專利名稱：一種同步實(shí)時(shí)測(cè)量三參數(shù)的復(fù)合傳感器及其測(cè)量設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量土壤參數(shù)的傳感器及其支持設(shè)備，尤其涉及一種同步實(shí)時(shí)測(cè)量土壤剖面含水率、電導(dǎo)率與壓實(shí)度的復(fù)合傳感器及其測(cè)量設(shè)備。
背景技術(shù)：
在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，土壤不僅對(duì)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(shí)度是影響農(nóng)作物生長的兩個(gè)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(shí)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(shí)也直接影響著土壤水分的運(yùn)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(píng)價(jià)土壤壓實(shí)度的測(cè)量參數(shù)。
自從TOPP等(1980)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(shí)度盡管可以通過測(cè)量圓錐指數(shù)來刻畫，但是多變量間耦合問題使得這種測(cè)量手段在實(shí)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(shí)度測(cè)量精度的諸多因素中，人們逐漸意識(shí)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(cè)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(cè)量，反過來Newman與Hummel(1999，Presentation for 1999 ASAE/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(shí)度測(cè)量精度的可能性。此外，德國著名的TDR土壤水分測(cè)量儀生產(chǎn)廠家Micromodultechnik(Available atwww.mesasystemsco.com/pdf_files/TRIME_Theory.pdf，verified2001 March 27)也對(duì)其生產(chǎn)的TRIME系列產(chǎn)品給出了一個(gè)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(shí)到土壤壓實(shí)度與土壤含水率的重要性及其相關(guān)性，但對(duì)這兩個(gè)物理里的測(cè)量始終是獨(dú)立進(jìn)行，使得測(cè)量過程繁瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。尤其是由于兩個(gè)參數(shù)測(cè)量得分別完成，前一個(gè)物理量測(cè)量對(duì)土壤產(chǎn)生的擾動(dòng)嚴(yán)重影響到后一個(gè)物理量測(cè)量的準(zhǔn)確度。
土壤電導(dǎo)率是另一個(gè)重要的土壤物理參數(shù)，它是土壤鹽分，水分，有機(jī)質(zhì)含量，土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)等的綜合反映，對(duì)于農(nóng)田作業(yè)，環(huán)境污染等研究與應(yīng)用有著相當(dāng)重要的作用。土壤電導(dǎo)率的測(cè)量目前采用的方法主要是介電損耗的方法，與測(cè)量土壤含水率的介電測(cè)量方法同屬于電磁測(cè)量方法。正如前面所述，土壤電導(dǎo)率是多種土壤性能的綜合反應(yīng)，因此它與測(cè)量土壤其它參數(shù)I如水分)等有著密切的聯(lián)系。故此，同步實(shí)時(shí)獲取土壤電導(dǎo)率信息將為土壤其它參數(shù)的測(cè)量提供更加精確的校正。
