CN202649158U - 插管式土壤水分温度传感器 - Google Patents

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吴志刚
余国河
王艳斌
牛素军
陈涛
李鹏
乔长城
韩振宇
张振强
李秀红
金琪
吴苏
冶金
王一
朱东红
黄小龙
裴巧萍
刘伟杰
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Abstract

本实用新型涉及插管式土壤水分温度传感器,包括传感器本体,该传感器本体上自上而下依次设置控制处理单元和分层布置的至少一个传感器节点,每个传感器节点设置频率采集单元用于采集土壤的水分信息,所述每个传感器节点上还设置温度采集单元用于接收控制处理单元的控制信号,进行温度信号采集,所述控制处理单元通过电缆与所有传感器节点通讯连接;本实用新型的结构独特,成本低廉,安装简单,维护方便,且实现了传感器的集成化、小型化和智能化。

Description

插管式土壤水分温度传感器
技术领域
本实用新型属于土壤水分和地温自动测量技术领域,涉及一种插管式结构的土壤水分和温度双参数融合测量的传感器。 
背景技术
土壤水分和地温自动测量技术广泛应用于农业、水利、气象、林业和生态等重要的监测项目中。土壤水分测量技术是节水抗旱实施的重要技术保障,地温测量对农、林、牧业的区域规划有重大意义,除此,冻土地区生产建设、地下矿产和地热资源的开采都需要地温数据资料的支持。插管式土壤水分温度测量传感器是实现变量灌溉、墒情监测和地温自动测量的重要技术手段。
    目前国内外土壤水分自动测量的方法有很多种,利用土壤的介电特性来测量土壤含水量是一种有效、快速、简便且可靠的方法。其中TDR(Time Domain Reflectometry)时域反射法和FDR(Frequency Domain Reflectometry)频域反射法、驻波法等测量方法都属于基于土壤介电特性的土壤水分测量方法,并在土壤水分自动测量领域得到了广泛应用。插管式土壤水分温度传感器土壤水分的测量是基于FDR高频电子技术,用于通过测量土壤的介电常数对不同深度剖面的土壤含水量进行测量。
传统的土壤水分和地温测量传感器利用探针直接与土壤接触的方式检测土壤的含水量和温度,这种测量方式操作比较简单,并且能够实现土壤水分和温度的实时自动测量。但这种测量方式的主要缺点在于:只能进行单点测量,如果要求不同深度的土壤水分和地温,必须挖开土壤剖面进行传感器的分层埋设,工程量大,不易维护,而且需要土壤自然沉降和仪器稳定的过程,大面积推广难度较大;另外,这类传感器在使用过程中必须长期掩埋在土壤内,其金属探针易腐蚀,必然导致测量精度下降,现有土壤水分测量传感器和地温测量传感器虽然有很多种,但还没有土壤水分和地温双参数融合测量的传感器。现有的专利号为ZL200720090099.4的一种土壤水分传感器包括传感器本体,该传感器本体上自上而下依次设置控制处理单元和分层布置的至少一个传感器节点,每个传感器节点设置频率采集单元用于采集土壤的水分信息,采用该传感器能够测得土壤的水分信息,采用另外的温度传感器测得采样时的温度,但是不能得到准确的该处土壤的温度信息,且采用不同的传感器分别采集土壤的水分和温度的工作量大、不易维护。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种插管式土壤水分温度传感器,以解决现有土壤水分和温度的不同传感器测量而造成的工作量大、不易维护、测量精度下降的问题。
为实现上述目的,本实用新型的插管式土壤水分温度传感器技术方案如下:包括传感器本体,该传感器本体上自上而下依次设置控制处理单元和分层布置的至少一个传感器节点,每个传感器节点设置频率采集单元用于采集土壤的水分信息,所述每个传感器节点上还设置温度采集单元用于接收控制处理单元的控制信号,进行温度信号采集,所述控制处理单元通过电缆与所有的传感器节点通讯连接。
进一步的,所述控制处理单元包括CPU、一个电源转换模块、多路电子开关、插座和多芯排线端子,所述插座用于电源的输入,电源转换模块与CPU和温度采集单元供电连接,CPU控制连接多路电子开关和多芯排线端子。
进一步的,所述频率采集单元包括一个片选单元、一个电源转换单元、一个LC振荡电路和两个分频电路;控制处理单元输出的电压通过片选单元连接频率采集单元的电源转换单元,电源转换单元供电连接LC振荡电路和分频电路;LC振荡电路上有一组焊接点接两个铜环作为电容,该电容与电感组成LC振荡电路,LC振荡电路产生高频信号传送至分频电路,分频后通过片选单元汇聚到一根频率信号线上,传送至控制处理单元进行频率信号处理计算。
