CN113820366B - 一种螺纹式土壤水分测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种螺纹式土壤水分测量装置，包括：灌封体呈杆状且外周面上一体成型有螺旋凸起；探针呈螺旋形且沿着螺旋凸起的延伸方向固定在螺旋凸起上；电缆固定在灌封体内部且与探针连接。本发明通过将螺纹式土壤水分测量装置设置成一体成型的灌封体，并将探针以及电缆通过灌封的方式分别固定在螺旋凸起上以及灌封体内，克服多模块组装式的缺点，无需再进行现场组装，增强了螺纹式土壤水分测量装置的密封性，同时，通过在足够长的杆状灌封体上设置的螺旋凸起以及通过螺旋形探针与土壤的密切接触，在实现安装容易的同时，也能够实现对不同深度土壤含水量测量的准确性。

Description

一种螺纹式土壤水分测量装置

技术领域

本发明涉及土壤参数测量装置技术领域，具体涉及一种螺纹式土壤水分测量装置。

背景技术

对土壤墒情的测量是目前气象环境监测的重要组成之一，对抗旱减灾、指导农业生产和生态环境保护具有重要意义，而在众多土壤参数中土壤水分又是人们关注的焦点。对土壤水分的测量目前较为成熟的测量方法有烘干法、时域反射法、频域反射法、电容法、驻波法等，这些测量技术都是基于介电理论，直接或者间接测出土壤的介电常数，再根据土壤水分跟介电常数之间的关系，利用回归方法标定出土壤水分。

工程项目中主要采用时域反射法和频域反射法来测量土壤的介电常数，而作为测量土壤介电常数仪器重要组成部分的传感器探头（即土壤水分测量装置），它的设计直接影响了土壤介电常数的精准测量以及整个传感器探头现场的安装应用。

目前，现有技术中的传感器探头主要有插针式和插管式两种。其中，插针式传感器探头包括不锈钢探针，当需要对不同土层深度的土壤含水分进行监测时，需要准备多个插针式传感器探头，并将多个插针式传感器探头沿横向插入不同土层深度的土壤剖面上，以对表层和深层土壤进行墒情的定点监测和在线测量；插管式传感器探头包括保护套管、传感器本体、防水堵头以及防水帽，当利用插管式传感器探头检测土壤中的水分时，需要先将保护套管竖直插入土壤中，再依次插装防水堵头、传感器本体和防水帽，现场组装完成后对土壤中的水分进行检测。

但是，上述两种传感器探头在安装时，插针式传感器探头需要先挖一个呈现出土壤中不同深度土层的深坑，将传感器探头定点插入土壤特定剖面后，再将传感器探头进行回填掩埋，而插管式传感器探头则需要进行现场组装。以上两种传感器探头的安装方式均不仅增加了传感器探头安装的工作量，导致传感器安装难度的增大，同时也导致传感器安装施工成本的增加。另外，插针式传感器探头的探针长度有限，与土壤的接触面积有限，检测准确性不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种便于安装以及检测准确性高的螺纹式土壤水分测量装置。

为实现上述目的，本发明中的螺纹式土壤水分测量装置采用如下技术方案：

螺纹式土壤水分测量装置，包括：

灌封体，呈杆状，灌封体的外周面上一体成型有螺旋凸起；

探针，呈螺旋形且沿着螺旋凸起的延伸方向灌封嵌设固定在螺旋凸起上，探针用于与土壤接触，以测量土壤的数据；

电缆，灌封嵌设固定在灌封体的内部，电缆与探针连接，用于传输探针的测量数据。

上述技术方案的有益效果在于：通过将螺纹式土壤水分测量装置设置成一体成型的灌封体，并将探针以及与探针连接的电缆通过灌封的方式分别嵌设固定在螺旋凸起上以及灌封体内，以此克服多模块组装式的缺点，简化了螺纹式土壤水分测量装置的结构，也无需再进行现场组装，同时也增强了螺纹式土壤水分测量装置的密封性。