特別還應(yīng)指出的是，目前測(cè)量土壤含水率常用的TDR方法(時(shí)域反射技術(shù)，Time DomainReflectrometry)所需測(cè)量時(shí)間較長，每兩次測(cè)量間需要有一個(gè)數(shù)十秒的時(shí)間間隔，不能做到真正的連續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)量，而且對(duì)傳輸導(dǎo)線長度有一定要求，與壓力傳感器融合時(shí)也存在不少問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服已有的土壤參數(shù)傳感器對(duì)土壤參數(shù)分離測(cè)量，忽略各參數(shù)間相關(guān)性與相互影響的缺陷；從而提供一種通過同步實(shí)時(shí)測(cè)量圓錐的高頻阻抗、高頻損耗和圓錐受力指數(shù)，進(jìn)而根據(jù)相關(guān)的多變量數(shù)學(xué)模型確定土壤含水率、土壤電導(dǎo)率與土壤壓實(shí)度的復(fù)合傳感器及其測(cè)量設(shè)備。
本發(fā)明提供的土壤三參數(shù)復(fù)合傳感器，外型結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括圓錐頭8，土壤含水率傳感器2，空心圓桿3及通過空心圓桿3內(nèi)的信號(hào)導(dǎo)線10；其特征在于還包括土壤電導(dǎo)率傳感器5，壓力傳感器4，隔離各傳感器的絕緣體9；其中圓錐頭8設(shè)置在空心圓桿3的一端口，絕緣體9、土壤含水率傳感器2、絕緣體9、土壤電導(dǎo)率傳感器5、絕緣體9、土壤電導(dǎo)率傳感器5、絕緣體9、土壤電導(dǎo)率傳感器5、絕緣體9、土壤電導(dǎo)率傳感器5和絕緣體9順序圍在空心圓桿3外，壓力傳感器4安裝在空心圓桿3的另一端口；信號(hào)導(dǎo)線10與金屬環(huán)采用的是無焊鏈接，信號(hào)導(dǎo)線10再與壓力傳感器4電連接穿出空心圓桿3。
所述的土壤水份傳感器2是由圓錐頭8及靠近圓錐頭8最近的一個(gè)金屬環(huán)組成，圓錐頭8即可以在插入土壤時(shí)測(cè)量圓錐指數(shù)，同時(shí)也作為水分傳感器的一個(gè)組成部分。
所述的絕緣體9選自PVC絕緣材料。
本發(fā)明提供的同步實(shí)時(shí)測(cè)量土壤三參數(shù)傳感器的測(cè)量設(shè)備，外形結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括一根主立柱15設(shè)置在底座20上，一深度傳感器12安裝在主立柱15一側(cè)；其特征在于，還包括一主安裝臺(tái)13，主立柱15頂端通過安裝主安裝臺(tái)13與傳感器安裝臺(tái)6固定為一整體；該主安裝臺(tái)13一側(cè)安裝一步進(jìn)電機(jī)11，所述的主立柱15的一側(cè)面自上而下設(shè)置一齒輪狀導(dǎo)軌16，至少8個(gè)滑輪14安裝在傳感器安裝臺(tái)6上，從四個(gè)方向抱住主立柱15，并使傳感器安裝臺(tái)6沿主立柱15上下移動(dòng)；主安裝臺(tái)13通過滑輪14與主立柱15連接，滑輪14與步進(jìn)電機(jī)5電連接，并由步進(jìn)電機(jī)11驅(qū)動(dòng)滑輪14沿著主立柱15的齒輪狀導(dǎo)軌16上下行進(jìn)；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(tái)6上安裝土壤三參數(shù)傳感器和深度傳感器12；土壤三參數(shù)感器的空心圓桿3通過球形鏈接鍵7安裝在傳感器安裝臺(tái)6下面；主安裝臺(tái)13頂部固定一蓄電池盒25和控制器26，蓄電池為步進(jìn)電機(jī)11、控制器26、深度傳感器12及土壤三參數(shù)傳感器供電；土壤三參數(shù)傳感器通過信號(hào)線10與控制器26電連接，測(cè)量信號(hào)由空心圓桿3內(nèi)部的信號(hào)線10輸出到控制器26；所述的控制器26控制步進(jìn)電機(jī)11的運(yùn)轉(zhuǎn)從而控制主安裝臺(tái)6的運(yùn)行，控制器26的主面板上有三個(gè)控制按鈕，分別用于控制主安裝臺(tái)13向上，向下或停止運(yùn)動(dòng)。
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，用以克服測(cè)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26包括信號(hào)調(diào)節(jié)單元、A/D轉(zhuǎn)換器、CPU單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(hào)后，開始發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，并根據(jù)情況開始采集傳感器的信號(hào)輸入，并通過信號(hào)調(diào)節(jié)單元做整流濾波相應(yīng)信號(hào)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(chǔ)到存儲(chǔ)器中；當(dāng)阻力大于500N時(shí)，CPU也會(huì)向電機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)回轉(zhuǎn)。
