CN212646557U - 一种贯入式土体含水率测试仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种贯入式土体含水率测试仪，包括基座，所述基座上底部通过贯入机构连接有检测传感器，检测传感器与检测主板相连接，检测主板以微处理器为处理核心，安装有与微处理器相连的含水率检测模块，微处理器同时通过信号线与安装于基座上的显示模块和电源模块相电连，所述贯入机构包括基座上顶部中间位置安装的液压缸，基座上底部中间位置预留有凹腔，凹腔内中间位置通过轴承座安装有转轴，凹腔内左侧位置还安装有通过齿轮齿环组带动转轴转动的驱动电机。本实用新型提供一种贯入式土体含水率测试仪，结构设置巧妙，且布局合理，检测传感器利用液压与电机的配合，来向下旋转贯入地面内，免去人工开孔的麻烦，检测方便快捷。

Description

一种贯入式土体含水率测试仪

技术领域

本实用新型涉及土壤含水检测设备技术领域，具体是一种贯入式土体含水率测试仪。

背景技术

目前，应用较为广泛的土壤含水率测量方法包括:重量法、中子法、频域反射法(FDR)、时域反射法(TDR)和微波技术。重量法是国际上公认的标准方法，土壤样品放入105℃的烘箱中持续烘干16-24h,测量结果准确,但时间较长,对土壤有一定的破坏性,而且不适合长期定点连续监测；中子法克服了烘干法的一些缺点，可以满足对野外一定区域和深度土壤含水率连续测量的要求，不受环境温度和压力的影响，但中子存在潜在的辐射，并且无法对表层土壤进行测量；TDR和FDR测量精度较高,无放射性且适于长期定点观测，但TDR测量的含水率是整个探针长度的平均土壤含水率，所以在-定的土壤区域内，不同的埋置方式会导致测量结果的差异，FDR在使用过程中对导管的安装要求较高，土壤和导管外壁不能存在间隙，因为间隙会影响测量结果的准确性。并且上述土壤含水率测量技术只能测量一定体积或一定深度土壤的平均含水率,空间分辨率低。近红外反射法能够实现对物质成分的定量测量,并且测量速度快、非接触、重复性强，已经被广泛应用于土壤参数的测量中，但商用光谱仪结构复杂、价格昂贵，不适合野外实时监测土壤含水率，改进后的近红外土壤含水率仪，由于使用滤光片、积分球和透镜等光学器件，虽然体积相对于光谱仪有很大的减小，但是仪器整体耗能大不适合便携仪器的使用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种贯入式土体含水率测试仪，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种贯入式土体含水率测试仪，包括基座，所述基座上底部通过贯入机构连接有检测传感器，检测传感器与检测主板相连接，检测主板以微处理器为处理核心，安装有与微处理器相连的频率检测模块、温度检测模块、含水率检测模块，微处理器同时通过信号线与安装于基座上的显示模块和电源模块相电连。

作为本实用新型的进一步方案：所述贯入机构包括基座上顶部中间位置安装的液压缸，基座上底部中间位置预留有凹腔，凹腔内中间位置通过轴承座安装有转轴，凹腔内左侧位置还安装有通过齿轮齿环组带动转轴转动的驱动电机，所述转轴上底部通过螺栓固定安装有向下的与液压缸相连的液压伸缩杆，液压伸缩杆底部通过螺栓连接座连接有伸缩调节杆，伸缩调节杆底部旋接至下方的检测传感器的螺纹座上形成固定连接。

作为本实用新型的再进一步方案：所述基座上左侧壁上安装有控制液压缸预驱动电机工作的液压开关，右侧壁上安装有控制液压缸工作效率的液压调速开关。

作为本实用新型的再进一步方案：所述基座上顶部靠近左右两侧位置分别通过螺栓固定有握把，基座上底部左右两侧位置分别螺栓固定有支撑柱。

作为本实用新型的再进一步方案：所述检测传感器包括固定筒，固定筒上底部通过螺纹旋接固定有检测钢管，检测主板安装于检测钢管内，检测主板上连接的温度测量探针于含水测量探针分别向下伸出检测钢管。

作为本实用新型的再进一步方案：所述检测钢管底部中间位置还焊接固定有两个高频电磁波导块。

作为本实用新型的再进一步方案：所述高频电磁波导块与频率检测模块相连，温度测量探针与温度检测模块相连，含水测量探针与含水率检测模块相连。

作为本实用新型的再进一步方案：所述检测钢管底部成三角锥结构设置，方便贯入土层内。

作为本实用新型的再进一步方案：所述固定筒位于定位筒内，定位筒内壁上开有滑槽，固定筒活动固定于滑槽内。

作为本实用新型的再进一步方案：所述定位筒钉入地面，确保稳定。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于以下几个方面：

