專利名稱：一種土壤水分傳感器影響半徑檢測(cè)系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水分檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種土壤水分傳感器影響半徑檢測(cè)系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
水是地球生物賴以存在的物質(zhì)基礎(chǔ)，是維系地球生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的首要條件。而我國(guó)是一個(gè)嚴(yán)重缺水的國(guó)家，人均淡水資源只占世界人均淡水資源的四分之一。其中農(nóng)業(yè)用水量最大，約占全社會(huì)總用水量70%。因此合理高效利用水資源是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中非常重要的任務(wù)。目前人們一直將土壤水分作為控制農(nóng)作物灌溉的指標(biāo)。通過向農(nóng)田里埋土壤水分傳感器獲取該農(nóng)田土壤墑情，進(jìn)而以此為依據(jù)進(jìn)行科學(xué)合理灌溉。然而如何在大田布置傳感器分布對(duì)于能否準(zhǔn)確獲取大田土壤墑情具有重要意義。所以，準(zhǔn)確確定所布置土壌水分傳感器的影響半徑，不僅可以準(zhǔn)確獲取大田土壤墑情，而且還可以節(jié)省傳感器數(shù)量，提高經(jīng)濟(jì)效益。目前，國(guó)際上對(duì)于土壤水分傳感器影響半徑的測(cè)量方法較少，比較有影響的是主要有以下兩種方法。ー種方法是，1989年由Zegelin S. J.和White I.提出的采用電場(chǎng)分布的輪廓來(lái)近似傳感器的影響半徑，如圖I所示。這種方法主要是針對(duì)針式電極結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布的解析與計(jì)算，而且是基于靜電場(chǎng)理論，但并沒有考慮將測(cè)量頻率變化作為參變量進(jìn)行針對(duì)性分析和討論，直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，測(cè)量結(jié)果往往與實(shí)際結(jié)果具有較大的差異，使用具有較大的局限性。另ー種方法是1989年Baker和Lascano提出的，他們將ー對(duì)TDR傳感器探針置于由24X50空心玻璃管構(gòu)成的矩陣玻璃盒子中。測(cè)試時(shí)，逐列向玻璃管中注水，改變注水玻璃管到傳感器探針的距離，當(dāng)傳感器的讀數(shù)突變時(shí)，此時(shí)的距離即為傳感器的影響半徑。方法實(shí)施示意圖如圖2所示，這種方法雖然簡(jiǎn)單易行，但測(cè)試對(duì)象只是空氣和水而并非含水土壌，與實(shí)際土壌水分含量測(cè)量具有較大不同。因此這種方式只能定性的分析，并不能真實(shí)反映土壌水分傳感器器的影響半徑。而目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于土壌水分傳感器影響半徑的研究基本沒有。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述背景技術(shù)中提到現(xiàn)有土壌水分傳感器影響半徑不能真實(shí)反映實(shí)際土壌水分含量等不足，本發(fā)明提出了一種土壤水分傳感器影響半徑檢測(cè)系統(tǒng)及方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種土壤水分傳感器影響半徑檢測(cè)系統(tǒng)，用于檢測(cè)土壌水 分傳感器影響半徑，其特征是該系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn)缸、隔溫層、水分傳感器、導(dǎo)線、傳感器電路板和數(shù)據(jù)采集器；所述實(shí)驗(yàn)缸盛滿凍融土壌，將水分傳感器置于實(shí)驗(yàn)缸的中央，實(shí)驗(yàn)缸的上下面用隔溫層進(jìn)行密封；導(dǎo)線將水分傳感器和傳感器電路板連接；傳感器電路板和數(shù)據(jù)采集器連接。所述實(shí)驗(yàn)缸的材料為聚氯こ烯。所述隔溫層的材料為酚醛泡沫塑料。所述導(dǎo)線為同軸電纜線。所述數(shù)據(jù)采集器為PDA或計(jì)算機(jī)。一種監(jiān)測(cè)土壌水分傳感器檢測(cè)半徑的方法，其特征是該方法包括以下步驟步驟I :將水分傳感器置于盛滿凍融土壌的實(shí)驗(yàn)缸的中央，通過隔溫層將實(shí)驗(yàn)缸的上下面密封； 步驟2 :實(shí)驗(yàn)缸的側(cè)壁將外部熱量傳導(dǎo)至實(shí)驗(yàn)缸內(nèi)，使得凍融土壤在實(shí)驗(yàn)缸內(nèi)由外向內(nèi)解凍；步驟3 :數(shù)據(jù)采集器對(duì)水分傳感器的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到水分傳感器的信號(hào)發(fā)生突變時(shí)，凍融土壌和解凍土壤的邊界與水分傳感器的距離即為該水分傳感器的影響半徑。