還包括一PC機(jī)，該P(yáng)C機(jī)與CPU單元電連接，CPU單元?jiǎng)t會(huì)同時(shí)把數(shù)據(jù)傳給PC機(jī)；數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)器與多路傳感器電連接，采集多路傳感器信號(hào)并通過通訊接口24傳輸?shù)絇C。
所述的上行程控制塊或下行程控制塊為一金屬塊。
所述的信號(hào)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(cè)土壤剖面深度選擇。
利用本發(fā)明的設(shè)備進(jìn)行測(cè)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(hào)后向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步時(shí)電機(jī)向下行進(jìn)；測(cè)量開始時(shí)，土壤三參數(shù)傳感器與傳感器安裝臺(tái)6及主安裝臺(tái)13一起向下運(yùn)行，同時(shí)控制器開始接收傳感器信號(hào)，并做處理、存儲(chǔ)，如果同時(shí)接有PC機(jī)且PC機(jī)與控制器的通訊是聯(lián)通的，則控制器同時(shí)向PC機(jī)傳送測(cè)量數(shù)據(jù)。當(dāng)傳感器安裝臺(tái)碰到下行程塊時(shí)，CPU會(huì)收到一個(gè)下行程塊信號(hào)，接到這個(gè)信號(hào)后就向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出向上運(yùn)行的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)向上行進(jìn)，同時(shí)結(jié)束傳感器信號(hào)的采集并停止向PC機(jī)傳送數(shù)據(jù)。當(dāng)傳感器向上行進(jìn)碰到上行程塊時(shí)，CPU會(huì)收到一個(gè)上行程塊信號(hào)并給步進(jìn)電機(jī)發(fā)出停止的控制信號(hào)，停止步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，一個(gè)測(cè)量操作過程結(jié)束。使用者可以根據(jù)實(shí)際測(cè)量深度的要求調(diào)整上下行程塊17、18的位置，從而改變土壤三參數(shù)傳感器的移動(dòng)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。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明提供的同步實(shí)時(shí)測(cè)量土壤三參數(shù)傳感器及其支持設(shè)備具有(1)在一個(gè)傳感器內(nèi)融合三種不同物理量的測(cè)量，并通過對(duì)這三個(gè)相關(guān)物理量的數(shù)學(xué)建模同時(shí)提高三者的測(cè)量精度；可在0-50cm的深度范圍內(nèi)連續(xù)同步實(shí)時(shí)測(cè)量土壤圓錐指數(shù)與含水率、電導(dǎo)率三個(gè)重要土壤物理參數(shù)，繪出土壤圓錐指數(shù)與含水率、電導(dǎo)率的縱向分布剖面；實(shí)現(xiàn)了土壤圓錐指數(shù)與含水率、電導(dǎo)率的同步實(shí)時(shí)測(cè)量。
(2)所測(cè)量的土壤圓錐指數(shù)與含水率、電導(dǎo)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(shí)現(xiàn)。
(3)傳感器插入土壤的速度是恒定的，從而保證了對(duì)土壤圓錐指數(shù)解譯的一致性。
(4)提供了操作時(shí)可以讓操作者站立的腳踏板，有效的克服了測(cè)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(cè)量，又便于田間移動(dòng)。
(6)通過機(jī)械上的設(shè)計(jì)，例如傳感器與立柱的連接部位是采用的活動(dòng)連接的，這樣傳感器以恒定的速度插入土壤中，保證對(duì)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(cè)量過程中出現(xiàn)的土壤壓實(shí)過大，而導(dǎo)致壓力傳感器超負(fù)荷。
