CN207007838U - 一种土壤水势数字传感器及土壤水势测定系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种土壤水势数字传感器，涉及水分测量技术领域。该土壤水势数字传感器包括陶土管、集气管和负压传感模块；所述陶土管的管壁设置多个孔隙，所述集气管与所述陶土管连通，所述负压传感模块的测压探头设置于所述集气管内，用于测量集气管的内腔气压。本实用新型的土壤水势数字传感器，在陶土管内充水，通过陶土管管壁的孔隙与土壤水份连接后存在的压差，使集气管内产生负压，进而利用负压传感模块测量得出土壤水势。在此基础上，本实用新型还提供了一种土壤水势测定系统。

Description

一种土壤水势数字传感器及土壤水势测定系统

技术领域

本实用新型涉及水分测量技术领域，尤其涉及一种土壤水势数字传感器及土壤水势测定系统。

背景技术

土壤水势，指土壤中的水受到土壤颗粒的吸附力、重力和溶质渗透力作用而产生的势能总和。

作用于土壤水的力主要有重力、土壤颗粒的吸力和土壤水所含溶质的渗透力，因此土壤的总水势通常表示为以上各种力构成的分势的总和。土壤水势一般表示为负的压力，因此也称为土壤水分张力。土壤饱和时土壤水势的绝对值小，土壤含水量低时土壤水势的绝对值大。因此土壤水势绝对值的大小反映了土壤水分运动和植物吸水的难易。

土壤水总是由水势高处向低处流动。当已知土体内的土壤水势时，便可由土壤水势分布情况判断水流方向，而由水势随距离的变化率确定驱使土壤水分运动的动力。因此，土壤水势对研究土壤水分状态及其运动规律十分重要。

传统的测量水势的方案和设备多种多样，有机械式的张力计，还有电桥测量式的压力传感器。其中，张力计测量水势的方法测量精度低、注水过程造成干扰大影响精度、具有壁效应。电桥测量式的方法中，探头测试的准备时间过长，测量数据受土壤结构形式影响大，准确度低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种土壤水势数字传感器及土壤水势测定系统，以解决现有技术中的水势测量装置存在的干扰大、测量精度低、准备时间过长、受土壤结构形式影响以及存在壁效应等问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型提供的一种土壤水势数字传感器，包括陶土管、集气管和负压传感模块；所述陶土管的管壁设置多个孔隙，所述集气管与所述陶土管连通，所述负压传感模块的测压探头设置于所述集气管内，用于测量集气管的内腔气压。

进一步，土壤水势数字传感器还包括湿度测量模块，所述湿度测量模块与所述负压传感模块连接。该技术方案的技术效果在于：湿度测量模块能够通过负压传感模块检测土壤湿度的变化，并对采集到的数据进行处理运算和传输，便于实时获取土壤湿度与水势的对应信息。优选地，湿度测量模块采用C8051F350单片机实现模拟和计算。C8051F350是一款完全集成了单片复合信号系统的微控制器，集成了24位8通道ADC和8位2通道DAC。C8051F350结合了高度精密的模拟数据转换器和一个高吞吐量8051CPU，是模拟和计算密集型应用的理想选择，适用于节水农业灌溉、温室大棚、花卉蔬菜、草地牧场、土壤速测、植物培养、科学试验等领域。

进一步，土壤水势数字传感器还包括储存模块，所述储存模块分别与所述负压传感模块、所述湿度测量模块连接。该技术方案的技术效果在于：由于测量工作是按照时间维度持续进行的，利用储存模块可长时间不间断地存放测量的数据信息，便于后期的整理和监控。

进一步，土壤水势数字传感器还包括传输模块，所述传输模块分别与所述负压传感模块、所述湿度测量模块连接。该技术方案的技术效果在于：由于测量现场中往往土地面积广阔，或者现场测量的数据需输送到试验室，故可通过传输模块实现测试数据的远程传输，降低重复多次的人工记录工作，提高土壤信息测量的工作效率。特殊地，传输模块优选设置串行通信端口，优选通过RS485驱动器实施全双工的通信。

进一步，所述负压传感模块上设置有差分放大器。该技术方案的技术效果在于：负压传感模块采用进口的高精度传感器，通过外部管路连接埋在被测土壤里的陶土管。由于负压信号非常微弱，通过差分放大器的放大处理后，可大大提高负压传感模块的使用灵敏度和精确度。

本实用新型还提供一种土壤水势测定系统，包括显示器以及上述的土壤水势数字传感器；所述显示器与所述负压传感模块连接。

进一步，所述显示器为液晶显示模块。该技术方案的技术效果在于：液晶显示模块是一种常见的人机界面，既可以显示字符，又可以显示简单的图形。具体地，液晶显示模块优选采用112x64的LCD接口。由于1128x64是一种点阵字符型液晶显示模块，可以显示丰富的数据和图形界面，向使用者提供更为丰富的土壤水势信息。

