CN118112068A - 一种基于导热特性的土壤水分检测方法和传感器 - Google Patents
一种基于导热特性的土壤水分检测方法和传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN118112068A CN118112068A CN202410509693.0A CN202410509693A CN118112068A CN 118112068 A CN118112068 A CN 118112068A CN 202410509693 A CN202410509693 A CN 202410509693A CN 118112068 A CN118112068 A CN 118112068A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- soil
- thermistor
- temperature rise
- heating
- analog
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000002689 soil Substances 0.000 title claims abstract description 238
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 83
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 66
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 32
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 16
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 35
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 claims description 12
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 11
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 7
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 6
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 13
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 abstract description 12
- 239000010408 film Substances 0.000 description 29
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 13
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 13
- 239000008399 tap water Substances 0.000 description 8
- 235000020679 tap water Nutrition 0.000 description 8
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 5
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000012267 brine Substances 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 3
- HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M sodium;chloride;hydrate Chemical compound O.[Na+].[Cl-] HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000007605 air drying Methods 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 2
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 2
- 229910018487 Ni—Cr Inorganic materials 0.000 description 1
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N chromium nickel Chemical compound [Cr].[Ni] VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 229920006335 epoxy glue Polymers 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 239000003621 irrigation water Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 description 1
- 230000002688 persistence Effects 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000009738 saturating Methods 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
本公开提供的一种基于导热特性的土壤水分检测方法和传感器，涉及土壤含水量检测领域，包括：构建基于热敏电阻的桥式测温电路；由待测土壤制备不同含水率的标定土样，将热敏电阻放入各标定土样中进行加热，采集各标定土样的温升数据，并标定温升数据与土壤含水率的对应关系；将热敏电阻放入待测土壤中进行加热，采集待测土壤的温升数据，并利用待标定的对应关系得到待测土壤的含水率。传感器包括：壳体、基于热敏电阻的桥式测温电路、加热电路、模数转换器和单片机。本公开利用不同土壤含水率将导致温升速度不同的特性来检测土壤含水率，由于盐分含量对热传导过程的影响可忽略不计，因此可用于高盐分土壤含水率的检测，且能保证较高的测量精度。
Description
技术领域
本公开涉及土壤含水量检测领域，特别涉及一种基于导热特性的土壤水分检测方法和传感器。
背景技术
土壤墒情的准确监测是提高农业灌溉水利用效率的基础，其测定方式主要包括中子仪法、电阻法、张力计法和介电法等。基于介电法原理的检测方法主要包括时域反射（Time Domain Reflectometry，TDR）法、时域传输（Time Domain Transmission，TDT）法、频域分解FDD法和驻波比（Standing Wave Ratio，SWR）法等，因测量快速、无放射性、非破坏性等突出优点仍被广泛应用。但无论何种形式的基于介电法原理的土壤水分传感器，在盐碱地或高有机质含量土壤应用时就大大受限。有相关研究利用多种TDR仪器测试不同盐分质量浓度条件下的含水率，与烘干法测得的结果进行比较，结果表明，随盐分质量浓度的增加，测得的含水率值增大或是无法得出合理数值。因此在盐分含量较高的土壤中，如何准确测定土壤的含水率是业内普遍存在的难点问题。
发明内容
本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本公开的目的在于提出一种基于导热特性的土壤水分检测方法和传感器，利用温升变化与土壤含水率之间的关系来测定土壤含水率，且本公开可实现高盐分土壤含水率的准确测量，解决行业长期存在的问题。
本公开是基于以下原理提出的：多孔介质热传递方程式中的热学参量包括有效体积热容和有效热导率，含水率是决定性变量。一定体积内的土壤加热后，其温度变化量由热传递方程确定，由于热传递方程式中热学参量都是按照质量分数或体积分数加权，盐分含量对其影响是可以忽略的，因此通过测量温度变化量来测定土壤含水量在理论上具有可行性。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
本公开第一方面提供的一种基于导热特性的土壤水分检测方法，包括：
构建基于热敏电阻的桥式测温电路，所述桥式测温电路中除所述热敏电阻与土壤接触外，其余元器件均与土壤隔离；
由待测土壤制备不同含水率的第一标定土样，将所述热敏电阻分别放入各第一标定土样中，对所述热敏电阻进行恒功率加热，采集加热过程中各第一标定土样单位时间内的温升数据，并标定待测土壤单位时间的温升数据与土壤含水率的对应关系；
将所述热敏电阻放入待测土壤中，对所述热敏电阻进行恒功率加热，采集所述待测土壤单位时间内的温升数据，并利用所述待测土壤单位时间的温升数据与土壤含水率的对应关系得到待测土壤的含水率。
在一些实施例中，所述热敏电阻为利用FPC柔性板工艺将导电薄膜与聚酰亚胺薄膜进行层叠后形成的薄膜热敏电阻。
在一些实施例中，按照以下步骤确定所述热敏电阻的加热时间：
配置含水率分别为5%、15%、25%的标准土样，将所述热敏电阻放入各标准土样后，对所述热敏电阻按照等时间步长在[，/>]区间内进行恒功率加热，/>和/>分别为对所述热敏电阻进行恒功率加热的时长下限和时长上限，采集不同加热时间过程中土壤的温升数据，综合考虑包括温升数据的变化显著程度、功耗及长时加热对土壤性质造成的影响在内的多种因素，确定所述热敏电阻的加热时间。
在一些实施例中，所述温升数据由模数转换器采集并传输至单片机中，所述模数转换器的输入端与所述桥式测温电路的输出端连接，所述模数转换器的输出端与所述单片机的输入端连接，所述单片机内存储有所述模数转换器的模数关系、单位时间内温升数据与所述热敏电阻的阻值变化率之间的对应关系、以及所述待测土壤单位时间的温升数据与土壤含水率的对应关系；
