CN214952917U - 土壤水通量测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了土壤水通量测试系统，包括设备外壳，所述设备外壳的下方设置有探针；热敏电阻，其设置在所述探针的内部；加热丝，其设置在所述热敏电阻的外侧；传感器主板，其设置在所述端盖的后端，所述传感器主板的表面设置有控制与通信单元；稳压单元，其设置在所述控制与通信单元的左侧，所述稳压单元的左侧设置有采集单元；热脉冲发生单元，其设置在所述采集单元的左侧。该土壤水通量测试系统，与现有的装置相比，通过设置的热脉冲发生单元，能够通过控制与通信单元控制12V电源与加热丝之间的通断，并且能够精确控制加热的时间，同时控制与通信单元采用Pyboard最小系统，用于控制各模块工作并与上位机之间进行通信。

Description

土壤水通量测试系统

技术领域

本实用新型涉及农田信息感知系统领域，具体涉及一种将热敏感知元件和控制电路集成于一体，适用于土壤水通量的测量系统。

背景技术

土壤水通量测量在农业和土壤物理中具有重要意义，是研究灌溉与排水、土壤径流、土壤渗漏、土壤化学物质迁移过程及土壤理化性质时的一项重要参数。土壤学家、环境学家以及农学专家都希望知道土壤中的水通量，但自然条件下情况复杂，土壤水通量又受到土壤质地、基本特性、气候条件、季节环境、气象因素等多种因素影响，很难准确获取。国内外科学家一直致力于研究能够直接测定土壤水通量的方法，如何快速、准确地测量土壤水通量，成为相关研究中的迫切需求；

现有的土壤水通量无法准确测量，且系统测量的精度较低，会存在一定的系统性误差，同时系统无法自动完成测量、存储和计算的工作，会消耗大量的测量时间，为此，我们提出土壤水通量测试系统。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供土壤水通量测试系统，以解决上述背景技术中提出由于现有的土壤水通量无法准确测量，且系统测量的精度较低，会存在一定的系统性误差，同时系统无法自动完成测量、存储和计算的工作，会消耗大量的测量时间。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：土壤水通量测试系统，包括：设备外壳，所述设备外壳的下方设置有探针；

热敏电阻，其设置在所述探针的内部；

加热丝，其设置在所述热敏电阻的外侧；

端盖，其设置在所述设备外壳的后端，所述端盖的外壁设置有缓冲垫；

安装导向槽，其设置在所述设备外壳的内壁，所述安装导向槽的上方设置有磁铁；

传感器主板，其设置在所述端盖的后端，所述传感器主板的表面设置有控制与通信单元；

稳压单元，其设置在所述控制与通信单元的左侧，所述稳压单元的左侧设置有采集单元；

热脉冲发生单元，其设置在所述采集单元的左侧。

优选的，所述探针与设备外壳之间相互垂直，且探针的数量设置有三个。

优选的，所述热敏电阻与探针之间相互嵌合，且加热丝贯穿于探针的内部，并且加热丝的结构为U字型结构。

优选的，所述缓冲垫与端盖之间为粘合连接，且缓冲垫与安装导向槽的外形结构相吻合。

优选的，所述热脉冲发生单元与传感器主板之间相互平行，且热脉冲发生单元与控制与通信单元位于同一平面上。

优选的，所述传感器主板还设有：

转动轴，其设置在所述传感器主板的内部，所述转动轴的上方设置有固定片。

优选的，所述固定片通过转动轴与传感器主板之间构成转动结构，且转动轴与传感器主板之间为活动连接。

与现有技术相比，本实用新型提供了土壤水通量测试系统，具备以下有益效果：该土壤水通量测试系统，在使用的过程中，能够实现土壤水通量的准确测量，提高系统测量精度，有效降低了系统性误差，同时系统可以自动完成测量、存储和计算的工作，从而节约了测量时间。

1、通过设置的探针数量为三个，探针能够负责产生短时热脉冲和感知温度，且三个探针的结构比传统的两个具有更好的精度，从而能够提高测量的精度；通过设置的热敏电阻，能够通过给中间探针的加热丝通电，使其发出一个持续8s的热脉冲，且探针选用灵敏度更高的NTC热敏电阻，并且针对热敏电阻设计了桥式分压采集电路，使用24位A/D转换芯片，进一步提升了装置的测量精度。

