土壤容重實時測量方法及其測量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種土壤容重實時測量方法，包括如下步驟：在線測量原狀土條件下的土壤；通過頻域反射法采集土壤體積含水率的電壓信號，并通過標定試驗方法確定土壤體積含水率的值；通過可見光-近紅外反射法采集土壤質(zhì)量含水率的原始光譜數(shù)據(jù)，將原始光譜數(shù)據(jù)經(jīng)過預處理后代入系統(tǒng)預設的回歸模型中，計算出土壤質(zhì)量含水率；由土壤體積含水率和土壤質(zhì)量含水率換算出土壤容重。本發(fā)明還提供一種土壤容重測量裝置，包括：錐桿、同軸電纜、光纖、土壤體積含水率探頭、土壤質(zhì)量含水率探頭、土壤體積含水率檢測模塊、土壤質(zhì)量含水率檢測模塊以及平板電腦。本發(fā)明無需對土壤進行取樣，可方便、快速、實時、準確地獲得田間土壤特定剖面深度下的土壤容重。
【專利說明】土壤容重實時測量方法及其測量裝置
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及農(nóng)田土壤物理性質(zhì)測量領域，具體涉及一種實時測量土壤容重的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]土壤容重，亦即土壤干容重，定義為一定容積的土壤(包括土壤顆粒及粒間孔隙)烘干后的重量與同容積水重的比值。土壤容重的大小反映了土壤結(jié)構(gòu)、透氣性、透水性能以及保水能力的高低，是描述土壤物理性質(zhì)的一項重要參數(shù)。因此，準確測定土壤容重對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研活動有重要意義。
[0003]測定土壤容重最常用的方法是環(huán)刀法。其具體的操作方法是:將一定容積的環(huán)刀砸入自然狀態(tài)下的土壤，使土樣充滿其中，然后取出土樣并烘干稱量，計算單位容積內(nèi)的干土重量，即為容重。環(huán)刀法耗時耗力、操作過程復雜，使得人們在此傳統(tǒng)方法上進行了改進。
[0004]專利CN2585233公開了一種充水式土壤容重測定器，其由量筒和水囊組成，測量時先挖出一定體積土壤，然后放入水囊并向其充水，通過量筒讀出充水體積，最后結(jié)合實驗室測定的土壤干質(zhì)量來計算土壤容重。專利CN102721628公開了一種測定土壤容重的方法，其將采集到的土樣放入自封袋中，抽出空氣后密封，然后測定密封袋體積即可得到土樣體積，最后同樣需要通過烘干土樣得到土壤干質(zhì)量，進而算得土壤容重。顯然，這兩種方法都均只是在測定土壤體積上有所改進，一定程度上克服了環(huán)刀法難以對松散土壤的取樣的缺點，但仍然需要取樣回實驗室烘干稱重，不能實現(xiàn)土壤容重的實時測量。
[0005]專利CN103558120公開了一種測定土壤容重的方法及土壤容重測定系統(tǒng)，其步驟包括測量土壤體積含水率、稱量土壤濕重、測定土壤體積，進而算出土壤干容重。該方法需要分別采用土壤水分傳感器、稱重設備和密封容器(帶氣壓計)等裝置來獲取上述三個參數(shù)，操作步驟復雜，不便于田間快速測定土壤容重。
[0006]專利CN103592202公開了一種測定土壤容重和含水率的體積置換方法及設備，其通過注水的方式用一定體積的水置換土壤中的氣體孔隙，進而根據(jù)水和土壤顆粒的密度、初始濕潤土壤樣品的質(zhì)量計算得到土壤容重和土壤質(zhì)量含水率。該方法雖然無需對土樣進行烘干處理，但操作過程及相關裝置仍顯復雜。
[0007]以上專利在不同方面對傳統(tǒng)的土壤容重測量方法做出了改進，但是均不可避免對土壤進行取樣，于是既會對土壤原狀造成破壞，又使得測量過程難免費時費力。因此，研究一種高效、自動化的土壤容重測量方法十分必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供一種能夠避免采集土樣，并實現(xiàn)對土壤容重的原位快速測量的方法。