所述模数转换器的模数关系和单位时间内温升数据与所述热敏电阻的阻值变化率之间的对用关系按照以下步骤确定：
制备第二标定土样，将所述热敏电阻放入各第二标定土样中，对所述热敏电阻进行恒功率加热，利用所述模数转换器采集加热过程中所述桥式测温电路的输出信号，得出温升上下限范围对应的模拟量范围，以此确定所述模数转换器的模数关系；
利用恒温槽逐点对应出单位时间内所述模数转换器的输出信号与所述热敏电阻的阻值变化率之间的对应关系，该对应关系即为所述单位时间内温升数据与所述热敏电阻的阻值变化率之间的对应关系；
采集加热过程中各第一标定土样单位时间内的温升数据后，通过烘干法标定所述待测土壤单位时间的温升数据与土壤含水率的对应关系。
在一些实施例中，选用具有不同导热系数的多种标准粉末物质作为相应的第二标定土样，对应含水率在干土、饱和土及其中间值的土样。
本公开第二方面提供的一种基于本公开第一方面任一实施例所述检测方法的土壤水分传感器，包括：
壳体；
基于热敏电阻的桥式测温电路，所述热敏电阻外露于所述壳体，以与待测土壤接触，所述桥式测温电路中的其他元器件封装于所述壳体内；
加热电路，封装于所述壳体内，用于对所述热敏电阻进行加热；
模数转换器，封装于壳体内，用于采集对所述热敏电阻加热过程中的实时温升数据；
单片机，封装于所述壳体内，所述单片机内存储有所述模数转换器的模数关系、单位时间内温升数据与所述热敏电阻的阻值变化率之间的对应关系、以及待测土壤单位时间内的温升数据与土壤含水率的对应关系，所述单片机通过开关控制所述加热电路的通断，并利用自带的时钟控制所述热敏电阻的加热时间，根据所述模数转换器采集的实时温升数据及存储的各类关系计算得到待测土壤的含水率；
供电单元，用于提供两路电压，一路为所述加热电路供电，另一路为所述桥式测量电路中除所述热敏电阻外的其他元器件、所述模数转换器和所述单片机进行供电。
本公开具有以下特点及有益效果：
本公开实施例将热敏电阻放入到土壤中，对热敏电阻进行恒功率加热，加热过程中，利用土壤含水率不同导致热敏电阻的温升速度不同的特性，则可根据实时采集单位时间内的温升数据得到土壤的含水率。且由于盐分含量对热传导过程的影响可忽略不计，因此本公开实施例提供的土壤水分检测方法和传感器对于高盐分土壤含水率的检测仍然有效，且具有较高的检测精度。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本公开第一方面实施例提供的一种基于导热特性的土壤水分检测方法的整体流程图；
图2为本公开第二方面实施例提供的热式土壤水分传感器的结构示意图；
图3为本公开第二方面实施例提供的热式土壤水分传感器的电路原理图；
图4（a）为本公开提供的对比例1中热式土壤水分传感器的测量值（加热前后热膜的电阻变化值）与土样含水率的率定关系曲线；
图4（b）为自来水和25%浓度盐水饱和后蒸发测定曲线对比；
图5为本公开提供的对比例2中自来水饱和自然蒸发不同型号传感器的检测数据曲线；
图6为本公开提供的对比例2中高盐分含量土壤蒸发过程中，热式土壤水分传感器与烘干法测量的对比数据。
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。
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，并不用于限定本申请。
相反，本申请涵盖任何由权利要求定义的在本申请精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本申请有更好的了解，在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。
参见图1，本公开第一方面实施例提供的一种基于导热特性的土壤水分检测方法，包括以下步骤：
步骤S1、构建基于热敏电阻的桥式测温电路，该桥式测温电路中除热敏电阻与土壤接触外，其余元器件均与土壤隔离；
步骤S2、由待测土壤制备不同含水率的第一标定土样，将热敏电阻分别放入各第一标定土样中，对热敏电阻进行恒功率加热，采集加热过程中各第一标定土样单位时间内的温升数据，并标定待测土壤单位时间的温升数据与土壤含水率的对应关系；
步骤S3、将热敏电阻放入待测土壤中，对热敏电阻进行恒功率加热，采集待测土壤单位时间内的温升数据，并利用待测土壤单位时间的温升数据与土壤含水率的对应关系得到待测土壤的含水率。
本公开实施例将热敏电阻放入到土壤中，对热敏电阻进行恒功率加热，加热过程中，利用土壤含水率的不同将导致热敏电阻的温升速度不同的特性，则可根据实时采集到单位时间内的温升数据得到土壤的含水率。
进一步地，考虑到加热效果、土样接触的面积、散热速度等情况，本实施的热敏电阻采用薄膜热敏电阻，其是利用FPC柔性板的标准工艺将铜箔和聚酰亚胺薄膜（本实施例中，聚酰亚胺薄膜的直径为37mm、厚度为0.1mm）进行层叠后形成的薄膜热敏电阻。与现有的镍铬膜热电阻相比，采用聚酰亚胺薄膜，其热容比较小，升降温迅速，测量精度更高。
进一步地，本公开实施例综合考虑温升数据的变化显著程度、功耗和避免过长时间的加热对土壤性质造成的影响等因素，按照以下步骤确定薄膜热敏电阻的加热时间：