进一步，还包括电源模块；所述电源模块分别与所述显示器、所述负压传感模块连接。该技术方案的技术效果在于：电源模块方便了土壤水势测定系统在远郊不方便使用市电电源的地区长期使用，使土壤水势测定系统使用更为灵活便利。

进一步，所述电源模块包括可充电电池。该技术方案的技术效果在于：可充电电池经济、环保、电量足、可重复利用，适合大功率、长时间使用的电器。

进一步，所述电源模块包括太阳能充电板。该技术方案的技术效果在于：由于测量土壤水势和湿度的设备通常在野外使用，可充分利用环境的太阳能，以达到节能减排的目的。

本实用新型的有益效果是：

1、土壤水势数字传感器在陶土管内充水，通过陶土管管壁的孔隙与土壤水份连接后存在的压差，使集气管内产生负压，进而利用负压传感模块测量得出土壤水势，准备时间短，测量效率高。

2、土壤水势数字传感器利用陶土管插入土壤，与水势探头相比，不受土壤结构形式影响，测量准确度高。

3、土壤水势数字传感器在陶土管内充水，无需多次重复充水，避免了注水过程造成的干扰。

4、土壤水势测定系统采用显示器将实时测量的土壤水势和湿度显现出来，方便了工作人员随时测量和读取。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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为本实用新型提供的土壤水势数字传感器和土壤水势测定系统的一种结构示意图；

图2为本实用新型提供的土壤水势数字传感器和土壤水势测定系统的另一种结构示意图；

图3为图1中I处的局部放大图；

图4为本实用新型提供的土壤水势数字传感器和土壤水势测定系统的电路原理图。

附图标记：

1-陶土管； 2-集气管； 3-负压传感模块；

4-孔隙； 5-湿度测量模块； 6-储存模块；

7-传输模块； 8-差分放大器； 9-显示器；

10-电源模块。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，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实用新型中的具体含义。

现有技术说明：

在现有技术中，测量水势的方案和设备多种多样，有机械式的张力计，还有电桥测量式的压力传感器。其中，张力计测量水势的方法测量精度低、注水过程造成干扰大影响精度、具有壁效应。电桥测量式的方法中，探头测试的准备时间过长，测量数据受土壤结构形式影响大，准确度低。

本实用新型具体实施例：

本实施例提供了一种土壤水势数字传感器，其中：图1为本实用新型提供的土壤水势数字传感器和土壤水势测定系统的一种结构示意图；图2为本实用新型提供的土壤水势数字传感器和土壤水势测定系统的另一种结构示意图；图3为图1中I处的局部放大图；图4为本实用新型提供的土壤水势数字传感器和土壤水势测定系统的电路原理图。如图1、2、3、4所示，本实施例提供的土壤水势数字传感器，包括陶土管1、集气管2和负压传感模块3。具体地，陶土管1的管壁设置多个孔隙4，集气管2与陶土管1连通，负压传感模块3的测压探头设置于集气管2内，用于测量集气管2的内腔气压。其中，陶土管1和集气管2可一体连通，也可以通过具有承压能力的管道连通。而负压传感模块3可与集气管2一体连接，也可以通过延长线路进行远程测量。

其原理如下：当被测土壤的水势与陶土管1内水体存在压差时，陶土管1内水体渗入被测土壤直至达到平衡状态，此时负压传感模块3所测量的数值即为被测土壤的土壤水势。

本实用新型提供的土壤水势数字传感器，能够较好地解决现有技术中的水势测量装置存在的干扰大、测量精度低、准备时间过长、受土壤结构形式影响以及存在壁效应等问题。首先，土壤水势数字传感器在陶土管1内充水，通过陶土管1管壁的孔隙4与土壤水份连接后存在的压差，使集气管2内产生负压，进而利用负压传感模块3测量得出土壤水势，准备时间短，测量效率高。其次，土壤水势数字传感器利用陶土管1插入土壤，与水势探头相比，不受土壤结构形式影响，测量准确度高。再次，土壤水势数字传感器在陶土管1内充水，无需多次重复充水，避免了注水过程造成的干扰。

在上述实施例的优选方案中，进一步地，如图1、4所示，土壤水势数字传感器还设置有湿度测量模块5，其中，湿度测量模块5与负压传感模块3连接。该结构的土壤水势数字传感器，湿度测量模块5能够通过负压传感模块3检测土壤湿度的变化，并对采集到的数据进行处理运算和传输，便于实时获取土壤湿度与水势的对应信息。优选地，湿度测量模块5采用C8051F350单片机实现模拟和计算。C8051F350是一款完全集成了单片复合信号系统的微控制器，集成了24位8通道ADC和8位2通道DAC。C8051F350结合了高度精密的模拟数据转换器和一个高吞吐量8051CPU，是模拟和计算密集型应用的理想选择，适用于节水农业灌溉、温室大棚、花卉蔬菜、草地牧场、土壤速测、植物培养、科学试验等领域。