本实用新型中，通过同时检测土壤内含水率与温度数值，经过现有公式进行数值处理后，规避土壤内温度过高时导致实际土壤湿度探头上测得的电压比变低的问题，从而确保了最终检测结果的精确度。

本实用新型中，检测传感器利用液压与电机的配合，来向下旋转贯入地面内，免去人工开孔的麻烦，检测方便快捷。

附图说明

图1为一种贯入式土体含水率测试仪的结构示意简图。

图2为一种贯入式土体含水率测试仪中检测传感器的结构示意简图。

图3为一种贯入式土体含水率测试仪的系统模块化框图。

图中：1、基座；2、握把；3、驱动电机；4、液压缸；5、轴承座；6、凹腔；7、液压调速开关；8、转轴；9、液压伸缩杆；10、螺栓连接座；11、定位筒；11-1、滑槽；12、检测传感器；13、螺纹座；14、伸缩调节杆；15、支撑柱；16、齿轮齿环组；17、液压开关；18、固定筒；19、固定套管；20、检测钢管；21、检测主板；22、温度测量探针；23、高频电磁波导块；24、含水测量探针；25、微处理器；26、频率检测模块；27、电源模块；28、温度检测模块；29、含水率检测模块；30、显示模块；31、信号线。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

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；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；此外，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。

请参阅图1～3，一种贯入式土体含水率测试仪，包括基座1，所述基座1上顶部中间位置安装有液压缸4，基座1上顶部靠近左右两侧位置分别通过螺栓固定有握把2，基座1上底部左右两侧位置分别螺栓固定有支撑柱15，支撑柱15之间的基座1上底部预留有凹腔6，凹腔6内中间位置通过轴承座5安装有转轴8，凹腔6内左侧位置还安装有通过齿轮齿环组16带动转轴8转动的驱动电机3，所述基座1上左侧壁上安装有控制液压缸4预驱动电机3工作的液压开关17，右侧壁上安装有控制液压缸4工作效率的液压调速开关7；

所述转轴8上底部通过螺栓固定安装有向下的与液压缸4相连的液压伸缩杆9，液压伸缩杆9底部通过螺栓连接座10连接有伸缩调节杆14，伸缩调节杆14底部旋接至下方的检测传感器12的螺纹座13上形成固定连接；

所述检测传感器12包括固定筒18，固定筒18位于定位筒11内，定位筒11内壁上开有滑槽11-1，固定筒18活动固定于滑槽11-1内，固定筒18上底部通过螺纹19旋接固定有检测钢管20，检测钢管20底部成三角锥结构设置，检测钢管20内安装有检测主板21，检测主板21上连接的温度测量探针22(DM6801型数字温度传感器，深圳市胜利高新电子科技有限公司)与含水测量探针24(GTT3-TDR-3中国西安)分别向下伸出检测钢管20，检测钢管20底部中间位置还焊接固定有两个高频电磁波导块23；

所述检测主板21以微处理器25(WG-71型微处理器，天津市泰斯特仪器有限公司)为处理核心，安装有与微处理器25和高频电磁波导块23相连的频率检测模块26(DSA1020频谱分析仪，北京普源精电科技有限公司)、与温度测量探针22相连的温度检测模块28、与含水测量探针24相连的含水率检测模块29；微处理器25同时通过信号线31与安装于基座1上的显示模块30(FA2104N型显示器，上海精密科学仪器有限公司)和电源模块27(220V,交流电)相电连。

本实用新型的工作原理是：本实用新型提供一种贯入式土体含水率测试仪，结构设置巧妙，且布局合理，使用前先利用打钻机在地面打出与定位筒18相匹配的钻孔，在定位筒18的滑槽11-1内涂抹润滑油，再将定位筒18放入钻孔内，然后将伸缩调节杆14与检测传感器12的螺纹座13进行旋接固定，再将伸缩调节杆14利用螺栓连接座10固定在液压伸缩杆9底部，然后将检测传感器12放入定位筒18内，使支撑柱15抵至地面即可，使用时打开液压开关17，控制驱动电机3工作，利用齿轮齿环组16带动转轴8转动，同时液压缸4液压驱动液压伸缩杆9相下移动，从而形成不断往下的旋转，旋转迫使检测钢管20贯入土层内，检测时，由微处理器25控制从含水测量探针24向土壤内发出高频电磁波，电磁波在土壤内经过传播折射，在被高频电磁波导块23接收时，由频率检测模块26进行检测，在土壤的三相介质组成中，土壤颗粒的介电常数(

20℃)和空气的介电常数(＝1，20℃)非常低，而水的介电常数(＝80,20℃)远大于土壤和空气的介电常数，故土壤的介电常数主要取决于含水量，因此土壤的含水量可以根据土壤介电常数间接获得[1]。本文设计的传感器是基于FDR法的LC电容电感的振荡，通过测量电磁波在土壤中的振荡频率来确定土壤的介电常数，然后通过介电常数和含水率的关系反推算出土壤含水率，但是FDR法受到土壤温度的影响比较大，因此设计一个可以同时测量土壤温度的传感器，再根据温度对含水率的修正方法，精确地获得土壤的含水率。

FDR法LC振荡电路的频率F表示为:

式(2—1)中：L——电感；C——电容。

西北农林科技大学的宋克鑫(2013)在土壤含水率传感器的主要影响因子与其结构优化研究中给出了LC振荡电路的频率F是土壤体积含水率的函数:

式(2—2)中，a和b都是土壤结构质地相关的参数。

从式(2—2)可以看出，频率F随着电感和电容的变化而改变，由于土壤水分监测仪的电感值是恒定的，因此频域反射计的频率的变化仅取决于电容的变化，而电容的变化会受到土壤水分的影响，因此分析LC电路的频率，再通过式(2—2)可以计算出土壤的含水率，研究表明，当土壤质量含水量恒定时，温度升高会降低管针土壤湿度探头上测得的电压比，证明了温度会影响土壤介电常数的变化；

土壤质量含水量和温度的拟合公式：

式(2—3)中，m_v为样品质量含水率，单位为％；

R_v传感器测量电压；ρ样品的土壤容重，单位为g/cm³；T样品温度，单位为℃

通过对温度进行同步检测，从而可以避开温度对含水检测结果的影响，保证了检测结果的精确度。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种贯入式土体含水率测试仪，包括基座(1)，其特征在于，所述基座(1)上底部通过贯入机构连接有检测传感器(12)，检测传感器(12)与检测主板(21)相连接，检测主板(21)以微处理器(25)为处理核心，安装有与微处理器(25)相连的频率检测模块(26)、温度检测模块(28)、含水率检测模块(29)，微处理器(25)同时通过信号线(31)与安装于基座(1)上的显示模块(30)和电源模块(27)相电连。

2.根据权利要求1所述的一种贯入式土体含水率测试仪，其特征在于，所述贯入机构包括基座(1)上顶部中间位置安装的液压缸(4)，基座(1)上底部中间位置预留有凹腔(6)，凹腔(6)内中间位置通过轴承座(5)安装有转轴(8)，凹腔(6)内左侧位置还安装有通过齿轮齿环组(16)带动转轴(8)转动的驱动电机(3)，所述转轴(8)上底部通过螺栓固定安装有向下的与液压缸(4)相连的液压伸缩杆(9)，液压伸缩杆(9)底部通过螺栓连接座(10)连接有伸缩调节杆(14)，伸缩调节杆(14)底部旋接至下方的检测传感器(12)的螺纹座(13)上形成固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种贯入式土体含水率测试仪，其特征在于，所述基座(1)上左侧壁上安装有控制液压缸(4)预驱动电机(3)工作的液压开关(17)，右侧壁上安装有控制液压缸(4)工作效率的液压调速开关(7)。

4.根据权利要求3所述的一种贯入式土体含水率测试仪，其特征在于，所述基座(1)上顶部靠近左右两侧位置分别通过螺栓固定有握把(2)，基座(1)上底部左右两侧位置分别螺栓固定有支撑柱(15)。

5.根据权利要求2所述的一种贯入式土体含水率测试仪，其特征在于，所述检测传感器(12)包括固定筒(18)，固定筒(18)上底部通过螺纹(19)旋接固定有检测钢管(20)，检测主板(21)安装于检测钢管(20)内，检测主板(21)上连接的温度测量探针(22)于含水测量探针(24)分别向下伸出检测钢管(20)。

6.根据权利要求5所述的一种贯入式土体含水率测试仪，其特征在于，所述检测钢管(20)底部中间位置还焊接固定有两个高频电磁波导块(23)。

7.根据权利要求6所述的一种贯入式土体含水率测试仪，其特征在于，所述高频电磁波导块(23)与频率检测模块(26)相连，温度测量探针(22)与温度检测模块(28)相连，含水测量探针(24)与含水率检测模块(29)相连。

8.根据权利要求5所述的一种贯入式土体含水率测试仪，其特征在于，所述检测钢管(20)底部成三角锥结构设置。

9.根据权利要求5所述的一种贯入式土体含水率测试仪，其特征在于，所述固定筒(18)位于定位筒(11)内，定位筒(11)内壁上开有滑槽(11-1)，固定筒(18)活动固定于滑槽(11-1)内。

10.根据权利要求9所述的一种贯入式土体含水率测试仪，其特征在于，所述定位筒(11)钉入地面。

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