一種土壤參數自動監測與評價設備及方法
【專利摘要】本發明提供一種土壤參數自動監測與評價設備及方法，其中，設備包括：利用核磁共振原理對被測原始土壤產生核磁共振信號的測量裝置；與所述測量裝置電連接，根據所述核磁共振信號對所述被測原始土壤進行即時分析，獲取土壤參數的主控裝置。本發明的方案適用于研究土壤的含水量、孔隙率、田間持水量、凋萎系數以及土壤水勢與土壤墑情的關系等。
【專利說明】一種土壤參數自動監測與評價設備及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及水資源學、農學以及生態學實驗研究【技術領域】，尤其涉及一種土壤參數自動監測與評價設備及方法。
【背景技術】
[0002]在監測土壤不同時期的含水率、孔隙率、田間持水量和凋萎系數，以及評價土壤墑情等方面亟需開展相關的研究工作，這也是水資源學、農學、生態學等相關領域的研究熱點。
[0003]在目前的研究工作中，關于土壤參數的測定主要是以傳統的室內取樣測定方法為主，具體就是:取若干被測土體土樣，經過烘干、壓縮、注水，儀器稱量、觀測，再進行相應的計算最后得到土壤參數值。但是由于室內土壤與野外土壤所處的自然環境包括溫度、濕度和風速等因素差距比較大，且室內傳統測量速度較慢，取土樣過程中難免會破壞土壤結構，難以獲得精確數據。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題是提供一種土壤參數自動監測與評價設備及方法，測量速度較快且能獲得較為精確的土壤參數。
[0005]為解決上述技術問題，本發明的實施例提供一種土壤參數自動監測與評價設備，包括:
[0006]利用核磁共振原理對被測原始土壤產生核磁共振信號的測量裝置；
[0007]與所述測量裝置電連接，根據所述核磁共振信號對所述被測原始土壤進行即時分析，獲取土壤參數的主控裝置。
[0008]其中，所述測量裝置包括:
[0009]兩個盒體，分開設置且等大；
[0010]繞有線圈的磁鐵，分別裝設在所述兩個盒體內；
[0011]射頻發射器，裝設在其中一個盒體內；
[0012]射頻接收器，裝設在另一個盒體內。
[0013]其中，在所述每個盒體的頂端可拆卸地固定有平衡板；和/或
[0014]在盒體上設有調節所述射頻發射器與所述射頻接收器的位置的調節螺母。其中，所述主控裝置包括:
[0015]與所述射頻發射器電連接，調節所述射頻發射器發射電磁波頻率的大小的射頻開關;
[0016]與所述射頻接收器電連接，將所述射頻接收器輸出的電磁波信號進行轉換的轉換器；
[0017]與所述轉換器電連接，對轉換后的電磁波信號進行分析，并輸出所測原始土壤剖面的微觀結構圖的分析儀；[0018]與所述分析儀電連接，顯示所述分析儀的輸出信號的顯示器；
[0019]與所述顯示器電連接，對所述輸出信號進行處理，獲得土壤參數的單片機。
[0020]其中，所述測量裝置還包括:與所述射頻接收器電連接，對經過土壤的電磁波信號進行放大，并輸出放大信號至所述射頻接收器的放大器。
[0021]其中，所述主控裝置的電源為蓄電池或鋰電池。
[0022]其中，所述主控裝置還包括:與所述電源連接的變壓器系統。
[0023]其中，上述設備還包括:一箱體，所述主控裝置設置于所述箱體內。
[0024]其中，所述箱體上還設有提手。
[0025]其中，所述箱體上還設置有USB數據芯片接口。
[0026]本發明的實施例還提供一種土壤參數自動監測與評價方法，包括:
[0027]獲取利用核磁共振原理對被測原始土壤進行測量產生的核磁共振信號；