(7)本發(fā)明中還具有兩種自我保護(hù)功能首先，當(dāng)來自土壤的阻力過大時(shí)，阻力大于500N(500牛頓)的時(shí)候，控制器將不再向下行進(jìn)，而是返回，以防止電機(jī)過載燒毀；其二，傳感器與設(shè)備的連接部位是活動(dòng)的，對(duì)傳感器插入土壤過程中所碰到的異物，可以自動(dòng)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(chǔ)器部分，并可以與PC機(jī)聯(lián)接。


圖1本發(fā)明的土壤三參數(shù)傳感器示意2本發(fā)明的同步實(shí)時(shí)測(cè)量土壤三參數(shù)的測(cè)量設(shè)備立體結(jié)構(gòu)3本發(fā)明的設(shè)備中主安裝臺(tái)與主立柱結(jié)合部剖面4本發(fā)明的控制器的組成框面說明如下圓錐體-1； 土壤含水率傳感器-2；空心圓桿-3；壓力傳感器-4； 土壤電導(dǎo)率傳感器-5；安裝臺(tái)-6；球形鏈接鍵-7； 圓錐體-8； 絕緣體-9；信號(hào)線-10；步進(jìn)電機(jī)-11； 深度傳感器-12；主安裝臺(tái)-13； 滑輪-14； 主立柱-15；齒輪狀導(dǎo)軌-16；上行程控制塊-17； 下行程控制塊-18；螺絲-19； 底座-20； 腳踏板-21；行走輪-22；手柄-23； 通訊接口-24；電池盒-25；控制器-26；具體實(shí)施方式
實(shí)施例1，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明。
參考圖1，制作一本實(shí)施例的土壤三參數(shù)傳感器包括一用于支持各個(gè)傳感器的空心圓桿3，其末端有一圓錐體8，該圓錐體為美國農(nóng)業(yè)工程師協(xié)會(huì)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)尺寸的金屬圓錐，在空心圓桿3內(nèi)依次嵌入PVC材料制作的圓環(huán)狀的絕緣體9、土壤含水率傳感器2、PVC圓環(huán)絕緣體9、土壤電導(dǎo)率傳感器5、PVC圓環(huán)絕緣體9、土壤電導(dǎo)率傳感器5、PVC圓環(huán)絕緣體9、土壤電導(dǎo)率傳感器5、PVC圓環(huán)絕緣體9、土壤電導(dǎo)率傳感器5和PVC圓環(huán)絕緣體9順序圍在空心圓桿3外，壓力傳感器4安裝在空心圓桿3的另一端口；信號(hào)導(dǎo)線10與金屬環(huán)采用的是無焊鏈接，信號(hào)導(dǎo)線10再與壓力傳感器4電連接穿出空心圓桿3，測(cè)量信號(hào)由信號(hào)線10輸出到設(shè)備控制器26。
本實(shí)施例的土壤含水率傳感器2是由圓錐體8及靠近圓錐體8最近的一個(gè)鎳鉻合金金屬環(huán)組成的，環(huán)的大小只要圍著空心圓桿3即可。圓錐體即可以在插入土壤時(shí)測(cè)量圓錐指數(shù)，同時(shí)也作為水分傳感器的一個(gè)組成部分。從電路角度來說，就是一段電容(對(duì)于水分傳感器)或是導(dǎo)線(對(duì)于電導(dǎo)率傳感器)。
本實(shí)施例的土壤電導(dǎo)率傳感器5由4個(gè)鎳鉻合金金屬圓環(huán)組成。
本實(shí)施例的壓力傳感器4是一市場上購買的壓力傳感器是德國產(chǎn)(HDM公司)的C9B應(yīng)變片。
圓錐指數(shù)測(cè)量原理為，在步進(jìn)電機(jī)5的驅(qū)動(dòng)下，圓錐體1插入土壤，土壤阻力通過空心圓桿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(jī)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(jìn)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(cè)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及土壤電導(dǎo)率傳感器5隔開，測(cè)量信號(hào)由空心圓桿3內(nèi)部的信號(hào)線10輸出到設(shè)備控制器26。土壤電導(dǎo)率傳感器5內(nèi)嵌于圓錐體1上，作用機(jī)理為電磁場的高頻介電損耗，根據(jù)損耗角的大小，即可得出被測(cè)量土壤的電導(dǎo)率。土壤電導(dǎo)率傳感器6由PVC絕緣體9與土壤含水率傳感器2及空心圓桿3隔開，測(cè)量信號(hào)由空心圓桿3內(nèi)部的信號(hào)線10輸出到設(shè)備控制器26。一市場上購買的壓力傳感器4安裝于土壤三參數(shù)傳感器上部，其信號(hào)由信號(hào)線10輸出到設(shè)備控制器26。
