專利名稱：土壤凍融過程的測量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量領(lǐng)域，特別涉及一種土壤凍融過程的測量方法及裝置。
背景技術(shù)：
土壤凍融是指由于土壤溫度降到零度以下和升至零度以上而產(chǎn)生凍結(jié)和融化的 一種物理地質(zhì)作用和現(xiàn)象。土壤凍融是地質(zhì)災(zāi)害的種類之一，它可產(chǎn)生一系列災(zāi)害作用，在 我國高緯度，高海拔地區(qū)這種現(xiàn)象尤為突出。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，土壤凍融的危害主要表現(xiàn)在首先春耕時(shí)未完全融化的凍結(jié)土壤增加農(nóng)業(yè)耕作時(shí)機(jī)械的能耗及磨損程度；其次 凍結(jié)土壤具有減滲特性，導(dǎo)致土壤導(dǎo)水率減小，降雨或者灌溉時(shí)期產(chǎn)生地表徑流，造成水土 流失；而且凍結(jié)土壤達(dá)一定深度會(huì)影響地下管道與電纜的正常工作，給生產(chǎn)建設(shè)和人民生 活造成危害?，F(xiàn)有技術(shù)的凍融土壤的測量方法是采用溫度指示劑對(duì)土壤剖面凍結(jié)情況進(jìn)行定 性測量，該方法測量周期較長，而測量結(jié)果只是定性反映土壤剖面的凍結(jié)狀況。目前，最常 用的測量方法是采用TDR插入式定點(diǎn)測量，通過測量土壤剖面液態(tài)水含量的變化來反映土 壤凍結(jié)情況，這種測量方法需要在不同深度埋入多個(gè)TDR水分傳感器，存在的缺點(diǎn)包括(1) TDR水分傳感器成本過高，(2)埋入過程耗時(shí)費(fèi)力，又會(huì)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，影響測量結(jié) 果的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)有技術(shù)的測量方法都不能快速、有效地獲取土壤剖面凍結(jié)狀況，無法解決土 壤凍融危害。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種土壤凍融過程的測量方法及裝置，以解決現(xiàn) 有技術(shù)對(duì)凍融土壤的測量方法測量周期過長、成本高、測量結(jié)果不夠準(zhǔn)確等缺陷。
發(fā)明內(nèi)容
為此，本發(fā)明提供的一種土壤凍融過程的測量裝置，包括操作桿；固定于所述操作桿底端的冰水介電傳感模塊，用于實(shí)時(shí)測量土壤剖面的冰水介電
常數(shù)；嵌于所述操作桿內(nèi)部的深度傳感模塊，用于測量當(dāng)前到達(dá)的深度數(shù)據(jù)；埋在測量土壤中，用作所述深度傳感模塊的運(yùn)行導(dǎo)軌的聚氯乙烯 (Polyvinylchloride，簡稱 PVC)塑料管；數(shù)據(jù)傳輸線，用于將所述冰水介電常數(shù)和深度數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集模塊；所述數(shù)據(jù)采集模塊，用于根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前土壤凍融情況。其中，所述冰水介電傳感模塊包括PVC塑料單元，嵌入所述PVC塑料單元中的電極，介電信號(hào)處理單元以及連接所述 電極和介電信號(hào)處理單元的信號(hào)線，其中所述電極用于產(chǎn)生冰水介電信號(hào)，所述介電信號(hào)處理單元用于將所述介電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的信號(hào)并輸出。所述介電信號(hào)處理單元包括與所示電極相連接的高頻振蕩器，與所示高頻振蕩 器相連接的模數(shù)分頻模塊，與所述模數(shù)分頻模塊相連接的二次分頻模塊，以及與所述二次 分頻模塊相連接的單片機(jī)芯片。還包括頂蓋，套設(shè)于所述操作桿的外部，用于保護(hù)所述PVC塑料模塊。所述深度傳感模塊為磁敏霍爾開關(guān)陣列，以相同間隔嵌于所述操作桿內(nèi)部。本發(fā)明還提供了一種土壤凍融過程的測量方法，包括以下步驟