2、通过设置的缓冲垫，能够将传感器主板与设备外壳之间的刚性接触转化为柔性接触，从而能够防止对传感器主板与设备外壳之间发生碰撞，避免对传感器主板的使用造成影响；通过设置的热脉冲发生单元，能够通过控制与通信单元控制12V电源与加热丝之间的通断，并且能够精确控制加热的时间，同时控制与通信单元采用Pyboard最小系统，用于控制各模块工作并与上位机之间进行通信。

3、通过设置的固定片，能够通过转动轴在传感器主板内进行转动，从而能够便于通过固定片对各个模块进行安装和固定。

附图说明

图1为本实用新型主视结构示意图；

图2为本实用新型探针内部结构示意图；

图3为本实用新型后视结构示意图；

图4为本实用新型工作原理结构示意图；

图5为本实用新型图3中A处局部放大结构示意图。

图中：1、设备外壳；2、探针；3、热敏电阻；4、加热丝；5、端盖；6、磁铁；7、传感器主板；8、缓冲垫；9、控制与通信单元；10、稳压单元；11、采集单元；12、热脉冲发生单元；13、安装导向槽；14、转动轴；15、固定片。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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。

请参阅图1-4，本实用新型提供一种技术方案：土壤水通量测试系统，包括：设备外壳1，设备外壳1的下方设置有探针2，探针2与设备外壳1之间相互垂直，且探针2的数量设置有三个，通过设置的探针2数量为三个，探针2能够负责产生短时热脉冲和感知温度，且三个探针2的结构比传统的两个具有更好的精度，从而能够提高测量的精度；热敏电阻3，其设置在探针2的内部；加热丝4，其设置在热敏电阻3的外侧，热敏电阻3与探针2之间相互嵌合，且加热丝4贯穿于探针2的内部，并且加热丝4的结构为U字型结构，通过设置的热敏电阻3，能够通过给中间探针2的加热丝4通电，使其发出一个持续8s的热脉冲，且探针2选用灵敏度更高的NTC热敏电阻3，并且针对热敏电阻3设计了桥式分压采集电路，使用24位A/D转换芯片，进一步提升了装置的测量精度；端盖5，其设置在设备外壳1的后端，端盖5的外壁设置有缓冲垫8，缓冲垫8与端盖5之间为粘合连接，且缓冲垫8与安装导向槽13的外形结构相吻合，通过设置的缓冲垫8，能够将传感器主板7与设备外壳1之间的刚性接触转化为柔性接触，从而能够防止对传感器主板7与设备外壳1之间发生碰撞，避免对传感器主板7的使用造成影响；安装导向槽13，其设置在设备外壳1的内壁，安装导向槽13的上方设置有磁铁6；传感器主板7，其设置在端盖5的后端，传感器主板7的表面设置有控制与通信单元9；稳压单元10，其设置在控制与通信单元9的左侧，稳压单元10的左侧设置有采集单元11；热脉冲发生单元12，其设置在采集单元11的左侧，热脉冲发生单元12与传感器主板7之间相互平行，且热脉冲发生单元12与控制与通信单元9位于同一平面上；通过设置的热脉冲发生单元12，能够通过控制与通信单元9控制12V电源与加热丝4之间的通断，并且能够精确控制加热的时间，同时控制与通信单元9采用Pyboard最小系统，用于控制各模块工作并与上位机通信。

请参阅图5，土壤水通量测试系统，包括：转动轴14，其设置在传感器主板7的内部，转动轴14的上方设置有固定片15，固定片15通过转动轴14与传感器主板7之间构成转动结构，且转动轴14与传感器主板7之间为活动连接；通过设置的固定片15，能够通过转动轴14在传感器主板7内进行转动，从而能够便于通过固定片15对各个模块进行安装和固定。

