CN114487119B - 一种融合土壤容重的土壤含水率超声波检测装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种融合土壤容重的土壤含水率超声波检测装置及方法，装置包括土壤容器和可调升降台；所述可调升降台包括双头螺杆、锁止螺栓、上支撑平台、夹持板、左限位螺栓、右限位螺栓、下支撑平台、下螺孔、上螺孔、红外感知模块和位置感知模块；所述上支撑平台、夹持板与下支撑平台通过双头螺杆连接；所述双头螺杆通过锁止螺栓锁紧；所述夹持板的前端设置有与土壤容器相匹配的夹持部，并通过左限位螺栓、右限位螺栓对土壤容器进行固定；所述红外感知模块设置在夹持板上；所述位置感知模块设置在所述夹持板后端。本发明利用声速及土壤容重双参数来反演修正土壤含水量模型，具有计算速度快，应用范围广的特点。
Description
技术领域
本发明涉及土壤含水率的监测领域，具体涉及一种融合土壤容重的土壤含水率超声波检测装置与方法。
背景技术
土壤水分是土壤中最重要的组成部分之一，在土壤形成过程中起着极其重要的作用，参与许多土壤物质转化过程，是作物吸收水分的主要来源。土壤容重是另一个重要的土壤参数。用不同的土壤压实指标表征了土壤容重和颗粒密度。在长期的土壤水分监测中，如果只考虑含水率的变化而忽略容重的变化，将严重影响土壤水分的测量和土壤水分运动参数的预测精度。目前，测量土壤水分的方法很多。传统的干燥质量方法能够准确测量不同深度的土壤水分信息，但测量过程复杂，且检测结果不能实时获得。相比之下，常用的测量方法如遥感等不测量表层土壤含水量，相应的测量设备也比较昂贵。此外，介电性质法的测量结果受土壤介电性质的影响较大，在相应的测量过程中土壤会遭到破坏。
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，提供一种融合土壤容重的土壤含水率超声波检测装置与方法，本发明的装置可同时测量土壤容重、测量土壤相关声参量数据时探头只需贴合土壤表面，对土壤结构不具破坏性，且结合红外线感知模块以及位置感知模块精确得到辅助参数，准确得出测量结果并修正。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种融合土壤容重的土壤含水率超声波检测装置，包括土壤容器和可调升降台；所述可调升降台包括双头螺杆、锁止螺栓、上支撑平台、夹持板、左限位螺栓、右限位螺栓、下支撑平台、下螺孔、上螺孔、红外感知模块和位置感知模块；所述上支撑平台、夹持板与下支撑平台通过双头螺杆连接；所述双头螺杆通过锁止螺栓锁紧；所述夹持板的前端设置有与土壤容器相匹配的夹持部，并通过左限位螺栓、右限位螺栓对土壤容器进行固定；所述红外感知模块设置在夹持板上，用于集检测环境的温度并记录，并将采集到的温度数据通过温度补偿修正含水率模型；所述位置感知模块设置在所述夹持板后端，用于感知所述上支撑平台通过所述双头螺杆移动时与所述夹持板之间的距离，根据该距离得出接收换能器与发射换能器之间的测量距离，从而计算测试土壤体积。
作为优选的技术方案，所述土壤容器为圆柱形土壤容器。
作为优选的技术方案，所述上支撑平台、夹持板、下支撑平台的宽度相同且相互平行。
作为优选的技术方案，所述上支撑平台设有第一锥形孔，所述第一声锥形孔用于放置波测量仪的发射换能器，发射换能器的传输线通过上支撑平台内部的第一贯通孔进行传递，最后传输线经由夹持板上的第二贯通孔传递出去与声波测量仪的发射孔连接。
作为优选的技术方案，所述下支撑平台上设有第二锥形孔，所述第二锥形孔用于放置声波测量仪的接收换能器，接收换能器的传输线通过下支撑平台的槽孔进行传递，最后传输线经由夹持板上的第二贯通孔传递出去与声波测量仪的接收孔连接。
作为优选的技术方案，所述土壤容器下端带外螺纹，所述外螺纹与螺纹盖相匹配。
本发明另一方面提供了一种融合土壤容重的土壤含水率超声波检测装置的检测方法，包括下述步骤：
分别取不同质地的风干土壤样本，根据农田中所测得的原始紧实度分别对土样进行压实，按照计算所得的需要的含水量分别对不同质地的土样加水，在室温条件下保存设定时长，以使土样充分湿润；
测试声参量时，将土样容器的螺旋盖旋开，采用所述的融合土壤容重的土壤含水率超声波检测装置，将超声波的接发探头分别装入所述装置锥形孔中，并将超声波换能器的接收探头与土样表面紧密贴合，上表面与发射换能器的探头贴合，通过位置感知模块得知接收探头和发射探头之间的距离，测得土壤的容重值；