[0028]根據所述核磁共振信號對所述野外的被測原始土壤進行即時分析，獲取所需的土壤參數。
[0029]其中，利用核磁共振原理對被測原始土壤進行測量的步驟包括:
[0030]在經過所述被測土壤的磁場中，通過射頻發射器發出電磁波信號；
[0031 ]對經過所述被測土壤的電磁波信號進行放大，產生放大后的電磁波信號，并輸出。
[0032]其中，根據所述核磁共振信號對所述野外的被測原始土壤進行即時分析，獲取所需的土壤參數的步驟包括:
[0033]將接收到的電磁波進行信號轉換；
[0034]對經所述轉換后的信號進行分析；
[0035]對經分析后的信號，利用核磁共振原理顯示所測原始土壤剖面的微觀結構圖；
[0036]對所述原始土壤剖面的微觀結構圖進行灰度處理并計算各灰度值百分比，獲得各灰度值代表的土壤參數。
[0037]本發明的上述技術方案的有益效果如下:
[0038]上述方案中，能夠對野外的原始土壤進行直接測量與即時分析，不會對土壤的原始結構進行破壞，不僅測量速度較快，而且能獲得較為精確的土壤參數。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0039]圖1為本發明的【具體實施方式】土壤參數自動監測與評價設備結構的方框示意圖；
[0040]圖2為本發明【具體實施方式】土壤參數自動監測與評價設備立體結構示意圖；
[0041]圖3為本發明【具體實施方式】土壤參數自動監測與評價方法的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0042]為使本發明要解決的技術問題、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖及具體實施例進行詳細描述。
[0043]如圖1所示，本發明【具體實施方式】一種土壤參數自動監測與評價設備1，包括:利用核磁共振原理對被測原始土壤產生核磁共振信號的測量裝置2 ;與所述測量裝置電連接，根據所述核磁共振信號對所述被測原始土壤進行即時分析，獲取土壤參數的主控裝置3。[0044]所述的土壤參數測量設備，能夠對野外的原始土壤進行直接測量與即時分析，不會對土壤的原始結構進行破壞，不僅測量速度較快，而且能獲得較為精確的土壤參數。
[0045]參看圖2所示，在前述【具體實施方式】中，優選地，所述測量裝置2包括:兩個盒體21a、21b，分開設置且等大；繞有線圈的磁鐵22a、22b，分別裝設在所述兩個盒體21a、21b內；射頻發射器23a，裝設在其中一個盒體21a內；射頻接收器23b，裝設在另一個盒體21b內。
[0046]盒體21a、21b可采用招合金制成。優選采用非金屬材質,如采用塑料制成,能夠避免影響核磁共振信號的讀取與接收。在盒體21a、21b上設有調節螺母(未圖示)，可調節射頻發射器23a與射頻接收器23b的位置，達到不同深度土壤的測定。
[0047]繞有線圈的磁鐵22a、22b、射頻發射器23a和射頻接收器23b分別由兩個分開且等大的盒體盛裝，一方面起到保護的作用，另一方面可以保證發射與接收的高度位于同一水平線上。在一個實施例中，N極磁鐵22a與射頻發射器23a共同裝設在其中一個盒體21a內，S極磁鐵22b與射頻接收器23b共同裝設在另一個盒體21b內。
[0048]該測量裝置利用核磁共振原理，可以對任意不含金屬片的土壤4進行掃描測量，從而便于迅速獲取土壤剖面的微觀結構圖像。