工作原理：在使用该土壤水通量测试系统时，首先，将装置埋设于土壤之中，装置引线与采集单元11连接，控制软件启动系统运行，软件发出启动信号，装置工作100s，采集单元11采集数据并将数据通过串口传送给上位机软件，上位机软件完成水通量的计算，测量时用数据线将装置连接至电脑，打开土壤水通量测算软件，点击“检测串口”，在下拉框中选择正确的串口号之后，点击“打开串口”，此时装置便与上位机建立了连接，点击“更改数据保存路径”选择合适的原始数据存储路径，在“计算方法”下拉框中选择需要使用的计算方法，之后点击“开始测量计算”系统便自动开始运行，此时可以看到软件界面的绘图区出现一张坐标图，红、蓝、绿三根线代表三根探针2的温度，随时间实时变化，测量结束时，曲线图下方的“水通量”文本框中自动显示本次测量根据用户选择的方法得出的水通量计算值，此时测量结束，原始温度数据自动保存在用户选择的路径中，下次测量如果需要更改数据保存路径或计算方法，在软件中直接更改后，点击“开始测量计算”按钮，该装置由探针2和传感器主板7两部分组成，装置最重要的部分是探针2，负责产生短时热脉冲和感知温度，探针2直径为1.4mm，间距为6mm，装置以100s为一个测量周期，在每个测量周期中，三根探针2以2次/s的频率测量温度，在第22秒时，通过给中间探针2的加热丝4通电，使其发出一个持续8s的热脉冲，三根探针2保持温度测量直至周期结束，传感器主板7用来控制装置工作及数据采集，包括控制与通信单元9、稳压单元10、采集单元11、热脉冲发生单元12，控制与通信单元9采用Pyboard最小系统，用于控制各模块工作并与上位机通信；稳压单元10分为三部分：第一部分由外置电源的12V稳压至5V，给采集单元11提供5V电源，第二部分稳压至3.3V用于给控制与通信单元9和A/D转换芯片供电，第三部分稳压至2.5V用于给A/D转换芯片参考电压；采集单元11由置于空心探针2中的热敏电阻3、桥式测量电路以及A/D转换芯片组成，用于实现热脉冲温度信号的精确测量；热脉冲发生单元12由一个微型固态继电器组成，通过控制与通信单元9控制12V电源与加热丝4之间的通断，并且可精确控制加热时间，上位机软件使用Python语言编程，实现了数据通信、运算、存储、可视化以及导入历史数据五个功能，其中，通信模块使用Pyserial库在电脑中创建一个串口，用于向装置发送开始测量指令以及接收来自该装置的原始数据；数据运算及存储模块使用Numpy库设计，对接收到的原始数据进行转换、格式化及存储操作，并且根据模型计算土壤水通量；数据可视化功能使用Math库中的Matplotlib函数，实时绘制原始数据的曲线图，并且在水流通量计算完成后实时显示；历史数据计算功能可对历史数据重新绘图，并计算该次测量得到的土壤水通量。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.土壤水通量测试系统，其特征在于，包括：

设备外壳（1），所述设备外壳（1）的下方设置有探针（2）；

热敏电阻（3），其设置在所述探针（2）的内部；

加热丝（4），其设置在所述热敏电阻（3）的外侧；

端盖（5），其设置在所述设备外壳（1）的后端，所述端盖（5）的外壁设置有缓冲垫（8）；

安装导向槽（13），其设置在所述设备外壳（1）的内壁，所述安装导向槽（13）的上方设置有磁铁（6）；

传感器主板（7），其设置在所述端盖（5）的后端，所述传感器主板（7）的表面设置有控制与通信单元（9）；

稳压单元（10），其设置在所述控制与通信单元（9）的左侧，所述稳压单元（10）的左侧设置有采集单元（11）；

热脉冲发生单元（12），其设置在所述采集单元（11）的左侧。

2.根据权利要求1所述的土壤水通量测试系统，其特征在于：所述探针（2）与设备外壳（1）之间相互垂直，且探针（2）的数量设置有三个。

3.根据权利要求1所述的土壤水通量测试系统，其特征在于：所述热敏电阻（3）与探针（2）之间相互嵌合，且加热丝（4）贯穿于探针（2）的内部，并且加热丝（4）的结构为U字型结构。

4.根据权利要求1所述的土壤水通量测试系统，其特征在于：所述缓冲垫（8）与端盖（5）之间为粘合连接，且缓冲垫（8）与安装导向槽（13）的外形结构相吻合。

5.根据权利要求1所述的土壤水通量测试系统，其特征在于：所述热脉冲发生单元（12）与传感器主板（7）之间相互平行，且热脉冲发生单元（12）与控制与通信单元（9）位于同一平面上。

6.根据权利要求1所述的土壤水通量测试系统，其特征在于，所述传感器主板（7）还设有：

转动轴（14），其设置在所述传感器主板（7）的内部，所述转动轴（14）的上方设置有固定片（15）。

7.根据权利要求6所述的土壤水通量测试系统，其特征在于：所述固定片（15）通过转动轴（14）与传感器主板（7）之间构成转动结构，且转动轴（14）与传感器主板（7）之间为活动连接。

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