本發(fā)明提供的土壌水分傳感器影響半徑的檢測(cè)方法，直接采用土壌為測(cè)試介質(zhì)，同時(shí)又避免了直接控制土壌的干濕，可以準(zhǔn)確地檢測(cè)土壌水分傳感器的影響半徑。并且通過選取傳感器安裝處特定質(zhì)地、容重等參數(shù)的土壤樣本，可以進(jìn)一歩增加檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝、拆卸方便，可以多次重復(fù)進(jìn)行，并且測(cè)試不受傳感器探頭結(jié)構(gòu)限制。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例的土壌水分傳感器影響半徑的檢測(cè)方法示意圖；其中，I為實(shí)驗(yàn)缸；2為隔溫層；3為水分傳感器；4為導(dǎo)線；5為傳感器電路板；6為數(shù)據(jù)采集器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對(duì)優(yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。由于液態(tài)水的相對(duì)介電常數(shù)是81，固態(tài)水的相對(duì)介電常數(shù)約為3，而土壤顆粒的相對(duì)介電常數(shù)恰恰也在3飛之間。因此對(duì)于土壤介電特性而言，存在著土壌“凍-融”與土壌“干-濕”的等價(jià)關(guān)系。利用這一等價(jià)關(guān)系，將傳感器置于凍實(shí)的含水土壌中，并且讓凍土逐漸由外向內(nèi)融化，這ー過程就可等價(jià)為土壌由外到內(nèi)從干變濕。當(dāng)捕捉傳感器輸出值突變時(shí)，即是土壤融化到傳感器影響半徑之內(nèi)，此時(shí)由水分傳感器到土壤凍融交界線的距離即為該傳感器的影響半徑。為此，所述土壤水分傳感器影響半徑的檢測(cè)方法需要用到實(shí)驗(yàn)缸、隔溫層、水分傳感器、導(dǎo)線、傳感器電路板以及數(shù)據(jù)采集器等部分。其中，數(shù)據(jù)采集器為PDA或者電腦等智能數(shù)據(jù)終端。本發(fā)明實(shí)驗(yàn)缸采用聚氯こ烯缸；隔溫層采用酚醛泡沫塑料；導(dǎo)線采用同軸電纜線。具體檢測(cè)方法如下步驟I :將水分傳感器置于盛滿凍融土壌的實(shí)驗(yàn)缸的中央，通過隔溫層將實(shí)驗(yàn)缸的上下面密封；
步驟2 :實(shí)驗(yàn)缸的側(cè)壁將外部熱量傳導(dǎo)至實(shí)驗(yàn)缸內(nèi)，使得凍融土壤在實(shí)驗(yàn)缸內(nèi)由外向內(nèi)解凍；步驟3 :數(shù)據(jù)采集器對(duì)水分傳感器的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到水分傳感器的信號(hào)發(fā)生突變時(shí)，凍融土壌和解凍土壤的邊界 與水分傳感器的距離即為該水分傳感器的影響半徑。將水分傳感器置入盛滿凍融土壌的聚氯こ烯缸，然后用多層酚醛泡沫塑料將聚氯こ烯缸上下兩面密封隔溫。埋入到完全凍融土壌里的水分傳感器通過同軸電纜線接到傳感器電路板，最終將連接到數(shù)據(jù)采集器。傳感器電路板包含高頻振蕩電路、分頻電路、單片機(jī)芯片、時(shí)鐘模塊、存儲(chǔ)模塊以及通信接ロ等部分。水分傳感器將感應(yīng)到的待測(cè)土壤含水量變化反映到傳感器電路板上，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后，再由單片機(jī)芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，并根據(jù)土壌“凍-融”與土壌“干-濕”的等價(jià)關(guān)系，捕捉到土壌含水率突變的時(shí)刻，即此時(shí)凍融土壤和解凍土壤的邊界與水分傳感器的距離即為該水分傳感器的影響半徑。本實(shí)施例實(shí)際測(cè)量原理如下假設(shè)水分傳感器影響半徑內(nèi)的土壌含水率低，即土壌“干”，此時(shí)意味著土壤處于“凍”態(tài)；當(dāng)所測(cè)的土壌含水率土壤陡增吋，此時(shí)說明土壌中的水發(fā)生相變，處于“融”態(tài)。即凍融土壌開始從外向內(nèi)融化，到達(dá)了水分傳感器影響半徑內(nèi)。此時(shí)，凍融土壌和解凍土壤的邊界與水分傳感器的距離即為該水分傳感器的影響半徑。。