由于土壤的重量含水率范围大致在5%~25%之间，故先配置重量含水率分别为5%、15%、25%的标准土样，将薄膜热敏电阻放入各标准土样后，对薄膜热敏电阻按照等时间步长在[，/>]区间内进行恒功率加热，/>和/>分别为对薄膜热敏电阻进行恒功率加热的时长下限和时长上限（在本申请的一个实施例中，对薄膜热敏电阻分别进行恒功率加热10s、20s 直至180s，时间步长取为10s），通过高精度的测温电路，得到不同加热时间过程中土壤温升的数据，测温电路的测量精度应满足能测出土壤温升变化的要求，本实施例采用的测温电路的测量精度为0.001度。经过大量的测试，得到不同含水率的土样，恒功率加热过程中，10s~20s间土壤的温升变化率最显著，为了保持加热的持续性，考虑到功耗和避免过长的加热对土壤性质造成的影响，因此，加热时间选定为30s。
进一步地，本公开实施例中温升数据由模数转换器采集并传输至单片机中，模数转换器的输入端与桥式测温电路的输出端连接，模数转换器的输出端与单片机的输入端连接。
进一步的，为了降低功耗，薄膜热敏电阻的加热功率选用1w；为了提高测量精度，模数转换器选用ADS1220高速模数转换器，单片机则选用性价比高且具有定时器的STM32F103单片机。
进一步地，单片机内存储有ADS1220模数转换器的模数关系、单位时间内温升数据与薄膜热敏电阻的阻值变化率之间的对应关系、以及待测土壤单位时间的温升数据与土壤含水率的对应关系。其中，ADS1220模数转换器的模数关系以及单位时间内温升数据与薄膜热敏电阻的阻值变化率之间的对应关系按照以下步骤确定：
考虑到土壤的异质性较大，为避免测量结果的不一致性，本实施例中用标准粉末物质代替土样进行模数转换器模数关系的标定，具体地，将薄膜热敏电阻分别放置于4种不同导热系数的标准粉末物质，对应干土、含水率1、含水率2和饱和土样，并将薄膜热敏电阻分别放入各标准粉末物质中，对薄膜热敏电阻进行恒功率(1w)加热30s，得到温升范围为0~3℃的数据，此范围对应了ADS1220的数字量范围（本实施例选用100万~500万），从而可以得到ADS1220的模数关系，并写入单片机中；
利用恒温槽逐点对应出单位时间内模数转换器的输出信号与薄膜热敏电阻的阻值变化率之间的对用关系，该对应关系即为单位时间内温升数据与薄膜热敏电阻的阻值变化率之间的对应关系，将其写入单片机中。
测量时，单片机实时采集到ADS1220的数字量，并利用ADS1220的模数关系、温升数据和薄膜热敏电阻的阻值之间的对应关系，计算出加热10~20s过程中，薄膜热敏电阻的阻值变化量（代表了土样性质的单位时间的温升数据）。
进一步地，利用烘干法得到单位时间的温升数据与土壤含水率的对应关系，具体包括以下步骤：
步骤S31、在有机玻璃制作成的直径20cm、高12cm的土罐（土罐底部均匀分布有直径为1.5mm的吸水孔）中，按设计容重，均匀填入待测土样，并插入薄膜热敏电阻；
步骤S32、将土罐置于盛放有自来水的容器中，容器中的水面尽量接近土罐上沿，但是不能漫进土罐，静置24h，使土样达到饱和状态；
步骤S33、将土罐从容器中取出并静置在空气中进行蒸发，启动测量，同时利用烘干法间隔一定时间测量土壤的含水率；
步骤S34、通过拟合得到薄膜热敏电阻的变化率与土壤含水率的对应关系，y = -0.0009x + 0.6695，R² = 0.9871（x为热敏电阻的阻值变化量，单位mΩ，y为对应的土壤含水率）。
参见图2、图3，本公开第二方面实施例提供的一种基于上述检测方法的热式土壤水分传感器，包括：
壳体；
基于热敏电阻的桥式测温电路，热敏电阻外露于壳体，以与土壤接触，桥式测量电路中的其他元器件封装于壳体内；
供电单元，由串联的锂电池组成，用于提供两路电压，一路为加热电路供电，另一路为桥式测量电路中除热敏电阻外的其他元器件、模数转换器和单片机进行供电；
加热电路，封装于壳体内，用于对热敏电阻进行加热；
模数转换器，封装于壳体内，用于采集对热敏电阻加热过程中的实时温升数据；
单片机，封装于壳体内，单片机内存储有模数转换器的模数关系、单位时间内温升数据与热敏电阻的阻值变化率之间的对应关系、以及待测土壤单位时间内的温升数据与土壤含水率的对应关系，单片机用于通过开关控制加热电路的通断并利用自带的时钟控制热敏电阻的加热时间，并通过SPI通讯接口与模数转换器进行通讯，根据模数转换器采集的实时温升数据及存储的各类关系计算得到待测土壤的含水率；
供电单元，用于提供两路电压，一路为加热电路供电，另一路为桥式测量电路中除热敏电阻外的其他元器件、模数转换器和单片机进行供电。
进一步地，本实施例中的热敏电阻采用薄膜热敏电阻，参见图2，其是将铜箔和聚酰亚胺薄膜（直径37mm、厚度0.1mm），用FPC柔性板的标准工艺加工到一起形成PCD电路板，其接线部分接入测量电路中，测量电路用环氧胶密封于PVC壳体内，组成热式土壤水分传感器。