參考圖2，制作一本實(shí)施例的同步實(shí)時(shí)測(cè)量土壤三參數(shù)傳感器測(cè)量設(shè)備，土壤三參數(shù)傳感器的空心圓桿3通過球形鏈接鍵7與傳感器安裝臺(tái)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(tái)6向下行進(jìn)過程中，圓錐體1碰到異物(如石塊等)時(shí)，空心圓桿3有一定的偏移能力，從而躲開異物，避免異物對(duì)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)置一齒輪狀導(dǎo)軌16；主立柱15的頂面通過主安裝臺(tái)13通過螺母與傳感器安裝臺(tái)6相連，成為一個(gè)整體。主安裝臺(tái)13頂部固定一電源盒25和控制器26，電源盒25可以是外接電源，也可以是蓄電池盒，蓄電池為步進(jìn)電機(jī)11、控制器26、深度傳感器12及土壤三參數(shù)傳感器供電；一深度傳感器12和步進(jìn)電機(jī)11均固定于主安裝臺(tái)13上，主安裝臺(tái)13通過十二個(gè)滑輪14與主立柱15連接，十二個(gè)滑輪14分別安裝在傳感器安裝臺(tái)6上，安裝的位置是傳感器安裝臺(tái)的內(nèi)側(cè)面與主立柱包合的部位，詳見圖3，從四個(gè)方向抱住主立柱15，并能使傳感器安裝臺(tái)6沿主立柱15方向上下移動(dòng)；滑輪14與步進(jìn)電機(jī)11電聯(lián)接，并由步進(jìn)電機(jī)11驅(qū)動(dòng)沿著主立柱15正面的齒輪狀導(dǎo)軌16上下行進(jìn)。深度傳感器12采用電位器原理，當(dāng)主安裝臺(tái)13上下移動(dòng)時(shí)引起電位器電阻值的改變，從而改變傳感器輸出電壓。一帶通訊接口24的控制器26與步進(jìn)電機(jī)11電連接，步進(jìn)電機(jī)11在控制器26的控制下，驅(qū)動(dòng)主安裝臺(tái)13恒速運(yùn)行，從而保證了對(duì)土壤圓錐指數(shù)測(cè)量的一致性。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，上行程控制塊17與下行程控制塊18為一金屬塊，例如銅塊，當(dāng)主安裝臺(tái)碰到這個(gè)行程塊的時(shí)候就會(huì)反方向行進(jìn)或是停止。完整的測(cè)量過程如下測(cè)量開始時(shí)，復(fù)合傳感器與傳感器安裝臺(tái)6及主安裝臺(tái)13一起向下運(yùn)行，當(dāng)碰到下行程控制塊18時(shí)，改變運(yùn)行方向向上運(yùn)行，直到碰到上行程控制塊17運(yùn)行停止。使用者可以根據(jù)實(shí)際測(cè)量深度的要求調(diào)整上下行程塊17、18的位置，從而改變土壤三參數(shù)傳感器的移動(dòng)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(cè)量時(shí)站立，從而防止測(cè)量時(shí)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(shí)，行走輪22懸空；移動(dòng)時(shí)，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(dòng)。
參考圖4，本實(shí)施例的控制器26安裝于主立柱15頂部。它的主面板上有三個(gè)控制按鈕分別用于控制主安裝臺(tái)向上，向下和停止運(yùn)動(dòng)?？刂破?5的功能有兩個(gè)方面控制步進(jìn)電機(jī)11的運(yùn)轉(zhuǎn)從而控制主安裝臺(tái)的運(yùn)行，以及采集多路傳感器信號(hào)并通過通訊接口24傳輸?shù)絇C機(jī)?？刂破?6包括一由普通的整流濾波電路作為信號(hào)調(diào)節(jié)單元，該信號(hào)調(diào)節(jié)單元將做整流濾波相應(yīng)信號(hào)處理；一A/D轉(zhuǎn)換器為TSC7106；它將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，和經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換處理后，再把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中；一CPU單元為MSP430；其中CPU單元接到控制器面板上按鈕的控制信號(hào)后，開始發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，并根據(jù)情況開始采集傳感器的信號(hào)輸入，輸入到信號(hào)調(diào)節(jié)單元；一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為FLASH628，用于存儲(chǔ)采集到的傳感器的數(shù)據(jù)；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(hào)后，開始發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，并根據(jù)情況開始采集傳感器的信號(hào)輸入并做相應(yīng)信號(hào)處理，然后把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中；當(dāng)阻力大于500N時(shí)，CPU也會(huì)向電機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)回轉(zhuǎn)。