[0049]參看圖2所示，在前述【具體實施方式】中，優選地，在所述盒體21a、21b的頂端可拆卸地固定有平衡板24a、24b。平衡板24a、24b與盒體2la、2Ib之間可用固定釘連接，平衡板24a,24b緊貼地面放置，這樣便于控制兩盒體21a、21b水平放置，保證射頻發射器23a與射頻接收器23b相對應。平衡板與盒體易組裝，可拆卸，方便攜帶。
[0050]所述測量裝置2還包括:與所述射頻接收器23b連接，對經過土壤的電磁波信號進行放大，并輸出放大信號至所述射頻接收器23b的放大器(圖中未示出)，其中，該放大器可以是射頻接收器23b的內置放大器，也可以是獨立放大器。
[0051]在前述【具體實施方式】中，進一步地，所述主控裝置3包括:射頻開關31，與所述射頻發射器23a電連接，用于調節射頻發射器23a發射電磁波頻率的大小；轉換器32，與所述射頻接收器23b電連接，用于將接收到的電磁波進行信號轉換；分析儀33，用于對經所述轉換器32轉換后的電磁波信號進行分析，輸出所測原始土壤剖面的微觀結構圖；顯示器34，與所述分析儀33電連接，用于對經所述分析儀33分析后的信號，利用核磁共振原理顯示所測原始土壤剖面的微觀結構圖；單片機35，與所述顯示器34電連接，用于利用已經設定好的程序對所述被測原始土壤剖面的微觀結構圖進行灰度處理并計算各灰度值百分比，即可獲得各灰度值代表的土壤參數，如土壤孔隙率及實際含水率的百分比，并進行旱情的評價，同時將結果顯示在顯示器34上。
[0052]其中，射頻(RF)開關31可以人為調節發射的電磁波強度，以保證電磁波強度適中。RF開關31可隨時按需要調控電磁波頻率。顯示器34可以直觀地呈現圖像、數據、以及評價結果，從而對區域土壤參數做出更深入的評價。另外顯示器34的顯示屏與操作按鍵板36位于同一平面，可直接操作控制。通過單片機35，對獲得的土壤微觀結構圖像進行灰度設置，并計算不同灰度值所對應的面積百分比，即得出不同灰度值所代表的土壤孔隙率及實際含水率的百分比。再利用田間持水量，凋萎系數與孔隙率的關系，可獲取以上兩種土壤水分常數。
[0053]在前述【具體實施方式】中，進一步地，所述單片機35同時具有存儲功能，可以將原始土壤結構圖像及計算結果進行存儲與輸出，從而達到人為對數據資料的自由管理。
[0054]參看圖2所示，在前述【具體實施方式】中，所述設備還包括一箱體，所述主控裝置3設置于所述箱體內，優選地，所述主控裝置3還包括:設置于所述箱體上的USB數據芯片接口 37，與所述單片機35連接，用于將區域土壤的正常數據輸入單片機35 ;單片機35將通過測量所得的所述土壤參數，與所述區域土壤4的正常數據中的相應數據進行對比，進而判斷該區域土壤4墑情是否正常。
[0055]存儲有區域土壤正常數據的USB數據芯片(圖中未示出)通過USB數據芯片接口37，將區域土壤的正常數據提供給單片機35。USB-數據庫芯片可以通過USB數據芯片接口37與測量設備連接，同時USB-數據芯片亦可以直接與電腦連接，進行數據的實時更新與儲存，方便攜帶與數據處理。USB數據芯片本身還可以存儲和轉移數據，實現資料的動態傳輸。
[0056]在一測量土壤墑情的實施例中，通過所述USB數據芯片接口 37，可以插入存儲不同土壤類型干旱參數的USB數據芯片，實時完成不同土壤的數據分析，對當前土壤墑情進行初步判定。在該實施例中，對當前土壤墑情進行初步判定的過程包括:通過對土壤發射與接收電磁波信號，利用核磁共振分析原理，實現土壤剖面的微觀結構成像，再經單片機分析與計算求得土壤剖面的孔隙率和實際含水率。已知田間持水量、凋萎系數與孔隙率存在一定的關系，利用單片機已設定好的程序間接測得田間持水量以及凋萎系數。對照USB數據芯片中的區域正常土壤墑情數據來判別該區域土壤是否受旱，若受旱，則評價旱情級別，最終的結果可顯示在顯示器上。該裝置操作便捷，適合野外快速測定土壤墑情，可實現無擾動自動觀測。測量精度高，可用于區域土壤的干旱響應機制。