步驟101、將PVC塑料管埋入測量地點(diǎn)的土壤中；步驟103、在數(shù)據(jù)采集模塊上設(shè)定測量參數(shù)，所述測量參數(shù)包括深度、采樣間隔以 及測量速度；步驟105、將操作桿置于PVC塑料管頂端，使得管式冰水介電傳感模塊進(jìn)入PVC塑 料管；步驟107、保持操作桿穩(wěn)速向下滑動(dòng)，管式冰水介電傳感器隨著操作桿的滑動(dòng)實(shí)時(shí) 測量土壤剖面的冰水介電常數(shù)，并將測得的所述冰水介電常數(shù)發(fā)送至數(shù)據(jù)采集模塊；所述 操作桿內(nèi)的深度傳感器按步驟103設(shè)定的參數(shù)采集測量深度數(shù)據(jù)，達(dá)到設(shè)定的最大測量深 度后停止測量，并將測得的深度數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集模塊；步驟109、數(shù)據(jù)采集模塊將接收到的深度數(shù)據(jù)和冰水介電常數(shù)保存。所述步驟105之后還包括用頂蓋將PVC塑料管的上端密封。(三)有益效果本發(fā)明的技術(shù)方案具有如下有益效果通過采用基于介電測量原理的冰水介電傳 感模塊可快速方便、準(zhǔn)確高效地獲取土壤冰水含量，為土壤凍融情況的分析帶來準(zhǔn)確的數(shù) 據(jù)；所采用的深度傳感模塊可同步記錄測量點(diǎn)的深度數(shù)據(jù)，可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定不同的采 樣間隔，采集數(shù)據(jù)方式靈活，準(zhǔn)確，且本發(fā)明裝置的成本較現(xiàn)有技術(shù)的成本大大降低。


圖1是本發(fā)明土壤凍融過程的測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1中的冰水介電傳感模塊結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2中的介電信號(hào)處理單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明土壤凍融過程的測量方法流程圖；圖5是本發(fā)明某一時(shí)間段得到的土壤冰凍深度變化曲線示意圖。其中，1 操作桿；2 冰水介電傳感模塊；3 深度傳感模塊；4 =PVC塑料管；5 數(shù)據(jù) 傳輸線；6 數(shù)據(jù)采集模塊；7 頂蓋；21 =PVC塑料單元；22 電極；23 信號(hào)線；24 介電信號(hào) 處理單元；241 電感；242 高頻振蕩器；243 模數(shù)分頻模塊；245 二次分頻模塊；246 單 片機(jī)芯片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。圖1是本發(fā)明土壤凍融過程的測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，本實(shí)施例包括操作桿1，固定于操作桿ι底端的冰水介電傳感模塊2，嵌于操作桿1內(nèi)部的深度傳感模塊3，埋在測量土壤中的PVC塑料管4，數(shù)據(jù)傳輸線5以及數(shù)據(jù)采集模塊6。其中冰水介電傳感模塊2用于實(shí)時(shí)測量土壤剖面的冰水介電常數(shù)，深度傳感模塊 3用于測量當(dāng)前的深度數(shù)據(jù)，PVC塑料管4用作深度傳感模塊3的運(yùn)行導(dǎo)軌，數(shù)據(jù)傳輸線5 用于將冰水介電傳感模塊2測得的冰水介電常數(shù)和深度傳感模塊3測得的深度數(shù)據(jù)傳輸至 數(shù)據(jù)采集模塊6。本實(shí)施例還可以包括套于操作桿1上并可以上下移動(dòng)的頂蓋7，該頂蓋7由PVC 材料制作，用于密封PVC塑料管4，防止PVC塑料管4內(nèi)進(jìn)異物，保持干燥。其中，操作桿1為空心不銹鋼管，長度在50cm-500cm之間；深度傳感模塊3為磁敏 霍爾開關(guān)陣列，其按照相等間隔嵌于操作桿1內(nèi)；PVC塑料管4為市場通用PVC材料制作的 塑料管，長期埋于測量的土壤中，不與其他部件固定連接；數(shù)據(jù)傳輸線5為RS232數(shù)字信號(hào) 傳輸線；數(shù)據(jù)采集模塊6為PDA掌上電腦。如圖2所示，為圖1中的冰水介電傳感模塊結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例的冰水介電傳感 模塊包括PVC塑料單元21，嵌入在PVC塑料單元21中的電極22，介電信號(hào)處理單元24以 及連接電極22和介電信號(hào)處理單元24的信號(hào)線23。其中PVC塑料單元21的外徑與PVC 塑料管4的內(nèi)徑相同，使得冰水介電傳感模塊2可以套入到PVC塑料管4中；電極22由三 片寬度相等的銅片組成，嵌入在PVC塑料單元21中，能夠產(chǎn)生介電信號(hào)，信號(hào)線23將電極 22產(chǎn)生的信號(hào)傳輸至介電信號(hào)處理單元24，介電信號(hào)處理單元24將接收到的介電信號(hào)轉(zhuǎn) 化為數(shù)字化的信號(hào)，即介電常數(shù)，并將該介電常數(shù)通過數(shù)據(jù)傳輸線5輸出至數(shù)據(jù)采集模塊 6。