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的关系数据，建立考虑土壤容重的土壤含水量与超声波速度之间的含水量声速模型，并利用红外线温度感知模块测得温度，建立温度与超声波声参量的温度补偿模型，对土壤含水率模型进行修正；将建立的含水量反演模型对农田实际土壤进行声波检测以及测量土壤容重值，获得与土壤含水量信息相关声波速度及土壤容重信息，结合含水量反演模型获得土壤含水量信息。
作为优选的技术方案，所述获取土壤含水量与声波速度的关系数据，建立考虑土壤容重的土壤含水量与超声波速度之间的含水量声速模型，并利用红外线温度感知模块测得温度，建立温度与超声波声参量的温度补偿模型，对土壤含水率模型进行修正，具体为：
超声波发射探头和超声波接收探头分别与土样表面紧密贴合，启动超声波测量仪器，通过超声波发射探头向测试土样发射超声波，再通过超声波接收探头接收穿过测试土样的超声波，声波在土壤中传播时，因土壤的水分的差异会使声波传播路径发生影响，接收到的首波速度即反映了这种影响；再根据红外线温度感知模块实时监测的温度值，利用声参量与温度值的关系数据建立数学模型，用以对土壤含水率模型的修正。
作为优选的技术方案，所述将建立的含水量反演模型对农田实际土壤进行声波检测以及测量土壤容重值，获得与土壤含水量信息相关声波速度及土壤容重信息，结合含水量反演模型获得土壤含水量信息，具体为：
选择不同灌溉管理模式下的土壤来验证土壤含水率估计模型，取田间实际土壤对土壤的容重值、压力值进行测量，利用所述融合土壤容重的土壤含水率超声波检测装置对土壤进行声波测量，超声波发射探头和超声波接收探头分别与土样表面紧密贴合，启动超声波测量仪器，通过超声波发射探头向测试土样发射超声波，再通过超声波接收探头接收穿过测试土样的超声波，接收到的首波速度以及红外线模块感知的温度代入温度修正的含水率模型，反演得出实际土壤的含水率值。
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土壤容重双参数来反演修正土壤含水量模型，具有计算速度快，应用范围广的特点。
(2)本发明的装置还可同时测量土壤容重，测量土壤相关声参量数据时探头只需贴合土壤表面，对土壤结构不具破坏性，且结合红外线感知模块以及位置感知模块精确得到辅助参数，准确得出测量结果并修正，具有可重复、复合测量、无损检测以及具有实用价值的特点。
附图说明
图1为本发明融合土壤容重的土壤含水率超声波检测装置的结构示意图；
图2为本发明融合土壤容重的土壤含水率超声波检测装置的右视图；
图3为本发明融合土壤容重的土壤含水率超声波检测装置的主视图。
附图标号说明：
1-锁止螺栓、2-双头螺杆、3-上支撑平台、4-第一贯通孔、5-第一锥形孔、6-左限位螺栓、7-圆柱土壤容器、8-右限位螺栓、9-第二锥形孔、10-下支撑平台、11-槽孔、12-红外感知模块、13-下螺孔、14-夹持板、15-夹持孔、16-上螺孔、17-位置感知模块、18-螺纹盖、19-第二贯通孔。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例
如图1-图3所示，本实施例一种融合土壤容重的土壤含水率超声波检测装置，包括圆柱土壤容器7和可调升降平台，所述可调升降平台包括双头螺杆2、锁止螺栓1、上支撑平台3、夹持板14、左限位螺栓6、右限位螺栓8、下支撑平台10、下螺孔13、夹持孔15、上螺孔16、红外感知模块12、位置感知模块17；所述上支撑平台3、夹持板14与下支撑平台10通过双头螺杆2连接。
进一步的，所述双头螺杆依次2穿过上螺孔16、夹持孔15和下螺孔13，将上支撑平台3、夹持板14与下支撑平台10固定，所述上支撑平台3、夹持板14与下支撑平台10的宽度相同且相互平行，并通过锁止螺栓1锁紧伸缩距离，保证合适的实验高度。
进一步的，所述夹持板14的前端设有圆弧状的夹持部，该夹持部与圆柱土壤容器7相配合，并在调整到合适高度后利用左限位螺栓6和右限位螺栓8对圆柱土壤容器7进行固定。
在本申请的一个实施例中，所述上支撑平台3设有第一锥形孔5，目的是与声波测量仪的发射换能器进行配合，发射换能器的传输线通过上支撑平台3内部的第一贯通孔4进行传递，最后传输线经由夹持板14上的第二贯通孔19传递出去与声波测量仪的发射孔连接。