在灌封体的外周面上设置一体成型的螺旋凸起，整个灌封体就像一个螺杆一样，方便旋进土壤中，使得螺纹式土壤水分测量装置使用时的安装更加容易。将探针设置成螺旋形，使得探针能够与灌封体上的螺旋凸起完全契合，以嵌设固定在螺旋凸起上，并通过将灌封体设置成足够长的杆状结构，以及在螺旋凸起的作用下，使得探针能够插入到不同深度的土壤中，完成对不同深度土壤含水量的测量，无需再通过挖一个深坑，来完成对不同深度土壤含水量的测量的目的，同时，也由于螺旋形的探针能够与不同深度的土壤完全接触，不易产生缝隙，也使得测量的数据更加准确。另外，螺旋形探针的设计也能够在较小的空间内增加探针的长度，延长电磁脉冲的传输时间，有利于提高数据检测的准确性。

进一步的，探针包括信号探针和分别设置在信号探针两侧的接地探针，信号探针与电缆的导线层连接，接地探针与电缆的屏蔽层连接。

上述技术方案的有益效果在于：通过将探针设置成信号探针以及接地探针，接地探针可以对信号探针起到屏蔽保护作用，防止外界信号对信号探针造成干扰，影响数据测量的准确性。

进一步的，信号探针和接地探针的长度均小于1圈。

上述技术方案的有益效果在于：将信号探针的长度设置的小于1圈，以避免因信号探针设置的过长，造成检测信号的衰减，进而造成测量结果不准确；将接地探针的长度也设置的小于1圈，以与信号探针的长度适配，对信号探针进行屏蔽保护，同时信号探针和接地探针的长度设置，也方便灌封时探针的布置。

进一步的，一个信号探针和两侧的接地探针形成一组探针组，螺旋凸起上嵌设固定有多组探针组，相邻两组探针组在灌封体的轴向上错开布置；所述电缆设置有多根，多根电缆分别与多组探针组对应连接。

上述技术方案的有益效果在于：将相邻两组探针组在灌封体的轴向上错开布置，并通过设置多组探针组和多组电缆，以达到对不同深度的土壤以及螺纹式土壤水分测量装置四周土壤的含水量检测的目的，使检测结果更加准确和更具有代表性。

进一步的，螺纹式土壤水分测量装置还包括嵌设固定在灌封体内部的射频开关，射频开关上设有多个分接口，多个分接口通过多根所述的电缆分别与多组探针组相连。

上述技术方案的有益效果在于：在灌封体的内部设置射频开关，并将射频开关上的分接口通过电缆与探针连接，以此通过射频开关控制某一组探针组传输信号的通断，从而获得某一组探针组的测量数据。

进一步的，螺纹式土壤水分测量装置还包括嵌设固定在灌封体内部的温度感应器，温度感应器设有多个，多个温度感应器分别与每一组探针组中的信号探针的位置相对应。

上述技术方案的有益效果在于：通过在每一组探针组中设置与信号探针位置相对应的温度感应器，以方便在对土壤含水量进行测量的同时，对不同深度土壤的温度进行检测，并且所检测到的土壤温度数据还可以对介电常数进行修正，提高测量的准确性。

进一步的，两个接地探针的一端通过连接段相连。

上述技术方案的有益效果在于：将两个接地探针通过连接段进行连接，以方便接地探针与电缆连接并构成导通回路。

进一步的，所述螺旋凸起为三线螺旋凸起，相邻螺旋凸起之间的间隔相等。

上述技术方案的有益效果在于：将螺旋凸起设置为三线螺旋凸起，可以适当增加单条螺旋凸起的螺旋升角，方便测量装置的安装，提高安装效率；同时，又可以利用三线的结构，使相邻螺旋凸起之间的间距不会过大，优化信号探针的布置，提高检测准确性。