再如圖3所示，為圖2中的介電信號(hào)處理單元結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例的介電信號(hào)處 理單元包括與電極22相連接的電感241，與電感241相連接的高頻振蕩器242，與高頻振 蕩器242相連接的模數(shù)分頻模塊243，與模數(shù)分頻模塊243相連接的二次分頻模塊245，以 及與二次分頻模塊245相連接的單片機(jī)芯片246。其中，本實(shí)施例的高頻振蕩器242采用MC1648芯片；模數(shù)分頻模塊243采用 MC12017模數(shù)分頻芯片；二次分頻模塊245采用計(jì)數(shù)器HEF4040芯片；單片機(jī)芯片246采用 自帶A/D轉(zhuǎn)換的MSP430F149芯片。本發(fā)明提供的土壤凍融過程的測量裝置具有以下有益效果本發(fā)明通過采用基于 介電測量原理的冰水介電傳感模塊可快速方便、準(zhǔn)確高效地獲取土壤冰水含量，為土壤凍 融情況的分析帶來準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)；所采用的深度傳感模塊可同步記錄測量點(diǎn)的深度數(shù)據(jù)，可 根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定不同的采樣間隔，采集數(shù)據(jù)方式靈活，準(zhǔn)確，且本發(fā)明裝置的成本較現(xiàn)有 技術(shù)的成本大大降低。如圖4所示，為本發(fā)明土壤凍融過程的測量方法流程圖，本方法采用前述土壤凍 融過程的測量裝置，包含以下步驟步驟101、選擇測量地點(diǎn)，將PVC塑料管豎直埋入測量地點(diǎn)的土壤中；本實(shí)施例選用2m長的PVC塑料管，該長度也可以根據(jù)實(shí)際情況具體選擇，埋置過 程需要注意保持PVC塑料管的管壁與土壤的緊密接觸，以減少測量誤差；步驟103、在數(shù)據(jù)采集模塊上設(shè)定測量參數(shù)，包括測量深度、采樣間隔以及測量速 度；
根據(jù)PVC塑料管的長度，設(shè)置最大測量深度為2m，采樣間隔為每秒10次，測量速度 為 3cm/s ；步驟105、將操作桿置于PVC塑料管底端，使得管式冰水介電傳感模塊進(jìn)入PVC塑 料管；可以用頂蓋將PVC塑料管上端密封，以保持塑料管內(nèi)干燥；步驟107、保持操作桿穩(wěn)速向下滑動(dòng)，冰水介電傳感模塊隨著操作桿的滑動(dòng)實(shí)時(shí)測 量土壤剖面的冰水介電常數(shù)，并將測得的所述冰水介電常數(shù)發(fā)送至數(shù)據(jù)采集模塊；深度傳 感模塊按步驟103設(shè)定的參數(shù)采集測量深度數(shù)據(jù)，達(dá)到設(shè)定的最大測量深度后停止測量， 并將測得的深度數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸線傳輸至數(shù)據(jù)采集模塊；步驟109、數(shù)據(jù)采集模塊將接收到的測量數(shù)據(jù)和冰水介電常數(shù)保存；在不同時(shí)間重復(fù)步驟101-109，可以得到某一時(shí)間段內(nèi)土壤冰凍情況的變化曲線， 如圖5所示，為本發(fā)明某一時(shí)間段得到的土壤冰凍深度變化曲線示意圖，圖5顯示了 2009 年11月23日至2010年2月26日這段時(shí)間內(nèi)某一實(shí)驗(yàn)點(diǎn)土壤冰凍情況，該實(shí)驗(yàn)點(diǎn)在2010 年1月22日左右達(dá)到最大冰凍深度60cm。本發(fā)明提供的土壤凍融過程的測量方法及裝置具有以下有益效果本發(fā)明通過采 用基于介電測量原理的冰水介電傳感模塊可快速方便、準(zhǔn)確高效地獲取土壤冰水含量，為 土壤凍融情況的分析帶來準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)；所采用的深度傳感模塊可同步記錄測量點(diǎn)的深度數(shù) 據(jù)，可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定不同的采樣間隔，采集數(shù)據(jù)方式靈活，準(zhǔn)確，且本發(fā)明裝置的成本 較現(xiàn)有技術(shù)的成本大大降低。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型 也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種土壤凍融過程的測量裝置，其特征在于，包括操作桿；固定于所述操作桿底端的冰水介電傳感模塊，用于實(shí)時(shí)測量土壤剖面的冰水介電常數(shù)；嵌于所述操作桿內(nèi)部的深度傳感模塊，用于測量當(dāng)前的深度數(shù)據(jù)；埋在測量土壤中，用作所述深度傳感模塊的運(yùn)行導(dǎo)軌的聚氯乙烯(PVC)塑料管；數(shù)據(jù)傳輸線，用于將所述冰水介電常數(shù)和深度數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集模塊；所述數(shù)據(jù)采集模塊，用于根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前土壤凍融情況。