在本申请的一个实施例中，所述下支撑平台10设有第二锥形孔9，与声波测量仪的接收换能器进行配合，接收换能器的传输线通过下支撑平台10的槽孔11进行传递，最后传输线经由夹持板14上的第二贯通孔19传递出去与声波测量仪的接收孔连接。
进一步的，所述红外感知模块12设置在所述夹持板14上，用于集检测环境的温度并记录，将采集到的温度数据通过温度补偿修正含水率模型。
进一步的，所述位置感知模块17放置在所述夹持板14后端，用于感知所述上支撑平台3通过所述双头螺杆2移动时与所述夹持板14之间的距离，从而得出接收换能器与发射换能器之间的测量距离，从而可以计算测试土壤体积。
进一步的，所述圆柱土壤容器7下端带外螺纹，与螺纹盖18相互配合，可以使土壤平面尽可能平滑，保证后续配置水分和容重以及超声波测量。
在进行操作时，将圆柱土样容器7的螺纹盖18旋开，采用所述的融合土壤容重的土壤含水率超声波检测装置，将超声波的接发探头分别装入所述装置第一锥形孔5和第二锥形孔9中，并将超声波换能器的接收探头与土样表面紧密贴合，上表面与发射换能器的探头贴合，换能器与超声波设备之间的传输线分别通过所述上支撑平台3的第一贯通孔4以及所述下支撑平台10的槽孔11进行传递，最后传输线经由所述夹持板14上的第二贯通孔19传递出去与声波测量仪的发射孔连接，并通过位置感知模块17得知接收探头和发射探头之间的距离，测得土壤的容重值；紧接着对不同含水量的土样进行声波测试；并利用红外感知模块12测得温度。
本申请的另一个实施例中，还提供了一种融合土壤容重的土壤含水率超声波检测方法，包括下述步骤：
(1)分别取不同质地的风干土壤样本，根据农田中所测得的原始紧实度分别对土样进行压实，按照计算所得的需要的含水量分别对不同质地的土样加水，在室温条件下保存设定时长，以使土样充分湿润；
(2)测试声参量时，将圆柱土样容器的螺旋盖旋开，采用所述的融合土壤容重的土壤含水率超声波检测装置，将超声波的接发探头分别装入所述装置锥形孔中，并将超声波换能器的接收探头与土样表面紧密贴合，上表面与发射换能器的探头贴合，通过位置感知模块得知接收探头和发射探头之间的距离，测得土壤的容重值；
(3)对不同含水量的土样进行声波测试，超声波发射探头和超声波接收探头分别与土样表面紧密贴合，必要时可添加耦合剂使贴合更加紧密，启动超声波测量仪器，通过超声波发射探头向测试土样发射超声波，再通过超声波接收探头接收穿过测试土样的超声波，声波在土壤中传播时，因土壤的水分的差异会使声波传播路径发生影响，接收到的首波速度即反映了这种影响；再根据收集到的土壤含水量与声波速度的关系数据，建立考虑土壤容重的土壤含水量与超声波速度之间的含水量声速模型，并利用红外线温度感知模块实时监测温度，建立温度与超声波声参量的温度补偿模型，对土壤含水率模型进行修正；将建立的含水量反演模型对农田实际土壤进行声波检测以及测量土壤容重值，获得与土壤含水量信息相关声波速度及土壤容重信息，结合含水量反演模型获得土壤含水量信息。
所述将建立的含水量反演模型对农田实际土壤进行声波检测以及测量土壤容重值，获得与土壤含水量信息相关声波速度及土壤容重信息，结合含水量反演模型获得土壤含水量信息，具体为：
选择不同灌溉管理模式下的土壤来验证土壤含水率估计模型，取田间实际土壤对土壤的容重值、压力值进行测量，利用所述融合土壤容重的土壤含水率超声波检测装置对土壤进行声波测量，超声波发射探头和超声波接收探头分别与土样表面紧密贴合，启动超声波测量仪器，通过超声波发射探头向测试土样发射超声波，再通过超声波接收探头接收穿过测试土样的超声波，接收到的首波速度以及红外线模块感知的温度代入温度修正的含水率模型，反演得出实际土壤的含水率值。
本发明的原理是：土壤作为一种三相、非均质、多孔的系统，包含着复杂的物理信息，而超声波可以传递其中相当多的信息。超声波通过土壤时，土壤水分含量的变化反映在超声波参数的变化上。土壤含水率变化的同时会伴随着土壤容重的变化，引入土壤容重作为区分不同夯实程度的因子，即融合了土壤容重的超声脉冲技术可以为预测多种土壤含水量提供了一种新的方法。
本发明可适应不同种类的作业机械的轨道运输，具有适应性高，灵活度强，易于操作的特点。