[0009]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0010]一種土壤容重實時測量方法，包括如下步驟:
[0011]步驟一，在線測量原狀土條件下的土壤。[0012]步驟二，通過頻域反射法采集土壤體積含水率的電壓信號，并通過標定試驗方法確定土壤體積含水率的值。
[0013]所述頻域反射法具體為:以高頻信號作為激勵信號，根據(jù)電磁波傳輸理論中阻抗匹配的原理，測量阻抗匹配電路兩端的高頻電壓峰值，將該電壓峰值差分放大后轉(zhuǎn)化成標準電壓輸出；
[0014]步驟三，通過可見光-近紅外反射法采集土壤質(zhì)量含水率的原始光譜數(shù)據(jù)，將原始光譜數(shù)據(jù)經(jīng)過預處理后代入系統(tǒng)預設的回歸模型中，計算出土壤質(zhì)量含水率。
[0015]所述可見光-近紅外反射法具體為:光源的光束傳輸至土壤質(zhì)量含水率探頭，其中一部分光束被土壤吸收，另一部分光束反射回來被可見光-近紅外光譜儀采集并輸出原始光譜數(shù)據(jù)。
[0016]土壤質(zhì)量含水率回歸模型需要在實驗室條件下建立:一方面通過烘干法獲得土樣的真實質(zhì)量含水量；另一方面通過上述可見光-近紅外反射法采集土壤質(zhì)量含水率的原始光譜數(shù)據(jù)，并原始光譜數(shù)據(jù)經(jīng)歸一化和Savitzky-Golay平滑濾波預處理后得到土壤質(zhì)量含水率的特征光譜數(shù)據(jù)，結(jié)合真實質(zhì)量含水量和特征光譜數(shù)據(jù)，通過多元回歸分析方法建立土壤質(zhì)量含水率回歸模型。
[0017]步驟四，由土壤體積含水率和土壤質(zhì)量含水率換算出土壤容重，該土壤容重計算
公式為Ph = 一，式中:P b為土壤容重，單位為g/Cm3 ； Θ為土壤體積含水率,單位為cm3/cm3 ；
ω ω為土壤質(zhì)量含水率,單位為g/g。
[0018]本發(fā)明還提供一種實現(xiàn)上述技術(shù)方案中土壤容重實時測量方法的測量裝置，包括:
[0019]中空的錐桿；
[0020]設置于所述錐桿內(nèi)部的同軸電纜和光纖；
[0021]設置于所述錐桿下端的土壤體積含水率探頭和土壤質(zhì)量含水率探頭；
[0022]設置于所述錐桿上端的土壤體積含水率檢測模塊和土壤質(zhì)量含水率檢測模塊；
[0023]所述土壤體積含水率探頭通過同軸電纜連接到土壤體積含水率檢測模塊,所述土壤質(zhì)量含水率探頭通過光纖連接到土壤質(zhì)量含水率檢測模塊；
[0024]設置于所述土壤質(zhì)量含水率檢測模塊上方的平板電腦，用于采集所述土壤體積含水率檢測模塊和土壤質(zhì)量含水率檢測模塊輸出的信號，并分別計算出土壤體積含水率和土壤質(zhì)量含水率，進一步計算出土壤容重，并將各種參數(shù)在屏幕上顯示出來。
[0025]進一步地，所述土壤體積含水率探頭，包括錐頭、金屬環(huán)和絕緣環(huán)，其中錐頭連接在錐桿下端，絕緣環(huán)嵌套在錐桿上，金屬環(huán)嵌套在絕緣環(huán)上。
[0026]進一步地，所述土壤體積含水率檢測模塊包括依次連接的高頻信號源、阻抗匹配電路、檢波電路和微處理器，其中微處理器通過差分放大電路與檢波電路連接，并通過通訊接口與平板電腦的信號輸入端連接。
[0027]進一步地，所述土壤質(zhì)量含水率檢測模塊，包括光源和可見光-近紅外光譜儀；所述光纖包括光源光纖和檢測光纖，其中光源光纖用于連接光源和土壤質(zhì)量含水率探頭，檢測光纖用于連接土壤質(zhì)量含水率探頭和可見光-近紅外光譜儀。
[0028]優(yōu)選地，該測量裝置還包括設置于所述土壤質(zhì)量含水率檢測模塊下方一側(cè)用于確定測量深度的超聲波距離傳感器；設置于所述土壤質(zhì)量含水率檢測模塊下方另一側(cè)用于定位測量地點的GPS模塊；以及設置于所述土壤質(zhì)量含水率檢測模塊兩側(cè)的手柄，用于操作者進行測量時雙手抓握，以便將錐頭壓入土中。