进一步地，参见图3，本实施例中的供电单元包括电源、升压电路和降压电路，电源输出的电压经升压电路升压后为热膜传感器加热电路供电，电源输出的电压经降压电路降压后为桥式测温电路、模数转换器和单片机供电。本实施例中，电源采用两节串联的锂电池，可提供8V的直流电；升压电路将8V的直流电升压到20V的直流电后为加热电路供电；降压电路将8V的直流电降压至3.3V的直流电后为桥式测温电路、模数转换器和单片机供电。
进一步地，本实施例中，模数转换器的型号为ADS12220，单片机采用的型号为STM32F103。
进一步地，本实施例提供的热式土壤水分传感器的工作过程为：
测量时，首先单片机通过控制开关量，形成加热回路给薄膜热敏电阻加热，单片机通过时钟精确控制加热时间为30s。由于薄膜热敏电阻跟土壤紧密接触，加热过程中，由于土壤含水率不同，土壤温升速率不同，从而导致薄膜热敏电阻值的变化率不同，从而桥式测温电路的输出压差发生改变（mv级），由ADS1220模数转换器高速采集桥式测温电路的差压值，并转换成对应的数字量，单片机通过SPI串口通讯实时采集记录ADS1220模数转换器输出的数字量，并通过计算得到10s~20s内的温升变化量（对应了薄膜热电阻的阻值变化量，mΩ），并根据单片机内存储的温升数据与待测土壤含水率的对应关系计算出待测土壤的含水率。
为了验证本公开实施例的有效性，现提供以下对比例：
对比例1. 含水率标定及盐分影响测定实验
本实施例的测试步骤如下：
1）在有机玻璃制作成的直径20cm，高12cm的土罐（底部均匀分布1.5mm的吸水孔）中，按设计容重，均匀填入大田砂壤土样，并插入本公开实施例提供的热式土壤水分传感器；
2）将土罐置于盛放有自来水的容器中，容器中的水面尽量接近土罐上沿，但是不能漫进土罐，静置24h，使土样达到饱和状态；
3）将土罐从容器中取出静置在空气中进行自然蒸发，同时启动本公开实施例提供的热式土壤水分传感器开始采集数据；
4）利用3个铝盒定期进行土样采集，并用烘干法测量土壤的平均重量含水率；
5）当土壤达到接近自然风干状态后，用25%浓度的盐水（用250g食用盐放入1000ml的纯水中）重新饱和土样进行自然蒸发；
6）蒸发过程中，定期用3个铝盒进行土样采集，并利用烘干法测量出对应的平均重量含水率。
自来水和25%浓度盐水的饱和土壤蒸发过程测试数据分别参见表1和表2的原始数据，在excel中对表1和表2的数据进行绘图，得到如图4所示的曲线。
如图4中（a）所示，自来水饱和土样自然蒸发过程中，本公开实施例提供的热式土壤水分传感器的测量值（加热前后薄膜热敏电阻的变化值）跟土样的重量含水率具有非常好的线性关系。
一般情况， 1.0%<TSC（盐分重/干土重）≤3.0%为超重度盐渍土，用250g食用盐放入1000ml的实验室制备的纯水中，进行土样（干土重为2000g）饱和，饱和过程中，用密封袋套住系统，以免蒸发，实际的TSC 为12%左右，由图4中（b）可以看出，在超高盐分含量下，本公开实施例提供的土壤水分传感器的测量值几乎不受影响。
对比例2. 与目前已有土壤水分传感器的性能对比测试实验
本实施例的测试步骤如下：
1）在有机玻璃制作成的直径20cm，高12cm的土罐（底部均匀分布1.5mm的吸水孔）中按1.4g/cm³干容重，均匀填入大田砂壤土样，插入本公开实施例提供的热式土壤水分传感器、以及现有的TDR-310S土壤3参数传感器、HydraProbeII土壤3参数传感器；
2）将土罐置于盛放有自来水的容器中，容器中的水面尽量接近土罐上沿，但是不能漫进土罐，静置24h，使土样达到饱和状态；
3）将土罐从容器中取出，静置在空气中进行自然蒸发，同时启动各传感器开始采集数据；
4）当土壤达到接近自然风干状态后，将测量数据导出，得到如图5所示的对比曲线；
5）再用15%浓度的盐水重新饱和土样进行自然蒸发；
6）蒸发过程中，定期用3个铝盒进行土样采集，利用烘干法测量出对应的高盐分含量土壤的平均重量含水率，得到表3所示的实验数据。
由图5可以看出，在自来水饱和土样蒸发测定实验中，3个传感器的测量数据接近，本公开实施例提供的土壤水分传感器的测量值与HydraProbeII /美国Stevens传感器更为接近。
由表3及图6可以看出，在高盐分含量下，本公开实施例提供的土壤水分传感器的测量值与烘干法测定的数据基本一致，而另外2种传感器的测量数据已经完全失效，证明本公开实施例提供的土壤水分传感器可以准确测定高盐分土壤的含水率，解决业内长期存在的难点问题。
本说明书的描述中，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示例，可以理解的是，上述示例是示范性的，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示例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于导热特性的土壤水分检测方法，其特征在于，包括：
构建基于热敏电阻的桥式测温电路，所述桥式测温电路中除所述热敏电阻与土壤接触外，其余元器件均与土壤隔离；
由待测土壤制备不同含水率的第一标定土样，将所述热敏电阻分别放入各第一标定土样中，对所述热敏电阻进行恒功率加热，采集加热过程中各第一标定土样单位时间内的温升数据，并标定待测土壤单位时间的温升数据与土壤含水率的对应关系；
