專利名稱：一種土壤剖面電導率測量裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電導率測量裝置，尤其是涉及一種土壤剖面電導率測量裝置。
背景技術：
鹽分是鹽堿土壤質量和作物產量的重要影響因子，嚴重時導致農用土壤的荒棄。 為了有效地管理和利用圍墾的濱海鹽土，為土壤管理提供科學的決策依據，需要對土壤鹽 分進行頻繁的監測。類似挖掘、鉆孔和錐形透度計等侵入式的采樣模式是土壤剖面采樣最 常用的方法，但由于費時且費用高等不利因素限制了這類方法只能采集有限的采樣點，不 適合進行大面積的土壤剖面鹽分調查。因此，急需一種非侵入式的廉價而且便捷的剖面探 測技術。傳統的剖面電導率測量方法是通過挖掘出土壤剖面后測定的，主要方法有(1) 采集土壤樣品，經化學實驗測定電導率值；(2)采用土壤電導率測試裝置進行現場測量。 該類裝置基于“電流_電壓四端法”的接觸式設計，如美國VerisTechnology公司生產的 Veris3100 土壤電導率檢測儀，在測量時不需要取樣，相對更加便捷(Jabro J D，Evans R G, Stevens W B, et al. Repeatability of SoilApparent Electrical Conductivity Measured by the Veris 3100 Sensor. Soil Science, 2008，173 :35_45)。但這兩種方法的 前期挖掘剖面的準備工作費時費力，為了能夠提高效率，研究者們開發了新的方法。利用基于電磁感應原理的非侵入式設計來獲取剖面土壤電導率，即向儀器內部的 發射線圈通入交變流電，而用接受線圈來感應土壤中磁場的變化，通過所測磁場的變化來 表征土壤電導率(Soil Apparent Electrical Conductivity，ECa)。該類型設備的典型 代表產品是加拿大Geonics公司生產的EM38，該儀器外形呈條形，重量較輕，與高精度的差 分GPS連接，對地表進行掃描就能快速獲取帶有二維空間坐標的土壤剖面電導率。EM38在 水平模式下的探測深度為0. 75m，垂直模式下的探測深度達1. 50m，但測得的電導率是整個 1. 5米土壤剖面電導率的狀況，只有一個測量值，不能獲得1. 5米土壤剖面中逐層的土壤電
—^^lJ(McNeill J D. Electromagnetic terrain conductivity
measurementat low induction numbers. Tech. Note TN-6. Geonics, ON,Canada,1980)。因此，有學者通過建立地表測量的土壤電導率ECa與不同土層深度實測電導率 的經驗模型來獲取剖面電導率(Slavich P G Determining ECa depth profilesfrom electromagnetic induction measurements. Aust. J. Soil Res,1990, 28 :443_452)。 盡 管該類型模型的預測精度較高，但實踐證明該類型模型推廣到土壤屬性不同的田塊剖 面電導率預測時需要重新進行校正(Borchers B, Uram T, Hendrickx J MH. Tikhonov regularization of electrical conductivity depth profiles in field soils. SoilSci. Soc. Am. J, 1997，61 :1004-1009)。因此，有必要建立一種通用的土壤剖面電導率預 測模型，并設計新的裝置來快速測量距離表土不同高度的土壤電導率ECa，采用EM38電導 率剖面電磁感應響應模型通過解最小二乘問題的方法來預測電導率。在上述研究中，對同類土壤電導率測量裝置及剖面電導率預測方法的研究尚未見報道。 發明內容為了克服現有土壤電導率檢測儀不能直接測量三維剖面電導率的缺陷，本實用新 型的目的在于提供一種土壤剖面電導率測量方法及裝置。