进一步的,所述温度采集单元包括片选单元和温度传感器,温度传感器由控制处理单元对其进行实时供电,多路温度传感器信号线通过片选单元汇聚到一根温度信号线上,传送至控制处理单元的CPU进行温度信号处理。
进一步的,所述温度采集单元的温度传感器焊接在频率采集单元上,并与铜环相接触。
进一步的,所述传感器本体上设有凹槽,所述控制处理单元和传感器节点均设于该凹槽内。
进一步的,所述传感器顶端设有提拉部件。
进一步的,所述传感器本体外插装设有保护套管,该保护套管的底端和顶端分别设有防水堵头和防水帽。
进一步的,所述防水帽上设有线缆出口。
本实用新型的插管式土壤水分温度传感器的传感器本体上设置频率采集单元和温度采集单元,可以有效地测量不同深度的土壤的水分含量和地温,设备集成度高、成本低;采用高频电容测量技术,准确检测不同的土壤水分,保证了信号的真实、准确性,测量的土壤水分分辨率达到0.1%,误差±2.5%;采用半导体数字温度传感器技术,测量温度范围-55℃~+85℃,测量精度±0.5℃;传感器采用模块化设计,可任意组建,增加灵活性,传感器测量深度可根据不同用户或地区的需求确定。本实用新型的结构独特,成本低廉,安装简单,维护方便,且实现了传感器的集成化、小型化和智能化。
使用时先将保护套管插入土壤中,再依次插装防水堵头、传感器本体和防水帽,这种插管式结构的传感器安装维护方便。
附图说明
图1是实施例的传感器保护套管结构示意图;
    图2是实施例的传感器本体结构示意图;
    图3是实施例的传感器铜环电容结构示意图。
具体实施方式
插管式土壤水分温度传感器如图1-3所示,包括管状PVC保护套管1,该PVC保护套管1的底端和顶端分别设有防水堵头2和防水帽4,使用时,PVC保护套管1先插入土壤中,再在PVC保护套管1内自下而上依次插装设置防水堵头2、传感器本体3和防水帽4,该防水帽4上设有线缆出口5。传感器本体与保护套管形状、长度相对应,该传感器本体侧面沿长度方向设有凹槽,该凹槽内设有:
    控制处理单元,用于分时供电采集控制和采集数据的计算处理;
    频率采集单元,用于接收控制处理单元的控制信号,进行频率信号分时采集;
    温度采集单元,用于接收控制处理单元的控制信号,进行温度采集;
一个频率采集单元和一个温度采集单元构成一个传感器节点,控制处理单元通过扁平电缆与沿传感器本体上凹槽长度方向分层设置的八传感器节点通讯连接。
如图2所示的一土壤水分温度传感器,该传感器为插杆多层式结构,共设置八层传感器节点,传感器本体顶端设有提环38,传感器本体侧面沿长度方向设有凹槽31,该凹槽31内上端设有控制处理电路板32作为控制处理单元。如图3所示,每个传感节点由两个铜环电容33、半导体温度传感器37、频率温度采集电路板36和片选电路板34组成。传感节点的数量可以为1~8个,各层位置可任意调整。两个铜环电容33与频率温度采集电路板36焊接点焊接,套装上筒式PVC骨架,并固定在凹槽31上;凹槽31内的扁平线缆与片选电路板34和控制处理电路板32连接。
频率温度采集电路板36与片选电路板34通过5芯排线连接。
半导体温度传感器37焊接在频率温度采集电路板36上,并与铜环紧密接触。
铜环的尺寸为:φ48㎜×25㎜,两个铜环间距为12㎜。
频率温度采集电路板36上具有LC振荡电路和分频电路,铜环电容作为振荡电路的一部分,将水分的变化转换为频率的变化。振荡电路的振荡频率变化在100MHZ~150MHZ之间。
整个插管式土壤水分温度传感器中控制处理单元,主要负责数据的计算处理、通讯、通过控制1个8路电子开关,实现对8路频率采集单元的分时供电控制;频率采集单元,负责频率信号的采集,接收控制处理单元的分时控制供电信号,实现对8路频率信号的分时采集;温度采集单元,由控制处理单元进行实时供电,产生温度信号;片选单元,用于选通频率采集电路的供电线和温度传感器的信号线。
控制处理单元板包括1个CPU ,1个电源转换单元,一个8路电子开关,1个4芯插座,1个20芯排线端子。CPU用于各种控制信号的控制、频率温度信号的处理计算、数据的存储;1个电源转换单元实现+12V到+5V转换;1个8路电子开关接收CPU 的控制信号,实现对8路频率采集单元的分时供电。4芯插座接收上位机的+12V供电,实现控制处理单元与上位机的485通讯;20芯排线端子主要包括GND、+12V、+5V、8路分时供电控制信号端口、频率信号端口和温度信号端口。
 频率采集单元包括一个电源转换单元、一个LC振荡电路和两个分频电路;电源转换单元将+12V转换为+5V,供给LC振荡电路和分频电路。LC振荡电路上有一组焊接点接两个铜环作为电容,该电容与电感组成LC振荡电路,LC振荡电路产生高频信号传送至分频电路,分频后通过扁平线缆的频率信号线传送至控制处理单元进行频率信号处理计算。
温度传感器为DS18B20半导体温度传感器。
片选单元用于选通8路供电控制信号和1路温度信号线。

Claims (9)

1.一种插管式土壤水分温度传感器,包括传感器本体,该传感器本体上自上而下依次设置控制处理单元和分层布置的至少一个传感器节点,每个传感器节点设置频率采集单元用于采集土壤的水分信息,其特征在于,所述每个传感器节点上还设置温度采集单元用于接收控制处理单元的控制信号,进行温度信号采集,所述控制处理单元通过电缆与所有的传感器节点通讯连接。
2.根据权利要求1所述的插管式土壤水分温度传感器,其特征在于:所述控制处理单元包括CPU、一个电源转换模块、多路电子开关、插座和多芯排线端子,所述插座用于电源的输入,电源转换模块与CPU和温度采集单元供电连接,CPU控制连接多路电子开关和多芯排线端子。
3.根据权利要求1所述的插管式土壤水分温度传感器,其特征在于:所述频率采集单元包括一个片选单元、一个电源转换单元、一个LC振荡电路和两个分频电路;控制处理单元输出的电压通过片选单元连接频率采集单元的电源转换单元,电源转换单元供电连接LC振荡电路和分频电路;LC振荡电路上有一组焊接点接两个铜环作为电容,该电容与电感组成LC振荡电路,LC振荡电路产生高频信号传送至分频电路,分频后通过片选单元汇聚到一根频率信号线上,传送至控制处理单元进行频率信号处理计算。
4.根据权利要求3所述的插管式土壤水分温度传感器,其特征在于:所述温度采集单元包括片选单元和温度传感器,温度传感器由控制处理单元对其进行实时供电,多路温度传感器信号线通过片选单元汇聚到一根温度信号线上,传送至控制处理单元的CPU进行温度信号处理。
5.根据权利要求4所述的插管式土壤水分温度传感器,其特征在于:所述温度采集单元的温度传感器焊接在频率采集单元上,并与铜环相接触。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的插管式土壤水分温度传感器,其特征在于:所述传感器本体上设有凹槽,所述控制处理单元和传感器节点均设于该凹槽内。
7.根据权利要求6所述的插管式土壤水分温度传感器,其特征在于:所述传感器顶端设有提拉部件。
8.根据权利要求7所述的插管式土壤水分温度传感器,其特征在于:所述传感器本体外插装设有保护套管,该保护套管的底端和顶端分别设有防水堵头和防水帽。
9.根据权利要求8所述的插管式土壤水分温度传感器,其特征在于:所述防水帽上设有线缆出口。
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