进一步的，定义灌封体的长度方向为上下方向，灌封体的上端设置有开口朝上的空腔；螺纹式土壤水分测量装置还包括设置在空腔内的控制电路板，控制电路板包括数据采集模块、数据分析模块以及数据传输模块，数据采集模块用于接收探针的测量数据；螺纹式土壤水分测量装置还包括固定在空腔的开口处的封帽。

上述技术方案的有益效果在于：空腔的设置既方便了将控制电路板安装在螺纹式土壤水分测量装置内部，同时也减小了灌封体的整体重量，降低了制造成本。通过设置控制电路板，以及通过在控制电路板上设置采集模块、数据分析模块以及数据传输模块，方便控制螺纹式土壤水分测量装置完成完成对土壤水分参数的采集、处理以及传输。在空腔的开口处设置封帽，以方便对螺纹式土壤水分测量装置的整体进行密封，以起到防水防潮的作用。

进一步的，螺纹式土壤水分测量装置还包括安装在灌封体上端的出线连接器，出线连接器的一端与控制电路板的数据传输模块连接。

上述技术方案的有益效果在于：通过在灌封体的上端设置出线连接器， 不仅可以通过与外部设备的连接实现检测数据的传输，而且也可以通过连接电源为控制电路板提供工作电力。

附图说明

图1为本发明中螺纹式土壤水分测量装置的剖视结构示意图（未显示全部）；

图2为本发明中螺纹式土壤水分测量装置的外观示意图（未显示全部）；

图3为本发明中螺纹式土壤水分测量装置的外观示意图（只显示一组探针组）；

图4为本发明螺纹式土壤水分测量装置中的探针组、射频开关以及控制电路板的布置结构图；

图5为本发明螺纹式土壤水分测量装置中的探针组以及温度传感器的布置结构图；

图6为本发明螺纹式土壤水分测量装置中信号探针的立体图；

图7为本发明螺纹式土壤水分测量装置中接地探针的立体图。

图中：1、灌封体；1-1、螺旋凸起；1-2、空腔；1-3、安装平面；1-4、引导锥面；2、信号探针；3、接地探针；3-1、连接段；4、射频开关；4-1、分接口；4-2、总接口；5、温度感应器；6、控制电路板；7、出线连接器；8、封帽；9、绝缘板；9-1、限位齿；9-2、布置孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

本发明中螺纹式土壤水分测量装置的优选实施例如图1所示，螺纹式土壤水分测量装置（以下简称测量装置）包括灌封体1，在本实施例中，灌封体1的总长为800mm，直径为40mm，且灌封体1采用防水环氧树脂制作而成，防水环氧树脂制作的防护等级为IP68。

如图2和图3所示，灌封体1呈杆状，且在灌封体1的外周面上设置有一体成型的螺旋凸起1-1，整个灌封体1就像一个螺杆一样，方便旋进土壤中，进而方便测量装置的安装，同时也减少了因为土壤性状发生变化而导致的测量装置与土壤之间产生缝隙的状况的发生，增大了测量装置与土壤之间的吸附能力。在本实施例中，螺旋凸起1-1为是三线螺旋凸起，相邻两条螺旋凸起线之间的间隔相等，为30mm，对于单条螺旋凸起线来说，其螺旋升角大大增加，使得测量装置的安装更加容易。

定义灌封体1的长度方向为上下方向，另外，如图1所示，在灌封体1的上端设置有开口朝上的空腔1-2，在灌封体1上端的外周面上成型有安装平面1-3以及在灌封体1的下端设置有引导锥面1-4，其中，引导锥面1-4对测量装置使用时的安装具有导向作用，方便安装。

