及测量方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术缺陷和应用需求，本发明实施例提供一种土壤水分特征线测量装置及其测量方法，用于解决现有水分特征线测量成本高、量程小和精度低等问题，实现原位测量土壤水分特征线。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供一种土壤水分特征线测量装置，包括：

多个探测单元，每个所述探测单元均设有发射极和接收极，内部填充多孔材料；

测量单元，所述测量单元分别与各所述探测单元的发射极和接收极电连接，用于控制所述探测单元的发射极发射脉冲信号，并控制所述探测单元的接收极接收脉冲信号；

切换单元，所述切换单元与各所述探测单元的发射极和接收极电连接，用于切换各所述探测单元的发射极和接收极，使各所述探测单元分别发射或接收脉冲信号。

进一步地，所述探测单元为同轴结构，包括：探头和探针；所述探头为接收极；所述探针为发射极，设置在所述探头内。

进一步地，所述土壤水分特征线测量装置还包括：电路板；所述测量单元和所述切换单元集成在所述电路板上。

进一步地，所述土壤水分特征线测量装置还包括：多个导线；所述探测单元通过与其对应的所述导线与所述测量单元和所述切换单元电连接。

进一步地，所述导线为同轴线，包括从外到内依次套设的保护层、外导体层、绝缘介质层和内导体层。

进一步地，多个探测单元包括：第一探测单元和第二探测单元；所述第一探测单元和所述第二探测单元间隔预设距离，设置在待测土壤中。

为解决上述问题，本发明提供一种土壤水分特征线测量装置的测量方法包括如下步骤：

步骤S1：将两个探测单元插入待测土壤中，将两个探测单元与切换单元和测量单元连接；

步骤S2：通过切换单元对两个探测单元的发射极和接收极进行切换，测量单元获取两个探测单元及两个探测单元之间的水分；

步骤S3：通过两个探测单元及两个探测单元之间的水分，获取待测土壤的水势和水分；

步骤S4：在不同水分条件下利用测量单元获取两个探测单元及两个探测单元之间的水分，得到待测土壤的水分特征线。

进一步地，两个探测单元为第一探测单元和第二探测单元，所述步骤S2的步骤具体包括：

S21：切换单元连通第一探测单元的发射极和接收极，利用测量单元测量第一探测单元的水分；

S22：切换单元连通第二探测单元的发射极和接收极，利用测量单元测量第二探测单元的水分；

S23：切换单元连通第一探测单元和第二探测单元的接收极，一个作为发射极，另一个作为接收极，然后利用测量单元测量第一探测单元和第二探测单元之间的水分。

进一步地，所述步骤S3的步骤具体包括：

S31：通过探测单元对应的水分水势关系曲线和测量单元测得的水分，获取两个探测单元的水势；

S32：通过两个探测单元的水势，获取待测土壤的水势。

(三)有益效果

本发明提供的土壤水分特征线测量装置，通过切换单元分别对多个探测单元的发射极和接收极进行切换，利用测量单元测量并计算出待测土壤的水分和水势，通过在不同水分条件下的测量以获取待测土壤的水分特征线，实现对土壤水分特征线的原位快速监测，具有使用简便，测量精确等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的土壤水分特征线测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的土壤水分特征线测量装置的测试方法的流程示意图；

附图标记说明：1、第一探测单元；2、第二探测单元；3、第一导线；4、第二导线；5、切换单元；6、测量单元；7、电路板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

在本发明的描述中，需要说明的是，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。

本发明实施例提供一种土壤水分特征线测量装置，如图1所示，该土壤水分特征线测量装置包括：切换单元5、测量单元6和多个探测单元。每个探测单元均设有发射极和接收极，内部填充多孔材料。测量单元6分别与各探测单元的发射极和接收极电连接，用于控制探测单元的发射极发射脉冲信号，并控制探测单元的接收极接收脉冲信号。切换单元5与各探测单元的发射极和接收极电连接，用于切换各探测单元的发射极和接收极，使各探测单元分别发射或接收脉冲信号。

切换单元5既可以是通过继电器进行切换，也可以是通过芯片或其他方式进行切换。测量单元6既可测量待测土壤的水分，也可测量探测单元内多孔材料的水分。

其中，探测单元的数量可根据需要进行调整，本实施例中，探测单元的数量为两个，分别为第一探测单元1和第二探测单元2。第一探测单元1和第二探测单元2间隔预设距离，预设距离根据测量情况调整。第一探测单元1和第二探测单元2均设置在待测土壤中。

其中，探测单元可采用同轴结构，包括：探头和探针。探头为接收极。探针为发射极，探头设置在探头内。探头为绝缘材料，探头内表面粘涂导电材料。

利用该土壤水分特征线测量装置进行测试的过程中，先将第一探测单元1和第二探测单元2插入待测土壤中，将第一探测单元1和第二探测单元2与切换单元5和测量单元6连接。切换单元5连通第一探测单元1的发射极和接收极，利用测量单元6测量第一探测单元1内部多孔材料的水分。切换单元5再连通第二探测单元2的发射极和接收极，利用测量单元6测量第二探测单元2内部多孔材料的水分。切换单元5再连通第一探测单元1和第二探测单元2的接收极，一个作为发射极，另一个作为接收极，使切换单元5原理上等同于一个二针水分传感器，利用测量单元6测得第一探测单元1和第二探测单元2之间的水分。由于探测单元对应的水分水势关系曲线是已知的，进而通过计算第一探测单元1和第二探测单元2的水势，可直接获得土壤的水势。最后在不同水分条件下利用测量单元6获取第一探测单元1和第二探测单元2及第一探测单元1和第二探测单元2之间的水分，计算即可得到待测土壤的水分特征线。

需要说明的是，测量过程中，当第一探测单元1和第二探测单元2内部多孔材料和外部待测土壤的水分含量不同时，水分会通过探测单元的探头在待测土壤与多孔材料之间进行运移。经过一段时间后，第一探测单元1和第二探测单元2内部多孔材料和外部待测土壤的水分达到平衡。实际测试过程中，需要记录平衡后的结果，即可利用多孔材料的水分水势特征线获得第一探测单元1和第二探测单元2处的水势。

进一步地，土壤水分特征线测量装置还包括：多个导线。探测单元通过与其对应的导线与测量单元6和切换单元5电连接。本实施例中，导线的数量为两条，分别为第一导线3和第二导线4，第一探测单元1通过第一导线3与测量单元6和切换单元5电连接。第二探测单元2通过第二导线4与测量单元6和切换单元5电连接。第一导线3和第二导线4的长度决定了测量单元6输出的准确性和稳定性，需要根据高频传输线理论，使其长度为波长的四分之一。

其中，导线均可采用同轴线，包括从外到内依次套设的保护层、外导体层、绝缘介质层和内导体层。同轴线和同轴设置的探测单元保证了电磁波的规则传输，避免了电磁波的溢出。

其中，土壤水分特征线测量装置还包括：电路板7。切换单元5和测量单元6一般是集成电路开发板，但是也可以是其它能够实现切换和测量功能的、市场上已经封装好的成品，即可将测量单元6设置在电路板7上，或将切换单元5设置在电路板7，亦或者同时将切换单元5和测量单元6设置在电路板7上。切换单元5和测量单元6集成在一起，可以实现单板测量，不仅使用方便，还能避免多传感器测量时容易出现的系统误差，提高测量精度。

本发明实施例提供的土壤水分特征线测量装置，通过切换单元分别对多个探测单元的发射极和接收极进行切换，利用测量单元测量并计算出待测土壤的水分和水势，通过在不同水分条件下的测量以获取待测土壤的水分特征线，实现对土壤水分特征线的原位快速监测，具有使用简便，测量精确等优点。

本发明实施例提供一种土壤水分特征线测量装置的测量方法，如图1和图2所示，该方法包括如下步骤：

步骤S1：将两个探测单元插入待测土壤中，将两个探测单元与切换单元和测量单元连接。

步骤S2：通过切换单元对两个探测单元的发射极和接收极进行切换，测量单元获取两个探测单元及两个探测单元之间的水分。

步骤S3：通过两个探测单元及两个探测单元之间的水分，获取待测土壤的水势和水分。

步骤S4：在不同水分条件下利用测量单元获取两个探测单元及两个探测单元之间的水分，得到待测土壤的水分特征线。

其中，假设两个探测单元为第一探测单元1和第二探测单元2，步骤S2的步骤具体包括：

S21：切换单元连通第一探测单元的发射极和接收极，利用测量单元测量第一探测单元的水分。

S22：切换单元连通第二探测单元的发射极和接收极，利用测量单元测量第二探测单元的水分。

S23：切换单元连通第一探测单元和第二探测单元的接收极，一个作为发射极，另一个作为接收极，然后利用测量单元测量第一探测单元和第二探测单元之间的水分。

其中，步骤S3的步骤具体包括：

S31：通过探测单元对应的水分水势关系曲线和测量单元测得的水分，获取两个探测单元的水势。

S32：通过两个探测单元的水势，获取待测土壤的水势。

利用该土壤水分特征线测量装置进行测试的过程中，先将第一探测单元1和第二探测单元2插入待测土壤中，采用合适长度的第一导线3和第二导线4连接切换单元5和测量单元6。切换单元5连通第一探测单元1的发射极和接收极，利用测量单元6测量第一探测单元1内部多孔材料的水分。切换单元5再连通第二探测单元2的发射极和接收极，利用测量单元6测量第二探测单元2内部多孔材料的水分。切换单元5再连通第一探测单元1和第二探测单元2的接收极，一个作为发射极，另一个作为接收极，使切换单元5原理上等同于一个二针水分传感器，利用测量单元6测得第一探测单元1和第二探测单元2之间的水分。由于探测单元对应的水分水势关系曲线是已知的，进而通过计算第一探测单元1和第二探测单元2的水势，可直接获得土壤的水势。最后在不同水分条件下利用测量单元6获取第一探测单元1和第二探测单元2及第一探测单元1和第二探测单元2之间的水分，计算即可得到待测土壤的水分特征线。