本實用新型采用的技術方案是一、一種土壤剖面電導率測量方法，該方法的步驟如下1)裝置定位將裝置移動到待測土壤地表，并通過土壤電導率檢測儀上的GPS設 備自動記錄地理位置信息；2) 土壤電導率檢測儀歸零校正通過裝置上的第一步進電機把土壤電導率檢測 儀抬高到距離地面1. 5m高的位置，再通過第二步進電機，來控制土壤電導率檢測儀的水平 和垂直位置，進行歸零校正程序；3)自動升降并記錄數據通過升降土壤電導率檢測儀在0.05 1.5m之間采集N 個高度水平、垂直模式下的電導率，土壤電導率檢測儀的高度和角度分別由施加在第一步 進電機和第二步進電機上的脈沖信號決定，并通過觸發開關來控制土壤電導率檢測儀的測 試和數據記錄。最后將GPS數據、土壤電導率檢測儀離地表高度值和不同高度電導率測量 據全部傳輸到電腦中。其數據處理的步驟如下1)將數據存儲器中的數據導入電腦中，獲得地表以上不同高度的N個水平、垂直 模式下的電導率值以及土壤電導率檢測儀離地表的高度值，存放在電腦中；2)計算地表N個高度位置的理論電導率假設將土壤分為M層，最底層M延伸到 地核深度。根據土壤電導率檢測儀水平、垂直模式下的靈敏度模型，計算采集的I^h2,... hN 等N個高度處的理論電導率m( σ )，存放在電腦中；3)反演剖面電導率值通過L-曲線法則選擇最佳Tikhonov正則化參數λ，將λ 代入Tikhonov正則化方程，反演剖面電導率σ，存放在電腦中；4)整個計算采用Matlab編程實現。二、一種土壤剖面電導率測量裝置由四根連接桿和兩塊端板組成檢測裝置的框架，兩根絲桿分別通過上下第一軸承 和上下第一軸承座安裝在各自的端板上，兩個蝸輪分別固定在各自絲桿上方，兩個滑塊分 別安裝在兩個蝸輪下方的兩根絲桿上，兩塊固定塊的一端分別通過連接軸和各自的第三軸 承與滑塊轉動連接，土壤電導率檢測儀安裝在兩塊固定塊的另一端間，用調節旋鈕固定，蝸 桿分別通過各自第二軸承和各自第二軸承座安裝在兩塊端板之間，第二齒輪固定在第一絲 桿一側的蝸桿上，蝸輪與蝸桿相嚙合，第一步進電機通過第一步進電機支架固定在第一絲 桿一側的端板上，第一齒輪固定在第一步進電機的旋轉軸上，第一齒輪與第二齒輪相嚙合， 第二步進電機固定在第一絲桿一側的滑塊上，第三齒輪固定在第二步進電機的旋轉軸上， 第四齒輪固定在一側的滑塊上，第三齒輪和第四齒輪相嚙合，帶動土壤電導率檢測儀轉動， 四個腳輪安裝在端板底部，電腦與土壤電導率檢測儀相連。本實用新型具有的有益效果是利用電磁感應線性模型結合Tikhonov正則化方法來反演剖面電導率，不用挖掘
4土壤剖面，能快捷準確地預測土壤的剖面電導率。
圖1是本實用新型的測量裝置結構示意圖。圖2是圖1的剖面圖。圖3是土壤分層模型。圖4是樣點1的剖面電導率反演結果。圖5是樣點2的剖面電導率反演結果。圖中1、腳輪，2、第一軸承座，3、第一軸承，4、絲桿，5、滑塊，6、連接軸，7、固定塊， 8、旋鈕，9、土壤電導率檢測儀，10、蝸桿，11、蝸輪，12、第二軸承座，13、第二軸承，14、第一步 進電機，15、第一齒輪，16、第二齒輪，17、連接桿，18、端板，19、第一步進電機支架，20、第三 齒輪，21、第二步進電機，22、第三軸承，23、第四齒輪。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。如圖1、圖2所示，本實用新型由四根連接桿17和兩塊端板18組成檢測裝置的框 架，兩根絲桿4分別通過上下第一軸承3和上下第一軸承座2安裝在各自的端板18上，兩 個蝸輪11分別固定在各自絲桿4上方，兩個滑塊5分別安裝在兩個蝸輪下方的兩根絲桿4 上，兩塊固定塊7的一端分別通過連接軸6和各自的第三軸承22與滑塊5轉動連接，土壤 電導率檢測儀9安裝在兩塊固定塊7的另一端間，用調節旋鈕8固定，蝸桿10分別通過各 自第二軸承13和各自第二軸承座12安裝在兩塊端板18之間，第二齒輪16固定在第一絲 桿4 一側的蝸桿10上，蝸輪11與蝸桿10相嚙合，第一步進電機14通過第一步進電機支架 19固定在第一絲桿4 一側的端板18上，第一齒輪15固定在第一步進電機14的旋轉軸上， 第一齒輪15與第二齒輪16相嚙合，第二步進電機21固定在第一絲桿4 一側的滑塊5上， 第三齒輪20固定在第二步進電機21的旋轉軸上，第四齒輪23固定在一側的滑塊5上，第 三齒輪20和第四齒輪23相嚙合，帶動土壤電導率檢測儀9轉動，四個腳輪1安裝在端板底 部，電腦與土壤電導率檢測儀9相連。