[0029]由以上技術(shù)方案可知，本發(fā)明采用頻域反射法和可見光-近紅外反射法分別對土壤體積含水率及土壤質(zhì)量含水率進行信號采集，并輸入到平板電腦中進行計算處理得出土壤容重，該測量方法及裝置無需對土壤進行取樣，即可方便、快速、實時、準確地獲得田間土壤特定剖面深度下的土壤容重。此外，由于不再需要挖取土樣，因此測量過程不會破壞農(nóng)田土壤的原狀，并且測量系統(tǒng)還可以自動記錄測量時間、地點、剖面深度等多方面的信息，便于對農(nóng)田土壤容重時空分布規(guī)律進行分析研究。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明土壤容重實時測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖2為本發(fā)明土壤容重實時測量裝置的電氣原理框圖；
[0032]圖3為本發(fā)明土壤容重實時測量方法的流程圖；
[0033]圖4為本發(fā)明中土壤質(zhì)量含水率測量方法的流程圖。
[0034]圖中:1、錐桿，2、同軸電纜，3、光纖，31、光源光纖，32、檢測光纖，4、土壤體積含水率探頭，41、錐頭，42、金屬環(huán)，43、絕緣環(huán)，5、土壤質(zhì)量含水率探頭，6、土壤體積含水率檢測模塊，61、高頻信號源,62、阻抗匹配電路,63、檢波電路,64、差分放大電路,65、微處理器,7、土壤質(zhì)量含水率檢測模塊，71、光源，72、可見光-近紅外光譜儀，8、平板電腦，9、超聲波距尚傳感器，10、GPS I旲塊，11、手柄。
【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式作詳細的說明。
[0036]圖1示出了本發(fā)明一種土壤容重實時測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，該測量裝置包括一個中空的錐桿1，其長度H1可以根據(jù)需要測量的最大剖面深度來確定，錐桿中設有分別用于傳輸電信號和光信號的同軸電纜2和光纖3，其中光纖包括光源光纖31和檢測光纖32。錐桿I下端連接有土壤體積含水率探頭4，該土壤體積含水率探頭由錐頭41、金屬環(huán)42和絕緣環(huán)43組成，其中錐頭螺紋連接在錐桿下端，絕緣環(huán)位于錐頭上方并嵌套在錐桿上，金屬環(huán)直接嵌套在絕緣環(huán)上，錐頭的圓錐角度參考美國ASABE標準，取30度，錐頭和金屬環(huán)均由不銹鋼材料制成，兩者構(gòu)成土壤體積含水率探頭的兩個電極，絕緣環(huán)由PVC材料制成，用于隔離錐頭和金屬環(huán)以及金屬環(huán)和錐桿。錐桿I下端還設有土壤質(zhì)量含水率探頭5，其嵌入在絕緣環(huán)43中，且外表面與錐桿表面平齊。
[0037]所述測量裝置還包括土壤體積含水率檢測模塊6和土壤質(zhì)量含水率檢測模塊7，均安裝在盒體內(nèi)并設置在錐桿I上端。所述土壤體積含水率探頭4通過設置在錐桿中的同軸電纜2連接到土壤體積含水率檢測模塊6，所述土壤質(zhì)量含水率探頭5通過設置在錐桿中的光纖3連接到土壤質(zhì)量含水率檢測模塊7。
[0038]所述土壤質(zhì)量含水率檢測模塊7下端一側(cè)設有超聲波距離傳感器9，其由超聲波發(fā)射器和接收器兩部分組成，通過發(fā)射與接收超聲波之間的時間差來確定超聲波距離傳感器與待測土壤之間的垂直距離H2,即可推算出錐頭41在土壤中的深度Htl = H2-H1，其中Hl為超聲波距離傳感器9至錐頭41頂端的固定高度。所述土壤質(zhì)量含水率檢測模塊7下方另一側(cè)設置有GPS模塊10，可以用于定位測量地點，選用美國GARMIN公司的GPS18X模塊，其內(nèi)置接收電線，并自帶USB接口，能將測量點的經(jīng)度、維度和測量時間等信息輸出。土壤質(zhì)量含水率檢測模塊7上端設置有平板電腦8，其可運行Windows桌面操作系統(tǒng)，主要用于采集所述土壤體積含水率檢測模塊6、土壤質(zhì)量含水率檢測模塊7、超聲波距離傳感器9和GPS模塊10輸出的信號，并分別計算出土壤體積含水率和土壤質(zhì)量含水率，進一步計算出土壤容重，并將各種參數(shù)在屏幕上顯示出來。土壤質(zhì)量含水率檢測模塊7外部盒體的兩側(cè)貫穿設置有手柄11，起到支撐錐桿I的作用，錐桿的最上端通過螺紋與手柄11中點處相連。