测量装置还包括探针，探针用于与土壤接触，以测量土壤的数据。如图1、图2、图3、图4、图5、图6以及图7所示，探针包括信号探针2和分别设置在信号探针2两侧的接地探针3，信号探针2和两个接地探针3均呈螺旋形并沿着螺旋凸起1-1的延伸方向嵌设固定在螺旋凸起1-1上，并且是分别位于三条螺旋凸起1-1上，螺旋形探针的设计使得探针能够与螺旋凸起1-1完全契合，保证探针能够更好地嵌设固定在螺旋凸起1-1上，以实现探针与土壤更好地贴合，同时，螺旋形探针的设计能够在较小的空间内增加探针的长度，延长电磁脉冲的传输时间，有利于提高测量数据的准确性。

信号探针2和接地探针3的长度均小于1圈，以此避免因探针过长，造成检测信号的衰减。探针采用不锈钢一体成型制作而成，且探针的直径为6mm。一个信号探针2和两侧的接地探针3形成一组探针组，三线螺旋凸起1-1上嵌设固定有多组探针组，相邻两组探针组在灌封体1的轴向上错开布置，以此可以完成对不同深度土层土壤的含水量以及螺纹式土壤水分测量装置四周土壤的含水量的测量，增加螺纹式土壤水分测量装置数据测量的准确性，同时测得的数据也更加的具有代表性。

如图4所示，测量装置还包括嵌设固定在灌封体1内部的射频开关4，射频开关4上设有多个分接口4-1和一个总接口4-2。测量装置还包括电缆（图中均未示出），电缆嵌设固定在灌封体1的内部，且电缆设有多根，每一根电缆的一端均与一个分接口4-1连接，另一端均与一组探针组连接，射频开关4可以控制某一组探针组传输信号的通断，从而获得某一组探针组的测量数据。探针与电缆的连接关系具体是：信号探针2与上述电缆的导线层连接，两个接地探针3的一端通过连接段3-1相连（图7所示），另外一端与上述电缆的屏蔽层连接，以此构成导通回路，利用不同探针位置及形状产生的电场特性的不同，以对信号探针2起到屏蔽保护作用，防止外界信号对信号探针2造成干扰，影响数据测量的准确性。

如图1和图5所示，测量装置还包括嵌设固定在灌封体1内部的温度感应器5，温度感应器5设有多个，且多个温度感应器5分别与每一组探针组中的信号探针2的位置相对应，并分别通过单独的电缆与控制电路板6相连，以此可以对不同深度土层土壤的温度进行测量，并通过获得的土壤温度数据，还可以对介电常数等参数进行修正，提高数据测量的准确性。

另外，为了方便电缆、温度感应器5以及射频开关4的固定，在灌封体1内部还嵌设固定有绝缘板9，如亚克力板，图4和图5所示，温度感应器5以及射频开关4直接固定在亚克力板上，且亚克力板上设有限位齿9-1以及布置孔9-2，其中，限位齿9-1设有多个，多个限位齿9-1布置在亚克力板两侧，且与每一个探针一一对应，限位齿9-1的齿顶上设置有细小的凹槽，利用少量胶将探针固定在凹槽内，以固定支撑探针，防止探针装入模具后脱离模具；布置孔9-2沿亚克力板的长度方向设有多个，用于对多根电缆进行固定。

如图1和图4所示，测量装置还包括设置在上述空腔1-2内的控制电路板6，控制电路板6与总接口4-2连接，而分接口4-1又与电缆连接，即控制电路板6通过射频开关4来获取探针组的测量数据，并通过控制电路板6上的数据采集模块、数据分析模块以及数据传输模块，来完成对探针测量数据的采样、分析计算以及传输等功能，且控制电路板6采用微处理器芯片作为控制核心，具备完善的时序驱动和逻辑控制功能。

另外，控制电路板6还可以对数据质量进行控制，并在测量装置发生故障时可以进行故障报警。且温度感应器5探测到土壤温度数据也会导入到控制电路板6的数据采集模块，并通过数据分析模块对数据进行分析和处理。