如附圖I所示，為本發(fā)明實(shí)施例的土壌水分傳感器影響半徑的檢測(cè)方法示意圖，具體實(shí)施步驟如下I)將土壤水分傳感器檢測(cè)探針置入聚氯こ烯缸正中間，填滿已知含水率的土壌，并均勻壓實(shí)；2)通過同軸電纜線將傳感器檢測(cè)探針與傳感器電路板相連，并最終連接到數(shù)據(jù)采集器；3)將該聚氯こ烯缸放入_20°C的冰柜中進(jìn)行冷凍；4) 48小時(shí)后，將盛滿完全凍實(shí)土壤的聚氯こ烯缸從冰柜中取出，并用多層酚醛泡沫塑料密封聚氯こ烯缸的上下兩面，然后將其置于室溫20±3°C進(jìn)行解凍；5)隨著時(shí)間推移，凍土從外往里融化，水分傳感器實(shí)時(shí)向傳感器電路板傳輸數(shù)據(jù)變化，電路板上的信號(hào)處理電路及單片機(jī)芯片會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將所處理土壌含水率傳給數(shù)據(jù)采集器。當(dāng)采集器所采集的土壌含水率突變時(shí)，此時(shí)從水分傳感器開始測(cè)量到土壌融化邊界的長(zhǎng)度即為該傳感器的影響半徑。經(jīng)過多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)證明，該方法所測(cè)土壤水分傳感器影響半徑具有較高準(zhǔn)確性，而且重復(fù)性良好。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種土壤水分傳感器影響半徑檢測(cè)系統(tǒng)，用于檢測(cè)土壤水分傳感器影響半徑，其特征是該系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn)缸、隔溫層、水分傳感器、導(dǎo)線、傳感器電路板和數(shù)據(jù)采集器； 所述實(shí)驗(yàn)缸盛滿凍融土壤，將水分傳感器置于實(shí)驗(yàn)缸的中央，實(shí)驗(yàn)缸的上下面用隔溫層進(jìn)行密封；導(dǎo)線將水分傳感器和傳感器電路板連接；傳感器電路板和數(shù)據(jù)采集器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種土壤水分傳感器影響半徑檢測(cè)系統(tǒng)，其特征是所述實(shí)驗(yàn)缸的材料為聚氯乙烯。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種土壤水分傳感器影響半徑檢測(cè)系統(tǒng)，其特征是所述隔溫層的材料為酚醛泡沫塑料。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種土壤水分傳感器影響半徑檢測(cè)系統(tǒng)，其特征是所述導(dǎo)線為同軸電纜線。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種土壤水分傳感器影響半徑檢測(cè)系統(tǒng)，其特征是所述數(shù)據(jù)采集器為PDA或計(jì)算機(jī)。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求I所述系統(tǒng)監(jiān)測(cè)土壤水分傳感器檢測(cè)半徑的方法，其特征是該方法包括以下步驟 步驟I :將水分傳感器置于盛滿凍融土壤的實(shí)驗(yàn)缸的中央，通過隔溫層將實(shí)驗(yàn)缸的上下面密封； 步驟2 :實(shí)驗(yàn)缸的側(cè)壁將外部熱量傳導(dǎo)至實(shí)驗(yàn)缸內(nèi)，使得凍融土壤在實(shí)驗(yàn)缸內(nèi)由外向內(nèi)解凍； 步驟3 :數(shù)據(jù)采集器對(duì)水分傳感器的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到水分傳感器的信號(hào)發(fā)生突變時(shí)，凍融土壤和解凍土壤的邊界與水分傳感器的距離即為該水分傳感器的影響半徑。
全文摘要
本發(fā)明公開了水分檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域中的一種土壤水分傳感器影響半徑檢測(cè)系統(tǒng)及方法。本發(fā)明包括實(shí)驗(yàn)缸、隔溫層、水分傳感器、導(dǎo)線、傳感器電路板和數(shù)據(jù)采集器。本發(fā)明直接采用土壤為測(cè)試介質(zhì)，能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)土壤水分傳感器的影響半徑；并且通過選取傳感器安裝處特定質(zhì)地、容重等參數(shù)的土壤樣本，進(jìn)一步增加檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性；本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝、拆卸方便，可以多次重復(fù)進(jìn)行，并且測(cè)試不受傳感器探頭結(jié)構(gòu)限制。
文檔編號(hào)G01N33/24GK102680664SQ20121018434
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月6日
發(fā)明者員玉良, 孫宇瑞, 柴進(jìn), 盛文溢, 程強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)