[0039]如圖2所示，土壤體積含水率檢測模塊6包括依次連接的高頻信號源61、阻抗匹配電路62、檢波電路63和微處理器65，其中微處理器通過差分放大電路64與檢波電路連接。土壤體積含水率探頭4通過設置于錐桿I內(nèi)部的同軸電纜2連接到阻抗匹配電路62上，其中錐頭41與同軸電纜的屏蔽層相連，金屬環(huán)42與同軸電纜的線芯相連，連接方式均為無焊連接，錐頭41和金屬環(huán)42構(gòu)成探頭的兩個電極，本實施例中介質(zhì)為含水土壤，利用高頻信號源61產(chǎn)生高頻信號，通過同軸電纜2傳輸?shù)酵寥荔w積含水率探頭4中，利用高頻電場下土壤和土壤體積含水率探頭的阻抗與同軸電纜2的阻抗不匹配產(chǎn)生衰減的電壓信號，其衰減電壓信號的電壓幅度與含水土壤的介電常數(shù)相關，而土壤介電常數(shù)可以反映土壤含水率。所述高頻信號源61選用10MHz正弦波有源晶振；阻抗匹配電路62等效為1/4波長的傳輸線，能傳輸衰減的電壓信號；檢波電路63將阻抗匹配電路62兩端的峰值電壓檢出，并由差分放大電路64轉(zhuǎn)換為0-2.5V標準電壓輸出。微處理器65可以采用MSP430F149，其通過自帶的12位AD采集差分放大電路64輸出電壓信號，并將該電壓信號通過通訊接口發(fā)送到平板電腦8中進行后續(xù)處理計算。
[0040]所述土壤質(zhì)量含水率檢測模塊7包括光源71和可見光-近紅外光譜儀72，光源71通過設置于錐桿內(nèi)部的光源光纖31將光束輸出到土壤質(zhì)量含水率探頭5上，其中一部分光束被土壤吸收消失，一部分光束被反射回來，而后者經(jīng)由檢測光纖32，可被可見光-近紅外光譜儀72檢測到。光源光纖31和檢測光纖32可采用FC光纖接頭連接。光源可以采用鹵素燈，可見光-近紅外光譜儀可以采用美國ASD公司的FieldSpec4Standard_Res光譜儀，其探測波長范圍為350-2500nm?？梢姽?近紅外光譜儀獲取的光譜數(shù)據(jù)將通過通訊接口發(fā)送到平板電腦8中處理。
[0041]本發(fā)明還提供一種土壤容重實時測量方法，如圖3所示，該測量方法包括如下步驟:
[0042]步驟一，在線測量原狀土條件下的土壤。該步驟中首先需要開啟測量系統(tǒng)，雙手握住手柄，將錐頭壓入土壤中，同時注意平板電腦上顯示的測量深度數(shù)據(jù)，待錐頭到達待測深度時停止下壓，使錐桿保持穩(wěn)定、豎直狀態(tài)。
[0043]步驟二，通過頻域反射法采集土壤體積含水率的電壓信號，并通過標定試驗方法確定土壤體積含水率的值。
[0044]土壤體積含水率的測量原理為頻域反射法，傳感器探頭感應周圍土壤體積含水率的變化，并導致電極端口阻抗改變，而電極端口阻抗Zp與匹配電路阻抗Ztl之間的失配程度將反映在Ztl兩端間的電壓差Λ U上，即[0045]
【權(quán)利要求】
1.一種土壤容重實時測量方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟一，在線測量原狀土條件下的土壤； 步驟二，通過頻域反射法采集土壤體積含水率的電壓信號，并通過標定試驗方法確定土壤體積含水率的值； 步驟三，通過可見光-近紅外反射法采集土壤質(zhì)量含水率的原始光譜數(shù)據(jù)，將原始光譜數(shù)據(jù)經(jīng)過預處理后代入系統(tǒng)預設的回歸模型中，計算出土壤質(zhì)量含水率； 步驟四，由土壤體積含水率和土壤質(zhì)量含水率換算出土壤容重，該土壤容重計算公式為A = !，式中:P b為土壤容重，單位為g/cm3 ； Θ為土壤體積含水率,單位為CmVcm3 ； ω
ω為土壤質(zhì)量含水率，單位為g/g。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于，所述步驟二中頻域反射法具體為:以高頻信號作為激勵信號，根據(jù)電磁波傳輸理論中阻抗匹配的原理，測量阻抗匹配電路兩端的高頻電壓峰值，將該電壓峰值差分放大后轉(zhuǎn)化成標準電壓輸出。