該方法的步驟如下1)裝置定位將裝置移動到待測土壤地表，并通過土壤電導率檢測儀上的GPS設 備自動記錄地理位置信息；2) 土壤電導率檢測儀歸零校正通過裝置上的第一步進電機把土壤電導率檢測 儀抬高到距離地面1. 5m高的位置，再通過第二步進電機，來控制土壤電導率檢測儀的水平 和垂直位置，進行歸零校正程序；3)自動升降并記錄數據通過升降土壤電導率檢測儀在0. 05 1. 5m(裝置腳輪 高度為5cm)之間采集N個高度的水平、垂直模式下的電導率，土壤電導率檢測儀的高度和 角度分別由施加在第一步進電機和第二步進電機上的脈沖信號決定，并通過觸發開關來控 制土壤電導率檢測儀的測試和數據記錄。最后將GPS數據、土壤電導率檢測儀離地表高度 值和不同高度電導率測量數據全部傳輸到電腦中。測量時，給第一步進電機14 一定的脈沖信號，第一步進電機14發生旋轉運動，并通過固定在其旋轉軸上的第一齒輪15將旋轉運動經第二齒輪16、蝸桿10、蝸輪11分別傳 遞到2根絲桿4上，絲桿4的旋轉運動使滑塊5發生縱向運動，并通過帶動連接軸6、第三軸 承22和固定塊7傳遞給土壤電導率檢測儀9，使土壤電導率檢測儀9的高度發生變化。給第二步進電機21—定的脈沖信號，第二步進電機21發生旋轉運動，并通過固定 在其旋轉軸上的第三齒輪20將旋轉運動經第四齒輪23、滑塊5給土壤電導率檢測儀9，使 土壤電導率檢測儀9的角度發生變化。土壤電導率檢測儀9的高度和角度分別由施加在第一步進電機14和第二步進電 機21上的脈沖信號決定。土壤電導率檢測儀在 5，10，20，30，40，50，60，75，90，100，120，150cm 等 12 個高度
采集水平、垂直模式下的電導率，即每個剖面共采集24個電導率數據「及GPS數據、電導率 檢測儀離地表高度值記錄在電腦中。數據處理的步驟如下1)將數據存儲器中的數據導入電腦中，獲得地表以上不同高度的N個水平、垂直 模式下的電導率值以及土壤電導率檢測儀離地表的高度值，存放在電腦中；將采集到的土壤N個高度位置(記為hi，i < N,hi ( 1. 50m)水平、垂直模式下的 電導率ECa，記為向量d:
權利要求一種土壤剖面電導率測量裝置，其特征在于由四根連接桿和兩塊端板組成檢測裝置的框架，兩根絲桿分別通過上下第一軸承和上下第一軸承座安裝在各自的端板上，兩個蝸輪分別固定在各自絲桿上方，兩個滑塊分別安裝在兩個蝸輪下方的兩根絲桿上，兩塊固定塊的一端分別通過連接軸和各自的第三軸承與滑塊轉動連接，土壤電導率檢測儀安裝在兩塊固定塊的另一端間，用調節旋鈕固定，蝸桿分別通過各自第二軸承和各自第二軸承座安裝在兩塊端板之間，第二齒輪固定在第一絲桿一側的蝸桿上，蝸輪與蝸桿相嚙合，第一步進電機通過第一步進電機支架固定在第一絲桿一側的端板上，第一齒輪固定在第一步進電機的旋轉軸上，第一齒輪與第二齒輪相嚙合，第二步進電機固定在第一絲桿一側的滑塊上，第三齒輪固定在第二步進電機的旋轉軸上，第四齒輪固定在一側的滑塊上，第三齒輪和第四齒輪相嚙合，帶動土壤電導率檢測儀轉動，四個腳輪安裝在端板底部，電腦與土壤電導率檢測儀相連。
專利摘要本實用新型公開了一種土壤剖面電導率測量裝置。將能水平和垂直移動的裝置移動到待測土壤地表，并通過該裝置上的GPS設備自動記錄地理位置信息；通過第一步進電機把該裝置抬高到距離地面1.5m，再通過第二步進電機，來控制該裝置的水平和垂直位置，進行歸零校正程序；在0.05～1.5m(裝置腳輪高度為5cm)之間采集N個高度的水平、垂直模式下的電導率，的高度和角度分別由施加在第一、第二步進電機上的脈沖信號決定，并通過觸發開關來控制該裝置的測試和數據記錄；最后將GPS數據、該裝置離地表高度值及相應高度電導率測量數據傳輸到數據存儲器。不用挖掘土壤剖面，利用電磁感應線性模型結合Tikhonov正則化方法準確地反演剖面電導率。
文檔編號G01R27/00GK201724984SQ201020227649
公開日2011年1月26日 申請日期2010年6月13日 優先權日2010年6月13日
發明者史舟, 李洪義, 郭燕, 饒秀勤 申請人:浙江大學