[0057]根據本發明的上述實施例，通過USB數據芯片該測定裝置在實現不同區域土壤墑情測定的同時，還可以通過對比正常年份土壤墑情數據實現旱情分析與評定。土壤旱情輕重直接關乎農業發展與生態系統平衡，因此土壤旱情評價與預警預報具有重要的實踐意義，為農業抗旱研究和面向生態的干旱實時監測提供直接數據支持與技術支撐。
[0058]上述實施例中，對被測土壤墑情進行測量和評價的基本原理為:由于土壤中含有水，具有磁距的原子核在高強度磁場作用下，可吸收適宜頻率的電磁輻射，而不同分子中原子核的化學環境不同，將會有不同的共振頻率，產生不同的共振譜。經過轉換器將信號轉換為另一種形式，進入分析儀中并記錄這種波譜即可判斷該原子在分子中所處的位置及相對數目，通過成像原理顯示器中顯示圖像，之后進行評價分析。可根據單片機中已設定的影像分析程序計算得到土壤含水率，孔隙度等，進而根據田間持水量是孔隙率的1/2倍，凋萎系數是孔隙率的1/4倍，計算田間持水量和凋萎系數，以辨識植物的受旱程度。
[0059]在前述【具體實施方式】中，所述主控裝置3的電源38為蓄電池或鋰電池。優選采用大容量鉛蓄電池，待機時間長，可以實現野外長期作業，保證設備正常運行。整個裝置同時配備另一組電源，利用外接插口連接，以保障在野外的連續工作。優選地，所述主控裝置3還包括與所述電源38連接的變壓器系統(圖中未示出)，用于電源通過變壓器系統后，電流分為高壓與低壓電路，分別連接磁體，接收器，顯示系統，分析系統以及數據處理器等，提供不同用電部件所需的電源。
[0060]在前述【具體實施方式】中，優選地，主控裝置3側壁裝有排熱扇39，通氣孔(圖中未示出)，促進主控裝置3內空氣流通，可以對主控裝置3降溫，從而保證主控裝置3內部各部件正常工作，而不會受到溫度干擾。為便于攜帶，主控裝置3的箱體上設有提手30，方便攜帶。
[0061]本發明【具體實施方式】土壤參數自動監測與評價設備的應用實施例如下:
[0062](I)在野外，首先將含有磁體系統與射頻發生器和射頻接收器的保護殼，即盒體21a、21b，插入土壤4中，利用金屬制成的平衡板24a、24b固定測量裝置2于地面上。
[0063](2)啟動測量裝置2，打開射頻發生器23a與射頻接收器23b，觀察顯示器34。
[0064](3)顯示器34顯示數據與圖像，選擇數字鍵與功能鍵，進行數據處理，數據處理過程在預設的單片機35和USB數據芯片中進行，調用數據文件進行旱情的評價。最后得出的結果顯示在顯示器34上。
[0065](4)測量結束后，按下測量設備I的置零鍵，會使測量設備I恢復原始觀測狀態。
[0066]本發明土壤參數自動監測與評價設備體積小，功能多，方便攜帶和安裝，適合野外快速測定土壤的相關參數并評價土壤墑情。
[0067]參看圖3所示，本發明【具體實施方式】還提供一種土壤參數自動監測與評價方法，包括步驟:
[0068]S11、獲取利用核磁共振原理對被測原始土壤進行測量產生的核磁共振信號；
[0069]S12、根據所述核磁共振信號對所述野外的被測原始土壤進行即時分析，獲取所需的土壤參數。