在本发明的描述中，需要理解的是，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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，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，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (4)
1.一种根据融合土壤容重的土壤含水率超声波检测装置的检测方法，其特征在于，融合土壤容重的土壤含水率超声波检测装置包括土壤容器和可调升降台；所述可调升降台包括双头螺杆、锁止螺栓、上支撑平台、夹持板、左限位螺栓、右限位螺栓、下支撑平台、下螺孔、上螺孔、红外感知模块和位置感知模块；所述上支撑平台、夹持板与下支撑平台通过双头螺杆连接；所述双头螺杆通过锁止螺栓锁紧；所述夹持板的前端设置有与土壤容器相匹配的夹持部，并通过左限位螺栓、右限位螺栓对土壤容器进行固定；所述红外感知模块设置在夹持板上，用于收集检测环境的温度并记录，并将采集到的温度数据通过温度补偿修正含水率模型；所述位置感知模块设置在所述夹持板后端，用于感知所述上支撑平台通过所述双头螺杆移动时与所述夹持板之间的距离，根据该距离得出接收换能器与发射换能器之间的测量距离，从而计算测试土壤体积；所述上支撑平台设有第一锥形孔，所述第一锥形孔用于放置声波测量仪的发射换能器，发射换能器的传输线通过上支撑平台内部的第一贯通孔进行传递，最后传输线经由夹持板上的第二贯通孔传递出去与声波测量仪的发射孔连接；所述下支撑平台上设有第二锥形孔，所述第二锥形孔用于放置声波测量仪的接收换能器，接收换能器的传输线通过下支撑平台的槽孔进行传递，最后传输线经由夹持板上的第二贯通孔传递出去与声波测量仪的接收孔连接；
所述检测方法，包括下述步骤：
分别取不同质地的风干土壤样本，根据农田中所测得的原始紧实度分别对土样进行压实，按照计算所得的需要的含水量分别对不同质地的土样加水，在室温条件下保存设定时长，以使土样充分湿润；
测试声参量时，将土样容器的螺旋盖旋开，采用所述的融合土壤容重的土壤含水率超声波检测装置，将超声波的接发探头分别装入装置锥形孔中，并将超声波换能器的接收探头与土样表面紧密贴合，上表面与发射换能器的探头贴合，通过位置感知模块得知接收探头和发射探头之间的距离，测得土壤的容重值；
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的关系数据，建立考虑土壤容重的土壤含水量与超声波速度之间的含水量声速模型，并利用红外线温度感知模块测得温度，建立温度与超声波声参量的温度补偿模型，对土壤含水率模型进行修正；将建立的含水量反演模型对农田实际土壤进行声波检测以及测量土壤容重值，获得与土壤含水量信息相关声波速度及土壤容重信息，结合含水量反演模型获得土壤含水量信息，具体为：选择不同灌溉管理模式下的土壤来验证土壤含水率估计模型，取田间实际土壤对土壤的容重值、压力值进行测量，利用所述融合土壤容重的土壤含水率超声波检测装置对土壤进行声波测量，超声波发射探头和超声波接收探头分别与土样表面紧密贴合，启动超声波测量仪器，通过超声波发射探头向测试土样发射超声波，再通过超声波接收探头接收穿过测试土样的超声波，接收到的首波速度以及红外线模块感知的温度代入温度修正的含水率模型，反演得出实际土壤的含水率值；
所述对土壤含水率模型进行修正具体为：
超声波发射探头和超声波接收探头分别与土样表面紧密贴合，启动超声波测量仪器，通过超声波发射探头向测试土样发射超声波，再通过超声波接收探头接收穿过测试土样的超声波，声波在土壤中传播时，因土壤的水分的差异会使声波传播路径发生影响，接收到的首波速度即反映了这种影响；再根据红外线温度感知模块实时监测的温度值，利用声参量与温度值的关系数据建立数学模型，用以对土壤含水率模型的修正。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述土壤容器为圆柱形土壤容器。
3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述上支撑平台、夹持板、下支撑平台的宽度相同且相互平行。
4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述土壤容器下端带外螺纹，所述外螺纹与螺纹盖相匹配。
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