還包括一PC機(jī)，該P(yáng)C機(jī)與CPU單元電連接，CPU單元?jiǎng)t會(huì)同時(shí)把數(shù)據(jù)傳給PC機(jī)；數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)器與多路傳感器電連接，采集多路傳感器信號(hào)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(jìn)電機(jī)11、設(shè)備控制器26、深度傳感器及土壤三參數(shù)傳感器供電，工作時(shí)蓄電池放置于控制器26背面的蓄電池盒25。
雖然已結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了充分的描述，但需要注意，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，各種改變和修改都是可能的。因此，除了這種改變和修改背離本發(fā)明的范疇之外，它們都應(yīng)被包括在本發(fā)明之中。
權(quán)利要求
1.一種同步實(shí)時(shí)測(cè)量土壤三參數(shù)的復(fù)合傳感器，包括圓錐頭(8)，土壤含水率傳感器(2)，空心圓桿(3)及通過空心圓桿(3)內(nèi)的信號(hào)導(dǎo)線(10)；其特征在于還包括土壤電導(dǎo)率傳感器(5)，壓力傳感器(4)，隔離各傳感器的絕緣體(9)；其中圓錐頭(8)設(shè)置在空心圓桿(3)的一端口，絕緣體(9)、土壤含水率傳感器(2)、絕緣體(9)、土壤電導(dǎo)率傳感器(5)、絕緣體(9)、土壤電導(dǎo)率傳感器(5)、絕緣體(9)、土壤電導(dǎo)率傳感器(5)、絕緣體(9)、土壤電導(dǎo)率傳感器(5)和絕緣體(9)順序圍在空心圓桿(3)外，壓力傳感器(4)安裝在空心圓桿(3)的另一端口，信號(hào)導(dǎo)線(10)與土壤含水率傳感器(2)和土壤電導(dǎo)率傳感器(5)采用的是無焊鏈接，信號(hào)導(dǎo)線(10)再與壓力傳感器(4)電連接穿出空心圓桿(3)。
2.按權(quán)利要求1所述的同步實(shí)時(shí)測(cè)量土壤三參數(shù)的復(fù)合傳感器，其特征在于所述的土壤含水率傳感器(2)和土壤電導(dǎo)率傳感器(5)為一金屬圓環(huán)。
3.一種同步實(shí)時(shí)測(cè)量土壤三參數(shù)的測(cè)量設(shè)備，包括一根主立柱(15)設(shè)置在底座(20)上，一深度傳感器(12)安裝在主立柱(15)一側(cè)；其特征在于，還包括一固定在主立柱(15)頂端的主安裝臺(tái)(13)，該主安裝臺(tái)(13)一側(cè)安裝一步進(jìn)電機(jī)(11)，主立柱(15)頂端通過主安裝臺(tái)(13)與傳感器安裝臺(tái)(6)連接為一個(gè)整體；在主立柱(15)的一側(cè)面自上而下設(shè)置一齒輪狀導(dǎo)軌(16)，至少8個(gè)滑輪(14)安裝在傳感器安裝臺(tái)(6)上，從四個(gè)方向抱住主立柱(15)，并能使傳感器安裝臺(tái)(6)沿主立柱方向上下移動(dòng)；主安裝臺(tái)(13)通過滑輪(14)與主立柱(15)連接，滑輪14與步進(jìn)電機(jī)(11)電連接，并由步進(jìn)電機(jī)(11)驅(qū)動(dòng)滑輪(14)沿著主立柱(15)的齒輪狀導(dǎo)軌(16)上下行進(jìn)；一上行程控制塊(17)位于主立柱(15)一側(cè)面，一下行程控制塊(18)位于主立柱(15)底部；該傳感器安裝臺(tái)(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(tái)(6)下面；主安裝臺(tái)(13)頂部固定電源盒(25)和控制器(26)，蓄電池為步進(jìn)電機(jī)(11)、控制器(26)、深度傳感器(12)及土壤三參數(shù)傳感器供電；土壤三參數(shù)傳感器通過信號(hào)線(10)與控制器(26)電連接，測(cè)量信號(hào)由空心圓桿(3)內(nèi)部的信號(hào)線(10)輸出到控制器(26)；所述的控制器(26)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)從而控制主安裝臺(tái)的運(yùn)行，控制器(26)的主面板上有三個(gè)分別用于控制主安裝臺(tái)(13)向上，向下或停止運(yùn)動(dòng)的控制按鈕。