如图1和图3所示，测量装置还包括安装在灌封体1上端安装平面1-3上的出线连接器7，且出线连接器7的一端与控制电路板6的数据传输模块连接，另一端与外部设备相连，以将测量数据传输到外部设备，并且出线连接器7还可以通过与外部电源连接来为控制电路板6提供电力。

如图1和图3所示，测量装置还包括固定在上述空腔1-2的开口处的封帽8，封帽8采用六角形结构，六角形结构的封帽8对测量装置安装时的转动起到了辅助作用，且封帽8用于对测量装置进行密封，以对测量装置起到防水防潮等保护作用。

本发明中通过将螺纹式土壤水分测量装置设置成一体成型的灌封体，并将探针以及与探针连接的电缆通过灌封的方式分别嵌设固定在螺旋凸起上以及灌封体内，以此克服多模块组装式的缺点，简化了螺纹式土壤水分测量装置的结构，也无需再进行现场组装，同时也增强了螺纹式土壤水分测量装置的密封性。并且测量装置可长期埋入土壤中并能更好的抵御土壤中部分物质的腐蚀，显著的提升了测量装置的靠性。

另外，通过在灌封体的外周面上设置螺旋凸起，以及将螺旋凸起设置成三线螺旋凸起，与单线螺旋凸相比较而言，三线螺旋凸起中每一条螺旋凸起的螺旋升角均大大增加，使得测量装置的安装更加容易。同时，通过在三线螺旋凸起上设置相互错开布置的多组螺旋探针组，与在单线螺旋凸起上布置多组螺旋探针组相比较而言，其相邻两组探针组的信号探针的轴向间距不会过大，而且一组探针组所占据的轴向空间不会太大，方便在有限长度的灌封体上设置更多组的探针组，保证信号探针能够对土壤的更多层进行检测，且保证检测的准确性，同时，一组探针组中的信号探针和接地探针之间的轴向间距也不会过大，保证了接地探针对信号探针的屏蔽保护效果。

另外，通过将灌封体设置成足够长的杆状结构，使得测量装置能够插入到需要检测的不同深度的土壤中，并通过螺旋形的探针与土壤的密切接触，完成对不同深度土层土壤含水量以及螺纹式土壤水分测量装置四周土壤含水量的测量，无需再通过挖一个深坑，以达到测量不同深度土层含水量的目的，同时，也使得测量到的数据更加地准确。

在螺纹式土壤水分测量装置的其他实施例中，螺纹式土壤水分测量装置不包括出线连接器，此时，控制电路板通过电缆与外部设备连接进行数据的传输，或者控制电路板的数据传输模块采用无线传输方式。

在螺纹式土壤水分测量装置的其他实施例中，灌封体的上端可以不设置空腔，此时，可将控制电路板设置在灌封体外部，通过从灌封体内部延伸出的电缆与控制电路板连接，此时也没有封帽，直接将空腔整体灌封，以达到密封的目的。

在螺纹式土壤水分测量装置的其他实施例中，螺纹式土壤水分测量装置不包括控制电路板，此时，探针测得的数据通过电缆直接与外部的数据处理设备连接。

在螺纹式土壤水分测量装置的其他实施例中，螺旋凸起可以不是三线螺旋凸起，也可以单线或双线螺旋凸起，当然，螺旋凸起还可以是四线或者更多线的螺旋凸起。

在螺纹式土壤水分测量装置的其他实施例中，两个接地探针的一端可以不通过连接段进行连接，而可以将两个接地探针的两端直接与电缆的屏蔽层进行连接。

在螺纹式土壤水分测量装置的其他实施例中，螺纹式土壤水分测量装置可以不包括温度感应器，此时，螺纹式土壤水分测量装置不能对土壤的温度进行测量。

在螺纹式土壤水分测量装置的其他实施例中，螺纹式土壤水分测量装置可以不包括射频开关，当螺纹式土壤水分测量装置包括控制电路板时，探针通过电缆与控制电路板进行连接，当不包括可控制电路板时，探针通过电缆直接与外部的其他设备进行连接。