将所述热敏电阻放入待测土壤中，对所述热敏电阻进行恒功率加热，采集所述待测土壤单位时间内的温升数据，并利用所述待测土壤单位时间的温升数据与土壤含水率的对应关系得到待测土壤的含水率。
2.根据权利要求1所述的土壤水分检测方法，其特征在于，所述热敏电阻为利用FPC柔性板工艺将导电薄膜与聚酰亚胺薄膜进行层叠后形成的薄膜热敏电阻。
3.根据权利要求1所述的土壤水分检测方法，其特征在于，按照以下步骤确定所述热敏电阻的加热时间：
配置含水率分别为5%、15%、25%的标准土样，将所述热敏电阻放入各标准土样后，对所述热敏电阻按照等时间步长在[，/>]区间内进行恒功率加热，/>和/>分别为对所述热敏电阻进行恒功率加热的时长下限和时长上限，采集不同加热时间过程中土壤的温升数据，综合考虑包括温升数据的变化显著程度、功耗及长时加热对土壤性质造成的影响在内的多种因素，确定所述热敏电阻的加热时间。
4.根据权利要求1所述的土壤水分检测方法，其特征在于，所述温升数据由模数转换器采集并传输至单片机中，所述模数转换器的输入端与所述桥式测温电路的输出端连接，所述模数转换器的输出端与所述单片机的输入端连接，所述单片机内存储有所述模数转换器的模数关系、单位时间内温升数据与所述热敏电阻的阻值变化率之间的对应关系、以及所述待测土壤单位时间的温升数据与土壤含水率的对应关系；
所述模数转换器的模数关系和单位时间内温升数据与所述热敏电阻的阻值变化率之间的对用关系按照以下步骤确定：
制备第二标定土样，将所述热敏电阻放入各第二标定土样中，对所述热敏电阻进行恒功率加热，利用所述模数转换器采集加热过程中所述桥式测温电路的输出信号，得出温升上下限范围对应的模拟量范围，以此确定所述模数转换器的模数关系；
利用恒温槽逐点对应出单位时间内所述模数转换器的输出信号与所述热敏电阻的阻值变化率之间的对应关系，该对应关系即为所述单位时间内温升数据与所述热敏电阻的阻值变化率之间的对应关系；
采集加热过程中各第一标定土样单位时间内的温升数据后，通过烘干法标定所述待测土壤单位时间的温升数据与土壤含水率的对应关系。
5.根据权利要求4所述的土壤水分检测方法，其特征在于，选用具有不同导热系数的多种标准粉末物质作为相应的第二标定土样，对应含水率在干土、饱和土及其中间值的土样。
6.一种基于导热特性的土壤水分传感器，其特征在于，包括：
壳体；
基于热敏电阻的桥式测温电路，所述热敏电阻外露于所述壳体，以与待测土壤接触，所述桥式测温电路中的其他元器件封装于所述壳体内；
加热电路，封装于所述壳体内，用于对所述热敏电阻进行加热；
模数转换器，封装于壳体内，用于采集对所述热敏电阻加热过程中的实时温升数据；
单片机，封装于所述壳体内，所述单片机内存储有所述模数转换器的模数关系、单位时间内温升数据与所述热敏电阻的阻值变化率之间的对应关系、以及待测土壤单位时间内的温升数据与土壤含水率的对应关系，所述单片机通过开关控制所述加热电路的通断，并利用自带的时钟控制所述热敏电阻的加热时间，根据所述模数转换器采集的实时温升数据及存储的各类关系计算得到待测土壤的含水率；
供电单元，用于提供两路电压，一路为所述加热电路供电，另一路为所述桥式测量电路中除所述热敏电阻外的其他元器件、所述模数转换器和所述单片机进行供电。
7.根据权利要求6所述的土壤水分传感器，其特征在于，所述热敏电阻为利用FPC柔性板工艺将导电薄膜与聚酰亚胺薄膜进行层叠后形成的薄膜热敏电阻。
8.根据权利要求6所述的土壤水分传感器，其特征在于，按照以下步骤确定所述热敏电阻的加热时间：
配置含水率分别为5%、15%、25%的标准土样，将所述热敏电阻放入各标准土样后，对所述热敏电阻按照等时间步长在[，/>]区间内进行恒功率加热，/>和/>分别为对所述热敏电阻进行恒功率加热的时长下限和时长上限，采集不同加热时间过程中土壤的温升数据，综合考虑包括温升数据的变化显著程度、功耗及长时加热对土壤性质造成的影响在内的多种因素，确定所述热敏电阻的加热时间。
9.根据权利要求6所述的土壤水分传感器，其特征在于，所述模数转换器的模数关系和单位时间内温升数据与所述热敏电阻的阻值变化率之间的对用关系按照以下步骤确定：
将不同含水率的第二标定土样放入恒温槽中，并将所述热敏电阻放入各第二标定土样中，对所述热敏电阻进行恒功率加热，利用所述模数转换器采集加热过程中所述桥式测温电路的输出信号，以此标定所述模数转换器的模数关系；
利用所述恒温槽逐点对应出单位时间内所述模数转换器的输出信号与所述热敏电阻的阻值变化率之间的对应关系，该对应关系即为所述单位时间内温升数据与所述热敏电阻的阻值变化率之间的对应关系；
所述待测土壤单位时间内的温升数据与土壤含水率的对应关系按照以下步骤确定：
由待测土壤制备不同含水率的第一标定土样，将所述热敏电阻分别放入各第一标定土样中，对所述热敏电阻进行恒功率加热，采集加热过程中各第一标定土样单位时间内的温升数据，利用烘干法标定待测土壤单位时间的温升数据与土壤含水率的对应关系。