在上述实施例的优选方案中，进一步地，如图4所示，土壤水势数字传感器还设置有储存模块6，其中，储存模块6分别与负压传感模块3、湿度测量模块5连接。该结构的土壤水势数字传感器，由于测量工作是按照时间维度持续进行的，利用储存模块6可长时间不间断地存放测量的数据信息，便于后期的整理和监控。

在上述实施例的优选方案中，进一步地，如图4所示，土壤水势数字传感器还设置有传输模块7。其中，传输模块7分别与负压传感模块3、湿度测量模块5连接。该结构的土壤水势数字传感器，由于测量现场中往往土地面积广阔，或者现场测量的数据需输送到试验室，故可通过传输模块7实现测试数据的远程传输，降低重复多次的人工记录工作，提高土壤信息测量的工作效率。特殊地，传输模块7优选设置串行通信端口，优选通过RS485驱动器实施全双工的通信。

在上述实施例的优选方案中，进一步地，如图4所示，负压传感模块3上设置有差分放大器8。该结构的土壤水势数字传感器，负压传感模块3采用进口的高精度传感器，通过外部管路连接埋在被测土壤里的陶土管1。由于负压信号非常微弱，通过差分放大器8的放大处理后，可大大提高负压传感模块3的使用灵敏度和精确度。

本实用新型还提供一种土壤水势测定系统。如图1～4所示，本实施例提供的土壤水势测定系统，包括显示器9以及上述的土壤水势数字传感器。其中，显示器9与负压传感模块3连接。

进一步地，如图1、2、4所示，显示器9优选使用液晶显示模块。液晶显示模块是一种常见的人机界面，既可以显示字符，又可以显示简单的图形。具体地，液晶显示模块优选采用112x64的LCD接口。由于1128x64是一种点阵字符型液晶显示模块，可以显示丰富的数据和图形界面，向使用者提供更为丰富的土壤水势信息。

在上述实施例的优选方案中，进一步地，如图1、2、4所示，土壤水势测定系统还设置有电源模块10。其中，电源模块10分别与显示器9、负压传感模块3连接。该结构的土壤水势测定系统，采用电源模块10方便了土壤水势测定系统在远郊不方便使用市电电源的地区长期使用，使土壤水势测定系统使用更为灵活便利。

在上述实施例的优选方案中，进一步地，如图1、2、4所示，电源模块10包括可充电电池。该结构的土壤水势测定系统，由于可充电电池经济、环保、电量足、可重复利用，适合大功率、长时间使用的电器。能够大大增加设备的使用时长。

在上述实施例的优选方案中，进一步地，如图1、2、4所示，电源模块10还可以包括太阳能充电板。由于测量土壤水势和湿度的设备通常在野外使用，可充分利用环境的太阳能，以达到节能减排的目的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种土壤水势数字传感器，其特征在于，包括陶土管、集气管和负压传感模块；

所述陶土管的管壁设置多个孔隙，所述集气管与所述陶土管连通，所述负压传感模块的测压探头设置于所述集气管内，用于测量集气管的内腔气压。

2.根据权利要求1所述的土壤水势数字传感器，其特征在于，还包括湿度测量模块，所述湿度测量模块与所述负压传感模块连接。

3.根据权利要求2所述的土壤水势数字传感器，其特征在于，还包括储存模块，所述储存模块分别与所述负压传感模块、所述湿度测量模块连接。

4.根据权利要求2所述的土壤水势数字传感器，其特征在于，还包括传输模块，所述传输模块分别与所述负压传感模块、所述湿度测量模块连接。

5.根据权利要求1～4任一项所述的土壤水势数字传感器，其特征在于，所述负压传感模块上设置有差分放大器。

6.一种土壤水势测定系统，其特征在于，包括显示器以及如权利要求1～5任一项所述的土壤水势数字传感器；所述显示器与所述负压传感模块连接。

7.根据权利要求6所述的土壤水势测定系统，其特征在于，所述显示器为液晶显示模块。

8.根据权利要求6所述的土壤水势测定系统，其特征在于，还包括电源模块；所述电源模块分别与所述显示器、所述负压传感模块连接。

9.根据权利要求8所述的土壤水势测定系统，其特征在于，所述电源模块包括可充电电池。

10.根据权利要求8所述的土壤水势测定系统，其特征在于，所述电源模块包括太阳能充电板。