在螺纹式土壤水分测量装置的其他实施例中，相邻两组探针组在灌封体的轴向上可以不错开布置，而相邻两组探针组可以布置在灌封体外周面的同一侧。

在螺纹式土壤水分测量装置的其他实施例中，螺旋凸起上可以不嵌设固定多组探针组，而是只嵌设固定一组探针组，此时，也只设有一根电缆与一组探针组连接。

在螺纹式土壤水分测量装置的其他实施例中，信号探针和接地探针的长度可以均大于1圈，即信号探针和接地探针均是自下而上盘旋固定在螺旋凸起上的螺旋探针线圈。

在螺纹式土壤水分测量装置的其他实施例中，探针可以只包括信号探针，此时，螺纹式土壤水分测量装置不具备对信号探针的屏蔽保护作用。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.螺纹式土壤水分测量装置，其特征在于，包括：

灌封体（1），呈杆状，灌封体（1）的外周面上一体成型有螺旋凸起（1-1）；

探针，呈螺旋形且沿着螺旋凸起（1-1）的延伸方向灌封嵌设固定在螺旋凸起（1-1）上，探针用于与土壤接触，以测量土壤的数据；

电缆，灌封嵌设固定在灌封体（1）的内部，电缆与探针连接，用于传输探针的测量数据。

2.根据权利要求1所述的螺纹式土壤水分测量装置，其特征在于，探针包括信号探针（2）和分别设置在信号探针（2）两侧的接地探针（3），信号探针（2）与电缆的导线层连接，接地探针（3）与电缆的屏蔽层连接。

3.根据权利要求2所述的螺纹式土壤水分测量装置，其特征在于，信号探针（2）和接地探针（3）的长度均小于1圈。

4.根据权利要求3所述的螺纹式土壤水分测量装置，其特征在于，一个信号探针（2）和两侧的接地探针（3）形成一组探针组，螺旋凸起（1-1）上嵌设固定有多组探针组，相邻两组探针组在灌封体（1）的轴向上错开布置；所述电缆设置有多根，多根电缆分别与多组探针组对应连接。

5.根据权利要求4所述的螺纹式土壤水分测量装置，其特征在于，螺纹式土壤水分测量装置还包括嵌设固定在灌封体（1）内部的射频开关（4），射频开关（4）上设有多个分接口（4-1），多个分接口（4-1）通过多根所述的电缆分别与多组探针组相连。

6.根据权利要求4或5所述的螺纹式土壤水分测量装置，其特征在于，螺纹式土壤水分测量装置还包括嵌设固定在灌封体（1）内部的温度感应器（5），温度感应器（5）设有多个，多个温度感应器（5）分别与每一组探针组中的信号探针（2）的位置相对应。

7.根据权利要求2~5任意一项所述的螺纹式土壤水分测量装置，其特征在于，两个接地探针（3）的一端通过连接段（3-1）相连。

8.根据权利要求2~5任意一项所述的螺纹式土壤水分测量装置，其特征在于，所述螺旋凸起（1-1）为三线螺旋凸起（1-1），相邻螺旋凸起（1-1）之间的间隔相等。

9.根据权利要求1~5任意一项所述的螺纹式土壤水分测量装置，其特征在于，定义灌封体（1）的长度方向为上下方向，灌封体（1）的上端设置有开口朝上的空腔（1-2）；螺纹式土壤水分测量装置还包括设置在空腔（1-2）内的控制电路板（6），控制电路板（6）包括数据采集模块、数据分析模块以及数据传输模块，数据采集模块用于接收探针的测量数据；螺纹式土壤水分测量装置还包括固定在空腔（1-2）的开口处的封帽（8）。

10.根据权利要求9所述的螺纹式土壤水分测量装置，其特征在于，螺纹式土壤水分测量装置还包括安装在灌封体（1）上端的出线连接器（7），出线连接器（7）的一端与控制电路板（6）的数据传输模块连接。