[0070]上述土壤參數自動監測與評價方法方案中，能夠對野外的原始土壤進行直接測量與即時分析，不會對土壤的原始結構進行破壞，不僅測量速度較快，而且能獲得較為精確的土壤參數。
[0071]在前述測量方法的【具體實施方式】中，優選地，在所述步驟Sll中，
[0072]在經過所述被測土壤的磁場中，通過射頻發射器發出電磁波信號；
[0073]對經過所述被測土壤的電磁波信號進行放大，產生放大后的電磁波信號，并輸出；
[0074]具體實現過程包括:將含有磁體系統與射頻發生器和射頻接收器的兩個盒體，插入被測原始土壤中，其中每個盒體頂部用固定釘連接有平衡板，并使所述平衡板緊貼地面放置，這樣便于控制兩測量盒體水平放置，保證射頻發射器與射頻接收器相對應；繞有線圈的N、S極兩個平行磁鐵置于待測土壤兩側，向被測土壤施加一個外加磁場。射頻發射器發射一定頻率的電磁波，穿過土壤后經放大器放大信號后被射頻接收器接收，產生核磁共振現象，信號沿導線輸出。
[0075]在前述測量方法的【具體實施方式】中，進一步地，步驟S12包括:
[0076]將接收到的電磁波進行信號轉換；
[0077]對經所述轉換后的信號進行分析；
[0078]對經分析后的信號，利用核磁共振原理顯示所測原始土壤剖面的微觀結構圖；
[0079]對所述原始土壤剖面的微觀結構圖進行灰度處理并計算各灰度值百分比，獲得各灰度值代表的土壤參數。
[0080]具體的，用射頻開關調節發射電磁波頻率的大小；將接收到的電磁波進行信號轉換；對經所述轉換后的信號進行分析；對經分析后的信號，利用核磁共振原理顯示所測原始土壤剖面的微觀結構圖；利用已經設定好的程序，對所述原始土壤剖面的微觀結構圖進行灰度處理并計算各灰度值百分比，獲得各灰度值代表的土壤參數，如土壤孔隙率及實際含水率的百分比。再利用田間持水量，凋萎系數與孔隙率的關系，可獲取以上兩種土壤水分常數。
[0081]在前述測量方法的【具體實施方式】中，進一步地，還包括將原始土壤剖面的微觀結構圖及計算結果進行存儲與輸出的步驟，從而達到人為對數據資料的自由管理。
[0082]在前述測量方法的【具體實施方式】中，優選地,所述的土壤參數測量方法,還包括:USB數據芯片通過USB數據芯片接口，將區域土壤的正常數據提供給單片機；單片機將通過測量所得的所述土壤參數，與所述區域土壤的正常數據中的相應數據進行對比，進而判斷該區域土壤是否正常。
[0083]單片機具有數據處理與存儲功能，在事先設定好的程序下還可以完成圖像的處理與分析。單片機將原始土壤圖像進行處理后計算出土壤的參數，如水分參數，同時，可以對比USB數據芯片中的標準數據對當前土壤進行評價，如是否干旱等。
[0084]根據本發明測量方法的一實施例，通過USB數據芯片在實現不同區域土壤墑情測定的同時，還可以通過對比正常年份土壤墑情數據實現旱情分析與評定。
[0085]在前述測量設備及測量方法的【具體實施方式】中，所述土壤參數為土壤的含水量、孔隙率、田間持水量、凋萎系數、土水勢或土壤機械組成中的一種或多種。
[0086]本發明【具體實施方式】土壤參數自動監測與評價設備具有實時快速，易攜帶和野外應用的特點。在水資源學和農學領域，該設備可用于研究土壤的含水量，孔隙率，田間持水量，凋萎系數以及土壤水勢與土壤墑情的關系，進而宏觀上研究農業需水，耗水和水資源利用的問題，從農業的抗旱與節水給出理論與技術支持；在生態環境領域中，該設備可用于土壤地理學方面的基礎研究，為生態環境保護方面的應用性研究提供直接數據與技術支撐。