3.根據(jù) 權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于，所述步驟三中可見光-近紅外反射法具體為:光源的光束傳輸至土壤質(zhì)量含水率探頭，其中一部分光束被土壤吸收，另一部分光束反射回來被可見光-近紅外光譜儀采集并輸出原始光譜數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于，所述步驟三中的土壤質(zhì)量含水率回歸模型需要在實驗室條件下建立:一方面通過烘干法獲得土樣的真實質(zhì)量含水量；另一方面通過可見光-近紅外反射法采集土壤質(zhì)量含水率的原始光譜數(shù)據(jù)，并原始光譜數(shù)據(jù)經(jīng)過預處理得到特征光譜數(shù)據(jù)，結(jié)合真實質(zhì)量含水量和特征光譜數(shù)據(jù)，通過多元回歸分析方法建立土壤質(zhì)量含水率回歸模型。
5.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述土壤容重實時測量方法的測量裝置，其特征在于，包括: 中空的維桿⑴； 設置于所述錐桿內(nèi)部的同軸電纜⑵和光纖⑶； 設置于所述錐桿下端的土壤體積含水率探頭(4)和土壤質(zhì)量含水率探頭(5)； 設置于所述錐桿上端的土壤體積含水率檢測模塊(6)和土壤質(zhì)量含水率檢測模塊(7)； 所述土壤體積含水率探頭(4)通過同軸電纜(2)連接到土壤體積含水率檢測模塊(6)，所述土壤質(zhì)量含水率探頭(5)通過光纖(3)連接到土壤質(zhì)量含水率檢測模塊(7)； 設置于所述土壤質(zhì)量含水率檢測模塊上方用于采集信號并計算土壤容重的平板電腦⑶。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量裝置，其特征在于，所述土壤體積含水率探頭(4)，包括錐頭(41)、金屬環(huán)(42)和絕緣環(huán)(43)，其中錐頭連接在錐桿下端，絕緣環(huán)嵌套在錐桿上，金屬環(huán)嵌套在絕緣環(huán)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量裝置，其特征在于，所述土壤體積含水率檢測模塊(6)包括依次連接的高頻信號源(61)、阻抗匹配電路(62)、檢波電路(63)和微處理器(65)，其中微處理器(65)通過差分放大電路(64)與檢波電路(63)連接，并通過通訊接口與平板電腦(8)的信號輸入端連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量裝置，其特征在于，所述土壤質(zhì)量含水率檢測模塊(7)，包括光源(71)和可見光-近紅外光譜儀(72);所述光纖(3)包括光源光纖(31)和檢測光纖(32)，其中光源光纖(31)用于連接光源(71)和土壤質(zhì)量含水率探頭(5)，檢測光纖(32)用于連接土壤質(zhì)量含水率探頭(5)和可見光-近紅外光譜儀(72)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量裝置，其特征在于，該測量裝置還包括設置于所述土壤質(zhì)量含水率檢測模塊(7)下方一側(cè)用于確定測量深度的超聲波距離傳感器(9);設置于所述土壤質(zhì)量含水率檢測模塊(7)下方另一側(cè)用于定位測量地點的GPS模塊(10);以及設置于所述土壤質(zhì)量含 水率檢測模塊(7)兩側(cè)的手柄(11)。
【文檔編號】G01N21/3563GK104034861SQ201410245770
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月4日
【發(fā)明者】盛文溢, 李淼, 曾新華, 李華龍, 鄭守國, 朱澤德, 翁士狀 申請人:中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院