專利名稱：一種同步實時測量土壤剖面圓錐指數(shù)與含水率的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種測量土壤圓錐指數(shù)與含水率的設(shè)備，尤其涉及一種同步實時測量土壤剖面圓錐指數(shù)與含水率的設(shè)備。
背景技術(shù)：
在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，土壤不僅對植物的生長提供物理支撐，也是植物生長的營養(yǎng)庫。大量研究結(jié)果已經(jīng)表明，土壤含水率與壓實度是影響農(nóng)作物生長的兩個至關(guān)重要物理參數(shù)。水是保證農(nóng)作物生長的命脈，土壤中所發(fā)生的一系列反應(yīng)，能量與物質(zhì)交換均與水分有關(guān)，它直接關(guān)系著作物產(chǎn)量與品質(zhì)。土壤壓實度不僅與種子的發(fā)芽破土率與植物的根系發(fā)育狀況密切相關(guān)，同時也直接影響著土壤水分的運移過程。土壤圓錐指數(shù)定義為圓錐深入土壤過程中單位圓錐表面積所受到的阻力(N/cm2)，是目前國際上廣泛使用的評價土壤壓實度的測量參數(shù)。
自從TOPP等(1980)應(yīng)用統(tǒng)計實驗方法揭示了土壤含水率與土壤介電特性之間的定量關(guān)系以來，基于土壤介電特性的基礎(chǔ)性研究引起了土壤科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注與重視。另一方面，土壤壓實度盡管可以通過測量圓錐指數(shù)來刻畫，但是多變量間耦合問題使得這種測量手段在實際應(yīng)用上至今仍受到很大的局限性。在影響土壤水分與壓實度測量精度的諸多因素中，人們逐漸意識到土壤介電與力學(xué)特性之間的相互耦合關(guān)系已經(jīng)成為決定測量精度的主要誤差因素。近年來Busscher等(1997，Soil & Tillage Research，43205-217)，曾嘗試應(yīng)用圓錐指數(shù)校正土壤含水率的測量，反過來Newman與Hummel(1999，Presentation for 1999ASAE/CSAE-SCGR Annual International Meeting，Toronto，Ontario，Canada，6，18-21)探討了通過土壤含水率提高土壤壓實度測量精度的可能性。此外，德國著名的TDR土壤水分測量儀生產(chǎn)廠家Micromodultechnik(Available atwww.mesasystemsco.com/pdf_files/TRIME_Theory.pdf，verified2001March 27)也對其生產(chǎn)的TRIME系列產(chǎn)品給出了一個基于土壤容重在1.4Mg m-3的校正公式。
雖然人們已經(jīng)認(rèn)識到土壤壓實度與土壤含水率的重要性及其相關(guān)性，但對這兩個物理里的測量始終是獨立進行，使得測量過程繁瑣，費時費力。尤其是由于兩個參數(shù)測量得分別完成，前一個物理量測量對土壤產(chǎn)生的擾動嚴(yán)重影響到后一個物理量測量的準(zhǔn)確度。
特別還應(yīng)指出的是，目前測量土壤含水率常用的TDR方法(時域反射技術(shù)，Time DomainReflectrometry)所需測量時間較長，每兩次測量間需要有一個數(shù)十秒的時間間隔，不能做到真正的連續(xù)實時測量，而且對傳輸導(dǎo)線長度有一定要求，與壓力傳感器融合時也存在不少問題。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服已有的土壤水分測量儀，存在連續(xù)實時測量時不能達到真正的連續(xù)，以及對傳輸導(dǎo)線長度要求苛刻的缺陷；從而提供一種通過同步實時測量圓錐的高頻阻抗和圓錐受力指數(shù)，進而根據(jù)相關(guān)的多變量數(shù)學(xué)模型確定土壤含水率與壓實度的土壤圓錐指數(shù)與含水率同步實時測量設(shè)備。
本實用新型提供的同步實時測量土壤剖面圓錐指數(shù)與含水率的設(shè)備，外形結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括一底座20，該底座20上設(shè)置一根主立柱15，壓力傳感器4和深度傳感器12；其特征在于，還包括一主安裝臺13，該主安裝臺13一側(cè)安裝一步進電機5，主立柱15頂端通過主安裝臺13用螺母與傳感器安裝臺6相連，成為一個整體；在主立柱15的一側(cè)面上自上而下設(shè)置一齒輪狀導(dǎo)軌16，至少8個滑輪14安裝在傳感器安裝臺6上，從四個方向抱住主立柱并能使傳感器安裝臺6沿主立柱方向上下移動；主安裝臺13通過滑輪14與主立柱15連接，滑輪14與步進電機5電連接，并由步進電機5驅(qū)動滑輪14沿著主立柱15的齒輪狀導(dǎo)軌16上下行進；一上行程控制塊17位于主立柱左側(cè)面，一下行程控制塊18位于底部；該傳感器安裝臺6上安裝一壓力傳感器4和深度傳感器12；復(fù)合傳感器的一根空心圓桿3通過球形鏈接鍵7安裝在傳感器安裝臺6下面；主安裝臺13頂部固定一蓄電池盒25和控制器11，蓄電池為步進電機5、控制器11、傳感器及復(fù)合傳感器供電；復(fù)合傳感器通過信號線10與控制器11電連接，測量信號由空心長圓桿3內(nèi)部的信號線10輸出到控制器11；所述的控制器11控制步進電機的運轉(zhuǎn)從而控制主安裝臺的運行，控制器11的主面板上有三個控制按鈕，分別用于控制主安裝臺13向上，向下或停止運動。
在上述技術(shù)方案中，還包括在底座20上安裝一付腳踏板21，克服測量過程中土壤反作用力產(chǎn)生的反彈。
在上述技術(shù)方案中，還包括一行走輪22，該行走輪22安裝在底座20的一側(cè)面。
在上述技術(shù)方案中，所述的控制器11包括信號調(diào)節(jié)單元、A/D轉(zhuǎn)換器、CPU單元、數(shù)據(jù)存儲器和數(shù)據(jù)通訊接口；其中CPU單元接到控制器面板上按鈕的控制信號后，開始發(fā)出控制信號驅(qū)動電機運行，并根據(jù)情況開始采集傳感器的信號輸入，并通過信號調(diào)節(jié)單元做整流濾波相應(yīng)信號處理，和經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換處理后，再把數(shù)據(jù)存儲到存儲器中；當(dāng)阻力大于500N時，CPU也會向電機發(fā)出控制信號，驅(qū)動電機回轉(zhuǎn)。
還包括一PC機，該PC機與CPU單元電連接，CPU單元則會同時把數(shù)據(jù)傳給PC機；數(shù)據(jù)采集與存儲器與多路傳感器電連接，采集多路傳感器信號并通過通訊接口24傳輸?shù)絇C。
所述的信號調(diào)節(jié)單元為普通的整流濾波電路。
所述的空心圓桿的長度根據(jù)要測土壤剖面深度選擇。
利用本實用新型的設(shè)備進行測量的過程如下首先按下控制器面板上的向下按鈕，控制器的CPU接到信號后向步進電機發(fā)出控制信號，驅(qū)動步時電機向下行進；測量開始時，復(fù)合傳感器與傳感器安裝臺6及主安裝臺13一起向下運行，同時控制器開始接收傳感器信號，并做處理、存儲，如果同時接有PC機且PC機與控制器的通訊是聯(lián)通的，則控制器同時向PC機傳送測量數(shù)據(jù)。當(dāng)傳感器安裝臺碰到下行程塊時，CPU會收到一個下行程塊信號，接到這個信號后就向步進電機發(fā)出向上運行的控制信號，驅(qū)動步進電機向上行進，同時結(jié)束傳感器信號的采集并停止向PC機傳送數(shù)據(jù)。當(dāng)傳感器向上行進碰到上行程塊時，CPU會收到一個上行程塊信號并給步進電機發(fā)出停止的控制信號，停止步進電機運行，一個測量操作過程結(jié)束。使用者可以根據(jù)實際測量深度的要求調(diào)整上下行程塊17、18的位置，從而改變土壤含水率傳感器2的移動范圍。所述的導(dǎo)軌的長度是固定的，行程控制塊所控制的范圍是小于或等于導(dǎo)軌的長度的。
本實用新型的優(yōu)點本實用新型提供的同步實時測量土壤剖面圓錐指數(shù)與含水率的設(shè)備具有(1)在一個傳感器內(nèi)融合兩種不同物理量的測量，并通過對這兩個相關(guān)物理量的數(shù)學(xué)建模同時提高兩者的測量精度；可在0-50cm的深度范圍內(nèi)連續(xù)同步實時測量土壤圓錐指數(shù)與含水率兩個重要土壤物理參數(shù)，繪出土壤圓錐指數(shù)與含水率的縱向分布剖面；實現(xiàn)了土壤圓錐指數(shù)與含水率的同步實時測量。
(2)所測量的土壤圓錐指數(shù)與含水率均為剖面含參數(shù)，剖面深度可通過選擇不同長度的空心圓桿實現(xiàn)。
(3)傳感器插入土壤的速度是恒定的，從而保證了對土壤圓錐指數(shù)解譯的一致性。
(4)提供了操作時可以讓操作者站立的腳踏板，有效的克服了測量過程中土壤反作用力產(chǎn)生的反彈。
(5)行走輪安裝于主立柱底側(cè)部，即不影響測量，又便于田間移動。
(6)通過機械上的設(shè)計，例如傳感器與立柱的連接部位是采用的活動連接的，這樣傳感器以恒定的速度插入土壤中，保證對土壤圓錐指數(shù)解釋的一致性；另外，當(dāng)傳感器插入土壤過程中，遇到異物有避讓能力；或者可以防止在測量過程中出現(xiàn)的土壤壓實過大，而導(dǎo)致壓力傳感器超負荷。
(7)本實用新型中還具有兩種自我保護功能首先，當(dāng)來自土壤的阻力過大時，阻力大于500N(500牛頓)的時候，控制器將不再向下行進，而是返回，以防止電機過載燒毀；其二，傳感器與設(shè)備的連接部位是活動的，對傳感器插入土壤過程中所碰到的異物，可以自動躲避土壤中的異物，例如石頭。
(8)設(shè)備還設(shè)置數(shù)據(jù)采集與存儲器部分，并可以與PC機聯(lián)接。


圖1本實用新型的同步實時測量設(shè)備立體結(jié)構(gòu)圖圖2本實用新型的設(shè)備中復(fù)合傳感器錐部剖面圖圖3本實用新型的設(shè)備中主安裝臺與主立柱結(jié)合部圖參考圖2，制作一本實施例的復(fù)合傳感器包括一用于支持傳感器的空心長圓桿3，其末端有一圓錐體，該圓錐體為美國農(nóng)業(yè)工程師協(xié)會規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)尺寸的金屬圓錐，以及在空心長圓桿3內(nèi)依次嵌入PVC材料制作的圓環(huán)為絕緣體9、土壤含水率傳感器2、PVC圓環(huán)絕緣體9、土壤含水率傳感器2、和PVC圓環(huán)絕緣體9。圓錐指數(shù)測量原理為，在步進電機5的驅(qū)動下，圓錐體1插入土壤，土壤阻力通過空心長圓桿3傳遞給壓力傳感器4，并由其轉(zhuǎn)換成電壓輸出。土壤含水率傳感器2內(nèi)嵌于圓錐體1上，作用機理為電磁場的邊緣效應(yīng)。根據(jù)Maxwell公式，導(dǎo)電環(huán)電磁場的邊緣效應(yīng)與其周圍介質(zhì)的介電常數(shù)相關(guān)，進一步再根據(jù)Topp公式指出的土壤介電常數(shù)與土壤含水率的關(guān)系即可得出被測土壤含水率的初始值。土壤含水率傳感器2由PVC絕緣體9與錐頭8及空心長圓桿3隔開，測量信號由空心長圓桿3內(nèi)部的信號線10輸出到設(shè)備控制器11。
參考圖1，制作一本實施例的同步實時測量土壤剖面圓錐指數(shù)與含水率的設(shè)備，一市場上購買的壓力傳感器4安裝于傳感器安裝臺6上部，復(fù)合傳感器的空心長圓桿3通過球形鏈接鍵7與傳感器安裝臺6連接。由于球形鏈接鍵的鏈接有一定的空間自由度，保證了在傳感器安裝臺6向下行進過程中，圓錐體1碰到異物(如石塊等)時，空心長圓桿3有一定的偏移能力，從而躲開異物，避免異物對傳感器的損壞。
一底座20，該底座20上設(shè)置一根主立柱15，主立柱15的正面自上而下設(shè)置一導(dǎo)軌16；主立柱15的頂面通過主安裝臺13通過螺母與傳感器安裝臺6相連，成為一個整體。一深度傳感器12和步進電機5均固定于主安裝臺13上，主安裝臺13通過十二個滑輪14與主立柱15連接，十二個滑輪14分別安裝在傳感器安裝臺6上，安裝的位置是傳感器安裝臺的內(nèi)側(cè)面與主立柱包合的部位，詳見圖3，從四個方向抱住主立柱15，并能使傳感器安裝臺6沿主立柱15方向上下移動；滑輪14與步進電機5電聯(lián)接，并由步進電機5驅(qū)動沿著主立柱15正面的齒輪狀導(dǎo)軌16上下行進。深度傳感器12采用電位器原理，當(dāng)主安裝臺13上下移動時引起電位器電阻值的改變，從而改變傳感器輸出電壓。步進電機5在控制器11的控制下，驅(qū)動主安裝臺13恒速運行，從而保證了對土壤圓錐指數(shù)解譯的一致性。主立柱15左側(cè)面的頂部安裝有上行程控制塊17，底部安裝有下行程控制塊18。完整的測量過程如下測量開始時，復(fù)合傳感器與傳感器安裝臺6及主安裝臺13一起向下運行，當(dāng)碰到下行程控制塊18時，改變運行方向向上運行，直到碰到上行程控制塊17運行停止。使用者可以根據(jù)實際測量深度的要求調(diào)整上下行程塊17、18的位置，從而改變土壤含水率傳感器2的移動范圍。
還包括通過螺絲19將主立柱15緊固于底座20上，在底座20上設(shè)置一付腳踏板21，供使用者在測量時站立，從而防止測量時由于阻力過大而產(chǎn)生的反彈現(xiàn)象。
還可將一付行走輪22安裝于底座后部，設(shè)備工作時，行走輪22懸空；移動時，通過手柄23向后傾斜主立柱15使行走輪22著地行走，便于移動。
參考圖4，本實施例的控制器11安裝于主立柱15頂部。它的主面板上有三個控制按鈕分別用于控制主安裝臺向上，向下和停止運動。控制器11的功能有兩個方面控制步進電機的運轉(zhuǎn)從而控制主安裝臺的運行，以及采集多路傳感器信號并通過通訊接口24傳輸?shù)絇C機。控制器11包括一由普通的整流濾波電路作為信號調(diào)節(jié)單元；一A/D轉(zhuǎn)換器為TSC7106；一CPU單元為MSP430；一數(shù)據(jù)存儲器為FLASH628；一數(shù)據(jù)通訊接口為MAX232；其中CPU接到面板上按鈕的控制信號后，開始發(fā)出控制信號驅(qū)動電機運行，并根據(jù)情況開始采集傳感器的信號輸入并做相應(yīng)信號處理，然后把數(shù)據(jù)存儲到存儲器中；當(dāng)阻力大于500N時，CPU也會向電機發(fā)出控制信號，驅(qū)動電機回轉(zhuǎn)。
還包括一PC機，該PC機與CPU單元電連接，CPU單元則會同時把數(shù)據(jù)傳給PC機；數(shù)據(jù)采集與存儲器與多路傳感器電連接，采集多路傳感器信號并通過通訊接口24傳輸?shù)絇C。
本設(shè)備采用蓄電池為步進電機5、設(shè)備控制器11及復(fù)合傳感器供電，工作時蓄電池放置于控制器11背面的蓄電池盒25。
權(quán)利要求1.一種同步實時測量土壤剖面圓錐指數(shù)與含水率的設(shè)備，包括一底座(20)，該底座(20)上設(shè)置一根主立柱(15)，壓力傳感器(4)和深度傳感器(12)；其特征在于，還包括一主安裝臺(13)，該主安裝臺(13)一側(cè)安裝一步進電機(5)，主立柱(15)頂端通過主安裝臺(13)用螺母與傳感器安裝臺(6)相連，成為一個整體；在主立柱(15)的一側(cè)面上自上而下設(shè)置一齒輪狀導(dǎo)軌(16)，至少8個滑輪(14)安裝在傳感器安裝臺(6)上，從四個方向抱住主立柱并能使傳感器安裝臺(6)沿主立柱方向上下移動；主安裝臺(13)通過滑輪(14)與主立柱(15)連接，滑輪14與步進電機(5)電連接，并由步進電機(5)驅(qū)動滑輪(14)沿著主立柱(15)的齒輪狀導(dǎo)軌(16)上下行進；一上行程控制塊(17)位于主立柱左側(cè)面，一下行程控制塊(18)位于底部；該傳感器安裝臺(6)上安裝一壓力傳感器(4)和深度傳感器(12)；復(fù)合傳感器的一根空心圓桿(3)通過球形鏈接鍵(7)安裝在傳感器安裝臺(6)下面；主安裝臺(13)頂部固定一蓄電池盒(25)和控制器(11)，蓄電池為步進電機(5)、控制器(11)、傳感器及復(fù)合傳感器供電；復(fù)合傳感器通過信號線(10)與控制器(11)電連接，測量信號由空心長圓桿(3)內(nèi)部的信號線(10)輸出到控制器(11)；所述的控制器(11)控制步進電機的運轉(zhuǎn)從而控制主安裝臺的運行，控制器(11)的主面板上有三個分別用于控制主安裝臺(13)向上，向下或停止運動的控制按鈕。
2.按權(quán)利要求1所述的同步實時測量土壤剖面圓錐指數(shù)與含水率的設(shè)備，其特征在于，所述的控制器包括信號調(diào)節(jié)單元、A/D轉(zhuǎn)換器、CPU單元、數(shù)據(jù)存儲器和數(shù)據(jù)通訊接口；其中CPU單元接到控制器面板上按鈕的控制信號后，開始發(fā)出控制信號驅(qū)動電機運行，并根據(jù)情況開始采集傳感器的信號輸入，并通過信號調(diào)節(jié)單元做整流濾波相應(yīng)信號處理，和經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換處理后，再把數(shù)據(jù)存儲到存儲器中；當(dāng)阻力大于500N時，CPU也會向電機發(fā)出控制信號，驅(qū)動電機回轉(zhuǎn)。
3.按權(quán)利要求2所述的同步實時測量土壤剖面圓錐指數(shù)與含水率的設(shè)備，其特征在于，所述的信號調(diào)節(jié)單元為普通的整流濾波電路。
4.按權(quán)利要求1所述的同步實時測量土壤剖面圓錐指數(shù)與含水率的設(shè)備，其特征在于，還包括一PC機，該PC機與通訊接口24電聯(lián)接，數(shù)據(jù)存儲器與多路傳感器電連接，采集多路傳感器信號并通過通訊接口24傳輸?shù)絇C機。
5.按權(quán)利要求1所述的同步實時測量土壤剖面圓錐指數(shù)與含水率的設(shè)備，其特征在于，所述的復(fù)合傳感器包括一空心長圓桿(3)，在空心長圓桿(3)內(nèi)依次嵌入絕緣體(9)、土壤含水率傳感器(2)、絕緣體(9)、土壤含水率傳感器(2)、和絕緣體(9)，其空心長圓桿(3)末端有一標(biāo)準(zhǔn)尺寸的金屬圓錐體。
6.按權(quán)利要求4所述的同步實時測量土壤剖面圓錐指數(shù)與含水率的設(shè)備，其特征在于，所述的絕緣體(9)為PVC材料制作的圓環(huán)。
7.按權(quán)利要求1所述的同步實時測量土壤剖面圓錐指數(shù)與含水率的設(shè)備，其特征在于，還包括一付腳踏板(21)，安裝在底座(20)正面上。
8.按權(quán)利要求1所述的同步實時測量土壤剖面圓錐指數(shù)與含水率的設(shè)備，其特征在于，還包括一行走輪(22)，該行走輪(22)安裝在底座(20)的背面。
9.按權(quán)利要求1所述的同步實時測量土壤剖面圓錐指數(shù)與含水率的設(shè)備，其特征在于，所述的空心圓桿的長度根據(jù)要測土壤剖面深度選擇。
專利摘要本實用新型涉及一種同步實時測量土壤剖面圓錐指數(shù)與含水率的設(shè)備，包括主立柱，用于支撐主立柱的底座，設(shè)置在主立柱上的導(dǎo)軌，沿導(dǎo)軌上下行進的傳感器安裝臺；固定于主立柱上的控制器和蓄電池盒，控制器有信號輸入接口與信號輸出接口，驅(qū)動傳感器安裝臺沿導(dǎo)軌行進的步進電機，測量傳感器行進深度的位置傳感器，以及用于支持傳感器的空心長圓桿及壓力傳感器；給傳感器和步進電機提供能源的蓄電池，安裝于主立柱側(cè)下部的行走輪，安裝于主立柱頂部的數(shù)據(jù)采集器平臺。本實用新型的設(shè)備通過同步實時測量圓錐的高頻阻抗和圓錐受力指數(shù)，進而根據(jù)相關(guān)的多變量數(shù)學(xué)模型確定土壤含水率與壓實度的土壤圓錐指數(shù)與含水率同步實時測量。
文檔編號G01N27/12GK2758741SQ20042012013
公開日2006年2月15日 申請日期2004年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月24日
發(fā)明者孫宇瑞, 馬道坤, 林劍輝 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)