10.根据权利要求9所述的土壤水分传感器，其特征在于，选用具有不同导热系数的多种标准粉末物质作为相应的一种第二标定土样，对应含水率在干土、饱和土及其中间值的土样。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410509693.0A CN118112068A (zh) | 2024-04-26 | 2024-04-26 | 一种基于导热特性的土壤水分检测方法和传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410509693.0A CN118112068A (zh) | 2024-04-26 | 2024-04-26 | 一种基于导热特性的土壤水分检测方法和传感器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118112068A true CN118112068A (zh) | 2024-05-31 |
Family
ID=91214025
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410509693.0A Pending CN118112068A (zh) | 2024-04-26 | 2024-04-26 | 一种基于导热特性的土壤水分检测方法和传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN118112068A (zh) |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61233350A (ja) * | 1985-04-09 | 1986-10-17 | Norin Suisansyo Nogyo Kankyo Gijutsu Kenkyusho | 土壌水分測定装置 |
| JPS63193051A (ja) * | 1987-02-06 | 1988-08-10 | Shimizu Constr Co Ltd | 熱伝導率による土壌等の水分測定方法 |
| KR20030041628A (ko) * | 2001-11-21 | 2003-05-27 | 한국수자원공사 | 저수지 유역내 토질 함수율 측정 시스템 |
| CN101598690A (zh) * | 2009-07-09 | 2009-12-09 | 北京师范大学 | 基于热脉冲的土壤水分测定方法 |
| CN105067497A (zh) * | 2015-07-27 | 2015-11-18 | 北京师范大学 | 一种土壤水分入渗测量装置 |
| CN111189878A (zh) * | 2020-01-23 | 2020-05-22 | 福建省恒鼎建筑工程有限公司 | 土壤含水量检测系统及土壤肥瘦预警方法 |
| CN113008935A (zh) * | 2021-03-10 | 2021-06-22 | 中国农业大学 | 一种土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置及方法 |
| CN113406007A (zh) * | 2021-06-16 | 2021-09-17 | 南京大学 | 一种基于热脉冲全同弱光纤光栅阵列的土壤含水率智能监测系统及原位标定方法 |
| CN117074458A (zh) * | 2023-05-04 | 2023-11-17 | 江西省水利科学院(江西省大坝安全管理中心、江西省水资源管理中心) | 一种加热光纤分布式同步测定土壤水热参数的方法 |
| CN117110719A (zh) * | 2023-09-20 | 2023-11-24 | 中国农业大学 | 一种测量土壤孔隙水电导率的方法及装置 |
-
2024
- 2024-04-26 CN CN202410509693.0A patent/CN118112068A/zh active Pending
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61233350A (ja) * | 1985-04-09 | 1986-10-17 | Norin Suisansyo Nogyo Kankyo Gijutsu Kenkyusho | 土壌水分測定装置 |
| JPS63193051A (ja) * | 1987-02-06 | 1988-08-10 | Shimizu Constr Co Ltd | 熱伝導率による土壌等の水分測定方法 |
| KR20030041628A (ko) * | 2001-11-21 | 2003-05-27 | 한국수자원공사 | 저수지 유역내 토질 함수율 측정 시스템 |
| CN101598690A (zh) * | 2009-07-09 | 2009-12-09 | 北京师范大学 | 基于热脉冲的土壤水分测定方法 |
| CN105067497A (zh) * | 2015-07-27 | 2015-11-18 | 北京师范大学 | 一种土壤水分入渗测量装置 |
| CN111189878A (zh) * | 2020-01-23 | 2020-05-22 | 福建省恒鼎建筑工程有限公司 | 土壤含水量检测系统及土壤肥瘦预警方法 |