4.按權(quán)利要求2所述的同步實(shí)時(shí)測(cè)量土壤三參數(shù)的測(cè)量設(shè)備，其特征在于，所述的控制器包括信號(hào)調(diào)節(jié)單元、A/D轉(zhuǎn)換器、CPU單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(hào)后，開始發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，并根據(jù)情況開始采集傳感器的信號(hào)輸入，并通過信號(hào)調(diào)節(jié)單元做整流濾波相應(yīng)信號(hào)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(chǔ)到存儲(chǔ)器中；當(dāng)阻力大于500N時(shí)，CPU也會(huì)向電機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)回轉(zhuǎn)。
5.按權(quán)利要求3所述的同步實(shí)時(shí)測(cè)量土壤三參數(shù)的測(cè)量設(shè)備，其特征在于，所述的信號(hào)調(diào)節(jié)單元為普通的整流濾波電路。
6.按權(quán)利要求2所述的同步實(shí)時(shí)測(cè)量土壤三參數(shù)的測(cè)量設(shè)備，其特征在于，還包括一PC機(jī)，該P(yáng)C機(jī)與通訊接口(24)電聯(lián)接，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與多路傳感器電連接，采集多路傳感器信號(hào)并通過通訊接口(24)傳輸?shù)絇C機(jī)。
7.按權(quán)利要求2所述的同步實(shí)時(shí)測(cè)量土壤三參數(shù)的測(cè)量設(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2所述的同步實(shí)時(shí)測(cè)量土壤三參數(shù)的測(cè)量設(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2所述的同步實(shí)時(shí)測(cè)量土壤三參數(shù)的測(cè)量設(shè)備，其特征在于，所述的空心圓桿的長度根據(jù)要測(cè)土壤剖面深度選擇。
10.按權(quán)利要求2所述的同步實(shí)時(shí)測(cè)量土壤三參數(shù)的測(cè)量設(shè)備，其特征在于，所述的電源盒為一蓄電池盒或是外接電源插座。
全文摘要
本發(fā)明涉及同步實(shí)時(shí)測(cè)量土壤三參數(shù)的復(fù)合傳感器及其測(cè)量設(shè)備。傳感器包括測(cè)量土壤圓錐指數(shù)的圓錐頭，復(fù)合在圓錐頭上的土壤含水率與土壤電導(dǎo)率傳感器。測(cè)量設(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(jìn)的傳感器安裝臺(tái)；固定于主立柱上的控制器和蓄電池盒，控制器有信號(hào)輸入接口與信號(hào)輸出接口，驅(qū)動(dòng)傳感器安裝臺(tái)沿導(dǎo)軌行進(jìn)的步進(jìn)電機(jī)，測(cè)量傳感器行進(jìn)深度的位置傳感器，以及用于支持傳感器的空心圓桿及壓力傳感器；給傳感器和步進(jìn)電機(jī)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(tái)。本發(fā)明的設(shè)備通過同步實(shí)時(shí)測(cè)量圓錐的高頻阻抗、高頻損耗和圓錐受力指數(shù)，進(jìn)而根據(jù)相關(guān)的多變量數(shù)學(xué)模型確定土壤含水率、土壤電導(dǎo)率與壓實(shí)度，實(shí)現(xiàn)土壤三參數(shù)的同步實(shí)時(shí)測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N33/00GK1815228SQ200510063149
公開日2006年8月9日 申請(qǐng)日期2005年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月5日
發(fā)明者孫宇瑞, 馬道坤, 林劍輝 申請(qǐng)人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)