[0087]以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種土壤參數自動監測與評價設備，其特征在于，包括: 利用核磁共振原理對被測原始土壤產生核磁共振信號的測量裝置； 與所述測量裝置電連接，根據所述核磁共振信號對所述被測原始土壤進行即時分析，獲取土壤參數的主控裝置。
2.根據權利要求1所述的土壤參數自動監測與評價設備，其特征在于，所述測量裝置包括: 兩個盒體，分開設置且等大； 繞有線圈的磁鐵，分別裝設在所述兩個盒體內； 射頻發射器，裝設在其中一個盒體內； 射頻接收器，裝設在另一個盒體內。
3.根據權利要求2所述的土壤參數自動監測與評價設備，其特征在于，在所述每個盒體的頂端可拆卸地固定有平衡板；和/或 在盒體上設有調節所述射頻發射器與所述射頻接收器的位置的調節螺母。
4.根據權利要求2所述的土壤參數自動監測與評價設備，其特征在于，所述主控裝置包括: 與所述射頻發射器電連接，調節所述射頻發射器發射電磁波頻率的大小的射頻開關；與所述射頻接收器電連接，將所述射頻接收器輸出的電磁波信號進行轉換的轉換器；與所述轉換器電連接，對轉換后的電磁波信號進行分析，并輸出所測原始土壤剖面的微觀結構圖的分析儀； 與所述分析儀電連接，顯示所述分析儀的輸出信號的顯示器； 與所述顯示器電連接，對所述輸出信號進行處理，獲得土壤參數的單片機。
5.根據權利要求2所述的土壤參數自動監測與評價設備，其特征在于，所述測量裝置還包括:與所述射頻接收器電連接，對經過土壤的電磁波信號進行放大，并輸出放大信號至所述射頻接收器的放大器。
6.根據權利要求1所述的土壤參數自動監測與評價設備，其特征在于，所述主控裝置的電源為蓄電池或鋰電池。
7.根據權利要求6所述的土壤參數自動監測與評價設備，其特征在于，所述主控裝置還包括:與所述電源連接的變壓器系統。
8.根據權利要求1所述的土壤參數自動監測與評價設備，其特征在于，還包括:一箱體，所述主控裝置設置于所述箱體內。
9.根據權利要求8所述的土壤參數自動監測與評價設備，其特征在于，所述箱體上還設有提手。
10.根據權利要求8所述的土壤參數自動監測與評價設備，其特征在于，所述箱體上還設置有USB數據芯片接口。
11.一種土壤參數自動監測與評價方法,其特征在于,包括: 獲取利用核磁共振原理對被測原始土壤進行測量產生的核磁共振信號； 根據所述核磁共振信號對所述野外的被測原始土壤進行即時分析，獲取所需的土壤參數。
12.根據權利要求11所述的土壤參數自動監測與評價方法，其特征在于，利用核磁共振原理對被測原始土壤進行測量的步驟包括: 在經過所述被測土壤的磁場中，通過射頻發射器發出電磁波信號； 對經過所述被測土壤的電磁波信號進行放大，產生放大后的電磁波信號，并輸出。
13.根據權利要求11所述的土壤參數自動監測與評價方法，其特征在于，根據所述核磁共振信號對所述野外的被測原始土壤進行即時分析，獲取所需的土壤參數的步驟包括:將接收到的電磁波進行信號轉換； 對經所述轉換后的信號進行分析； 對經分析后的信號，利用核磁共振原理顯示所測原始土壤剖面的微觀結構圖； 對所述原始土壤剖面的微觀結構圖進行 灰度處理并計算各灰度值百分比，獲得各灰度值代表的土壤參數。
【文檔編號】G01N24/08GK103674995SQ201210361723
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月25日 優先權日:2012年9月25日
【發明者】嚴登華, 翁白莎, 韓冬梅, 趙靜, 吳迪, 陳娟, 劉少華 申請人:中國水利水電科學研究院