| CN113008935A (zh) * | 2021-03-10 | 2021-06-22 | 中国农业大学 | 一种土壤含水量、热特性和电导率的原位测定装置及方法 |
| CN113406007A (zh) * | 2021-06-16 | 2021-09-17 | 南京大学 | 一种基于热脉冲全同弱光纤光栅阵列的土壤含水率智能监测系统及原位标定方法 |
| CN117074458A (zh) * | 2023-05-04 | 2023-11-17 | 江西省水利科学院(江西省大坝安全管理中心、江西省水资源管理中心) | 一种加热光纤分布式同步测定土壤水热参数的方法 |
| CN117110719A (zh) * | 2023-09-20 | 2023-11-24 | 中国农业大学 | 一种测量土壤孔隙水电导率的方法及装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wallihan | Modification and use of an electric hygrometer for estimating relative stomatal apertures | |
| CN105136873B (zh) | 一种集成传感器及其制备方法 | |
| CN107064243B (zh) | 一种陶土介质电容式土壤基质势测量方法 | |
| CN106932447B (zh) | 一种栽培基质含水量电导率的复合修正方法 | |
| CN117110719A (zh) | 一种测量土壤孔隙水电导率的方法及装置 | |
| CN118112068A (zh) | 一种基于导热特性的土壤水分检测方法和传感器 | |
| CN101782417A (zh) | 一种自动测量水位变化的方法及装置 | |
| Wang et al. | Maximum slope method for evaluating thermal conductivity probe data | |
| Amer et al. | SOIL MOISTURE SENSORS FOR CONTINUOUS MONITORING 1 | |
| CN106769629A (zh) | 一种土壤质量含水量检测方法 | |
| US5872454A (en) | Calibration procedure that improves accuracy of electrolytic conductivity measurement systems | |
| CN112903748B (zh) | 一种饱和软土界面接触热阻及导热系数测量装置及方法 | |
| CN107677312B (zh) | 一种片式海水温盐深仪 | |
| Aswani et al. | Capacitive fringing sensor based on PCB for the detection of moisture content in grain | |
| Broadbent et al. | A miniature rigid/flex salinity measurement device fabricated using printed circuit processing techniques | |
| CN113866392A (zh) | 土壤多参数测量系统及其测量方法 | |
| US3522732A (en) | Sensing element for hygrometers | |
| Enfield et al. | Conductivity instrumentation for in situ measurement of soil salinity | |
| CN113433299A (zh) | 一种具有压力、温度调节及生物电信号输出的人体模拟装置 | |
| CN113237526A (zh) | 一种非接触式液体体积和质量自动测量装置及测量方法 | |
| CN110426419A (zh) | 数字式的电阻式的水分传感器 | |
| CN106556469B (zh) | 一种基于负温度系数热敏电阻的温度链传感器 | |
| CN2396397Y (zh) | 电容式土壤湿度测定仪(1) | |
| Ino et al. | Microsensor device for minimally invasive measurement of moisture storage in plants shoots | |
| Kaufmann et al. | A portable instrument for rapidly measuring conductance and transpiration of conifers and other species |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |