專利名稱：一種同步實時測量土壤剖面圓錐指數與含水率的設備的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種測量土壤圓錐指數與含水率的設備，尤其涉及一種同步實時測量土壤剖面圓錐指數與含水率的設備。
背景技術：
在農業生產過程中，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庫。大量研究結果已經表明，土壤含水率與壓實度是影響農作物生長的兩個至關重要物理參數。水是保證農作物生長的命脈，土壤中所發生的一系列反應，能量與物質交換均與水分有關，它直接關系著作物產量與品質。土壤壓實度不僅與種子的發芽破土率與植物的根系發育狀況密切相關，同時也直接影響著土壤水分的運移過程。土壤圓錐指數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。
自從TOPP等(1980)應用統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系以來，基于土壤介電特性的基礎性研究引起了土壤科學工作者的廣泛關注與重視。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特性之間的相互耦合關系已經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)，曾嘗試應用圓錐指數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廠家Micromodultechnik(Available atwww.mesasystemsco.com/pdf_files/TRIME_Theory.pdf，verified2001March 27)也對其生產的TRIME系列產品給出了一個基于土壤容重在1.4Mg m-3的校正公式。
雖然人們已經認識到土壤壓實度與土壤含水率的重要性及其相關性，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測量得分別完成，前一個物理量測量對土壤產生的擾動嚴重影響到后一個物理量測量的準確度。
特別還應指出的是，目前測量土壤含水率常用的TDR方法(時域反射技術，Time DomainReflectrometry)所需測量時間較長，每兩次測量間需要有一個數十秒的時間間隔，不能做到真正的連續實時測量，而且對傳輸導線長度有一定要求，與壓力傳感器融合時也存在不少問題。
發明內容
本實用新型的目的在于克服已有的土壤水分測量儀，存在連續實時測量時不能達到真正的連續，以及對傳輸導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，進而根據相關的多變量數學模型確定土壤含水率與壓實度的土壤圓錐指數與含水率同步實時測量設備。
本實用新型提供的同步實時測量土壤剖面圓錐指數與含水率的設備，外形結構如圖1所示，包括一底座20，該底座20上設置一根主立柱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的一側面上自上而下設置一齒輪狀導軌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驅動滑輪14沿著主立柱15的齒輪狀導軌16上下行進；一上行程控制塊17位于主立柱左側面，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、傳感器及復合傳感器供電；復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生的反彈。
在上述技術方案中，還包括一行走輪22，該行走輪22安裝在底座20的一側面。
在上述技術方案中，所述的控制器11包括信號調節單元、A/D轉換器、CPU單元、數據存儲器和數據通訊接口；其中CPU單元接到控制器面板上按鈕的控制信號后，開始發出控制信號驅動電機運行，并根據情況開始采集傳感器的信號輸入，并通過信號調節單元做整流濾波相應信號處理，和經A/D轉換器轉換處理后，再把數據存儲到存儲器中；當阻力大于500N時，CPU也會向電機發出控制信號，驅動電機回轉。
還包括一PC機，該PC機與CPU單元電連接，CPU單元則會同時把數據傳給PC機；數據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傳輸到PC。
所述的信號調節單元為普通的整流濾波電路。
所述的空心圓桿的長度根據要測土壤剖面深度選擇。
利用本實用新型的設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出控制信號，驅動步時電機向下行進；測量開始時，復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通的，則控制器同時向PC機傳送測量數據。當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出向上運行的控制信號，驅動步進電機向上行進，同時結束傳感器信號的采集并停止向PC機傳送數據。當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束。使用者可以根據實際測量深度的要求調整上下行程塊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軌的長度的。
本實用新型的優點本實用新型提供的同步實時測量土壤剖面圓錐指數與含水率的設備具有(1)在一個傳感器內融合兩種不同物理量的測量，并通過對這兩個相關物理量的數學建模同時提高兩者的測量精度；可在0-50cm的深度范圍內連續同步實時測量土壤圓錐指數與含水率兩個重要土壤物理參數，繪出土壤圓錐指數與含水率的縱向分布剖面；實現了土壤圓錐指數與含水率的同步實時測量。
(2)所測量的土壤圓錐指數與含水率均為剖面含參數，剖面深度可通過選擇不同長度的空心圓桿實現。
(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生的反彈。
(5)行走輪安裝于主立柱底側部，即不影響測量，又便于田間移動。
(6)通過機械上的設計，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解釋的一致性；另外，當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的土壤壓實過大，而導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)設備還設置數據采集與存儲器部分，并可以與PC機聯接。
圖1本實用新型的同步實時測量設備立體結構圖圖2本實用新型的設備中復合傳感器錐部剖面圖圖3本實用新型的設備中主安裝臺與主立柱結合部圖參考圖2，制作一本實施例的復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，該圓錐體為美國農業工程師協會規定的標準尺寸的金屬圓錐，以及在空心長圓桿3內依次嵌入PVC材料制作的圓環為絕緣體9、土壤含水率傳感器2、PVC圓環絕緣體9、土壤含水率傳感器2、和PVC圓環絕緣體9。圓錐指數測量原理為，在步進電機5的驅動下，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，并由其轉換成電壓輸出。土壤含水率傳感器2內嵌于圓錐體1上，作用機理為電磁場的邊緣效應。根據Maxwell公式，導電環電磁場的邊緣效應與其周圍介質的介電常數相關，進一步再根據Topp公式指出的土壤介電常數與土壤含水率的關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內部的信號線10輸出到設備控制器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與含水率的設備，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上設置一根主立柱15，主立柱15的正面自上而下設置一導軌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側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電聯接，并由步進電機5驅動沿著主立柱15正面的齒輪狀導軌16上下行進。深度傳感器12采用電位器原理，當主安裝臺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，驅動主安裝臺13恒速運行，從而保證了對土壤圓錐指數解譯的一致性。主立柱15左側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。使用者可以根據實際測量深度的要求調整上下行程塊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生的反彈現象。
還可將一付行走輪22安裝于底座后部，設備工作時，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傳輸到PC機。控制器11包括一由普通的整流濾波電路作為信號調節單元；一A/D轉換器為TSC7106；一CPU單元為MSP430；一數據存儲器為FLASH628；一數據通訊接口為MAX232；其中CPU接到面板上按鈕的控制信號后，開始發出控制信號驅動電機運行，并根據情況開始采集傳感器的信號輸入并做相應信號處理，然后把數據存儲到存儲器中；當阻力大于500N時，CPU也會向電機發出控制信號，驅動電機回轉。
還包括一PC機，該PC機與CPU單元電連接，CPU單元則會同時把數據傳給PC機；數據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傳輸到PC。
本設備采用蓄電池為步進電機5、設備控制器11及復合傳感器供電，工作時蓄電池放置于控制器11背面的蓄電池盒25。
權利要求1.一種同步實時測量土壤剖面圓錐指數與含水率的設備，包括一底座(20)，該底座(20)上設置一根主立柱(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)的一側面上自上而下設置一齒輪狀導軌(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)驅動滑輪(14)沿著主立柱(15)的齒輪狀導軌(16)上下行進；一上行程控制塊(17)位于主立柱左側面，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)、傳感器及復合傳感器供電；復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.按權利要求1所述的同步實時測量土壤剖面圓錐指數與含水率的設備，其特征在于，所述的控制器包括信號調節單元、A/D轉換器、CPU單元、數據存儲器和數據通訊接口；其中CPU單元接到控制器面板上按鈕的控制信號后，開始發出控制信號驅動電機運行，并根據情況開始采集傳感器的信號輸入，并通過信號調節單元做整流濾波相應信號處理，和經A/D轉換器轉換處理后，再把數據存儲到存儲器中；當阻力大于500N時，CPU也會向電機發出控制信號，驅動電機回轉。
3.按權利要求2所述的同步實時測量土壤剖面圓錐指數與含水率的設備，其特征在于，所述的信號調節單元為普通的整流濾波電路。
4.按權利要求1所述的同步實時測量土壤剖面圓錐指數與含水率的設備，其特征在于，還包括一PC機，該PC機與通訊接口24電聯接，數據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傳輸到PC機。
5.按權利要求1所述的同步實時測量土壤剖面圓錐指數與含水率的設備，其特征在于，所述的復合傳感器包括一空心長圓桿(3)，在空心長圓桿(3)內依次嵌入絕緣體(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)末端有一標準尺寸的金屬圓錐體。
6.按權利要求4所述的同步實時測量土壤剖面圓錐指數與含水率的設備，其特征在于，所述的絕緣體(9)為PVC材料制作的圓環。
7.按權利要求1所述的同步實時測量土壤剖面圓錐指數與含水率的設備，其特征在于，還包括一付腳踏板(21)，安裝在底座(20)正面上。
8.按權利要求1所述的同步實時測量土壤剖面圓錐指數與含水率的設備，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.按權利要求1所述的同步實時測量土壤剖面圓錐指數與含水率的設備，其特征在于，所述的空心圓桿的長度根據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與含水率的設備，包括主立柱，用于支撐主立柱的底座，設置在主立柱上的導軌，沿導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，驅動傳感器安裝臺沿導軌行進的步進電機，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，安裝于主立柱側下部的行走輪，安裝于主立柱頂部的數據采集器平臺。本實用新型的設備通過同步實時測量圓錐的高頻阻抗和圓錐受力指數，進而根據相關的多變量數學模型確定土壤含水率與壓實度的土壤圓錐指數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 優先權日2004年12月24日
發明者孫宇瑞, 馬道坤, 林劍輝 申請人:中國農業大學