2.如權(quán)利要求1所述的土壤凍融過程的測量裝置，其特征在于，所述冰水介電傳感模 塊包括PVC塑料單元，嵌入所述PVC塑料單元中的電極，介電信號(hào)處理單元以及連接所述電極 和介電信號(hào)處理單元的信號(hào)線，其中所述電極用于產(chǎn)生冰水介電信號(hào)，所述介電信號(hào)處理 單元用于將所述介電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的信號(hào)并輸出。
3.如權(quán)利要求2所述的土壤凍融過程的測量裝置，其特征在于，所述介電信號(hào)處理單 元包括與所示電極相連接的高頻振蕩器，與所示高頻振蕩器相連接的模數(shù)分頻模塊，與所 述模數(shù)分頻模塊相連接的二次分頻模塊，以及與所述二次分頻模塊相連接的單片機(jī)芯片。
4.如權(quán)利要求1所述的土壤凍融過程的測量裝置，其特征在于，還包括頂蓋，套設(shè)于 所述操作桿的外部，用于保護(hù)所述PVC塑料模塊。
5.如權(quán)利要求1所述的土壤凍融過程的測量裝置，其特征在于，所述深度傳感模塊為 磁敏霍爾開關(guān)陣列，以相同間隔嵌于所述操作桿內(nèi)部。
6.一種土壤凍融過程的測量方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟101、將PVC塑料管埋入測量地點(diǎn)的土壤中；步驟103、在數(shù)據(jù)采集模塊上設(shè)定測量參數(shù)，所述測量參數(shù)包括深度、采樣間隔以及測量速度；步驟105、將操作桿置于PVC塑料管底端，使得管式冰水介電傳感模塊進(jìn)入PVC塑料管；步驟107、保持操作桿穩(wěn)速向下滑動(dòng)，冰水介電傳感模塊隨著操作桿的滑動(dòng)實(shí)時(shí)測量土 壤剖面的冰水介電常數(shù)，并將測得的所述冰水介電常數(shù)發(fā)送至數(shù)據(jù)采集模塊；所述深度傳 感模塊按步驟103設(shè)定的參數(shù)采集測量深度數(shù)據(jù)，達(dá)到設(shè)定的最大測量深度后停止測量， 并將測得的深度數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集模塊；步驟109、數(shù)據(jù)采集模塊將接收到的深度數(shù)據(jù)和冰水介電常數(shù)保存。
7.如權(quán)利要求6所述的土壤凍融過程的測量方法，其特征在于，所述步驟105之后還包 括用頂蓋將PVC塑料管的上端密封。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種土壤凍融過程的測量方法及裝置，該裝置包括操作桿；固定于所述操作桿底端的冰水介電傳感模塊，用于實(shí)時(shí)測量土壤剖面的冰水介電常數(shù)；嵌于所述操作桿內(nèi)部的深度傳感模塊，用于測量當(dāng)前的深度數(shù)據(jù)；埋在測量土壤中，用作所述深度傳感模塊的運(yùn)行導(dǎo)軌的PVC塑料管；數(shù)據(jù)傳輸線，用于將所述冰水介電常數(shù)和深度數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集模塊；所述數(shù)據(jù)采集模塊，用于根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前土壤凍融情況。本發(fā)明能夠快速方便、準(zhǔn)確高效地獲取土壤冰水含量、采集測量點(diǎn)的深度數(shù)據(jù)，為土壤凍融情況的分析帶來準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)；采集數(shù)據(jù)方式靈活，準(zhǔn)確，且成本較低。
文檔編號(hào)G01N27/22GK101832962SQ20101014739
公開日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月13日
發(fā)明者付磊, 孫宇瑞, 孟繁佳, 林劍輝, 柴進(jìn), 王聰穎, 盛文溢, 程強(qiáng), 薛緒掌 申請(qǐng)人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)