需要说明的是，在使用该装置对土壤水分特征线进行测量时，为获取多组数据可以通过不同的方法测量在不同水分条件下待测土壤的水分和水势，也可以配不同含水率的土壤，每次插入该装置待平衡后进行测量，或向待测土壤中加水至饱和，每次向待测土壤中加入固定量的水，待平衡后测量。也可以直接将该装置插入饱和土壤中，测量蒸发过程中的水分和水势。

利用测得的不同水分条件下的土壤水分和水势，可以得到一个完整的土壤水分特征线，可以根据不同的模型，如Campbell模型、V-G模型等。拟合出土壤水分和水势之间的方程，并获取相应的土壤水力参数，如空气进入势、土壤孔隙度等，对模型预测具有重要作用。

本发明实施例提供的土壤水分特征线测量装置的测试方法，通过切换单元分别对多个探测单元的发射极和接收极进行切换，利用测量单元测量并计算出待测土壤的水分和水势，通过在不同水分条件下的测量以获取待测土壤的水分特征线，实现对土壤水分特征线的原位快速监测，具有使用简便，测量精确等优点。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中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模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，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)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种土壤水分特征线测量装置，其特征在于，包括：

多个探测单元，每个所述探测单元均设有发射极和接收极，内部填充多孔材料；

测量单元，所述测量单元分别与各所述探测单元的发射极和接收极电连接，用于控制所述探测单元的发射极发射脉冲信号，并控制所述探测单元的接收极接收脉冲信号；

切换单元，所述切换单元与各所述探测单元的发射极和接收极电连接，用于切换各所述探测单元的发射极和接收极，使各所述探测单元分别发射或接收脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的土壤水分特征线测量装置，其特征在于，所述探测单元为同轴结构，包括：探头和探针；所述探头为接收极；所述探针为发射极，设置在所述探头内。

3.根据权利要求1所述的土壤水分特征线测量装置，其特征在于，所述土壤水分特征线测量装置还包括：电路板；所述测量单元和所述切换单元集成在所述电路板上。

4.根据权利要求1所述的土壤水分特征线测量装置，其特征在于，所述土壤水分特征线测量装置还包括：多个导线；所述探测单元通过与其对应的所述导线与所述测量单元和所述切换单元电连接。

5.根据权利要求4所述的土壤水分特征线测量装置，其特征在于，所述导线为同轴线，包括从外到内依次套设的保护层、外导体层、绝缘介质层和内导体层。

6.根据权利要求1所述的土壤水分特征线测量装置，其特征在于，多个探测单元包括：第一探测单元和第二探测单元；所述第一探测单元和所述第二探测单元间隔预设距离，设置在待测土壤中。

7.一种根据权利要求1-6任一所述的土壤水分特征线测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：将两个探测单元插入待测土壤中，将两个探测单元与切换单元和测量单元连接；

步骤S2：通过切换单元对两个探测单元的发射极和接收极进行切换，测量单元获取两个探测单元及两个探测单元之间的水分；

步骤S3：通过两个探测单元及两个探测单元之间的水分，获取待测土壤的水势和水分；

步骤S4：在不同水分条件下利用测量单元获取两个探测单元及两个探测单元之间的水分，得到待测土壤的水分特征线。

8.根据权利要求7所述的土壤水分特征线测量装置的测量方法，其特征在于，两个探测单元为第一探测单元和第二探测单元，所述步骤S2的步骤具体包括：

S21：切换单元连通第一探测单元的发射极和接收极，利用测量单元测量第一探测单元的水分；

S22：切换单元连通第二探测单元的发射极和接收极，利用测量单元测量第二探测单元的水分；

S23：切换单元连通第一探测单元和第二探测单元的接收极，一个作为发射极，另一个作为接收极，然后利用测量单元测量第一探测单元和第二探测单元之间的水分。

9.根据权利要求7所述的土壤水分特征线测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤S3的步骤具体包括：

S31：通过探测单元对应的水分水势关系曲线和测量单元测得的水分，获取两个探测单元的水势；

S32：通过两个探测单元的水势，获取待测土壤的水势。

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