土壤容重实时测量方法及其测量装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种土壤容重实时测量方法，包括如下步骤：在线测量原状土条件下的土壤；通过频域反射法采集土壤体积含水率的电压信号，并通过标定试验方法确定土壤体积含水率的值；通过可见光-近红外反射法采集土壤质量含水率的原始光谱数据，将原始光谱数据经过预处理后代入系统预设的回归模型中，计算出土壤质量含水率；由土壤体积含水率和土壤质量含水率换算出土壤容重。本发明还提供一种土壤容重测量装置，包括：锥杆、同轴电缆、光纤、土壤体积含水率探头、土壤质量含水率探头、土壤体积含水率检测模块、土壤质量含水率检测模块以及平板电脑。本发明无需对土壤进行取样，可方便、快速、实时、准确地获得田间土壤特定剖面深度下的土壤容重。
【专利说明】土壤容重实时测量方法及其测量装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及农田土壤物理性质测量领域，具体涉及一种实时测量土壤容重的方法及装置。
【背景技术】
[0002]土壤容重，亦即土壤干容重，定义为一定容积的土壤(包括土壤颗粒及粒间孔隙)烘干后的重量与同容积水重的比值。土壤容重的大小反映了土壤结构、透气性、透水性能以及保水能力的高低，是描述土壤物理性质的一项重要参数。因此，准确测定土壤容重对农业生产和科研活动有重要意义。
[0003]测定土壤容重最常用的方法是环刀法。其具体的操作方法是:将一定容积的环刀砸入自然状态下的土壤，使土样充满其中，然后取出土样并烘干称量，计算单位容积内的干土重量，即为容重。环刀法耗时耗力、操作过程复杂，使得人们在此传统方法上进行了改进。
[0004]专利CN2585233公开了一种充水式土壤容重测定器，其由量筒和水囊组成，测量时先挖出一定体积土壤，然后放入水囊并向其充水，通过量筒读出充水体积，最后结合实验室测定的土壤干质量来计算土壤容重。专利CN102721628公开了一种测定土壤容重的方法，其将采集到的土样放入自封袋中，抽出空气后密封，然后测定密封袋体积即可得到土样体积，最后同样需要通过烘干土样得到土壤干质量，进而算得土壤容重。显然，这两种方法都均只是在测定土壤体积上有所改进，一定程度上克服了环刀法难以对松散土壤的取样的缺点，但仍然需要取样回实验室烘干称重，不能实现土壤容重的实时测量。
[0005]专利CN103558120公开了一种测定土壤容重的方法及土壤容重测定系统，其步骤包括测量土壤体积含水率、称量土壤湿重、测定土壤体积，进而算出土壤干容重。该方法需要分别采用土壤水分传感器、称重设备和密封容器(带气压计)等装置来获取上述三个参数，操作步骤复杂，不便于田间快速测定土壤容重。
[0006]专利CN103592202公开了一种测定土壤容重和含水率的体积置换方法及设备，其通过注水的方式用一定体积的水置换土壤中的气体孔隙，进而根据水和土壤颗粒的密度、初始湿润土壤样品的质量计算得到土壤容重和土壤质量含水率。该方法虽然无需对土样进行烘干处理，但操作过程及相关装置仍显复杂。
[0007]以上专利在不同方面对传统的土壤容重测量方法做出了改进，但是均不可避免对土壤进行取样，于是既会对土壤原状造成破坏，又使得测量过程难免费时费力。因此，研究一种高效、自动化的土壤容重测量方法十分必要。
【发明内容】
[0008]本发明提供一种能够避免采集土样，并实现对土壤容重的原位快速测量的方法。
[0009]为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:
[0010]一种土壤容重实时测量方法，包括如下步骤:
[0011]步骤一，在线测量原状土条件下的土壤。[0012]步骤二，通过频域反射法采集土壤体积含水率的电压信号，并通过标定试验方法确定土壤体积含水率的值。
[0013]所述频域反射法具体为:以高频信号作为激励信号，根据电磁波传输理论中阻抗匹配的原理，测量阻抗匹配电路两端的高频电压峰值，将该电压峰值差分放大后转化成标准电压输出；
[0014]步骤三，通过可见光-近红外反射法采集土壤质量含水率的原始光谱数据，将原始光谱数据经过预处理后代入系统预设的回归模型中，计算出土壤质量含水率。
[0015]所述可见光-近红外反射法具体为:光源的光束传输至土壤质量含水率探头，其中一部分光束被土壤吸收，另一部分光束反射回来被可见光-近红外光谱仪采集并输出原始光谱数据。
[0016]土壤质量含水率回归模型需要在实验室条件下建立:一方面通过烘干法获得土样的真实质量含水量；另一方面通过上述可见光-近红外反射法采集土壤质量含水率的原始光谱数据，并原始光谱数据经归一化和Savitzky-Golay平滑滤波预处理后得到土壤质量含水率的特征光谱数据，结合真实质量含水量和特征光谱数据，通过多元回归分析方法建立土壤质量含水率回归模型。
[0017]步骤四，由土壤体积含水率和土壤质量含水率换算出土壤容重，该土壤容重计算
公式为Ph = 一，式中:P b为土壤容重，单位为g/Cm3 ； Θ为土壤体积含水率,单位为cm3/cm3 ；
ω ω为土壤质量含水率,单位为g/g。
[0018]本发明还提供一种实现上述技术方案中土壤容重实时测量方法的测量装置，包括:
[0019]中空的锥杆；
[0020]设置于所述锥杆内部的同轴电缆和光纤；
[0021]设置于所述锥杆下端的土壤体积含水率探头和土壤质量含水率探头；
[0022]设置于所述锥杆上端的土壤体积含水率检测模块和土壤质量含水率检测模块；
[0023]所述土壤体积含水率探头通过同轴电缆连接到土壤体积含水率检测模块,所述土壤质量含水率探头通过光纤连接到土壤质量含水率检测模块；
[0024]设置于所述土壤质量含水率检测模块上方的平板电脑，用于采集所述土壤体积含水率检测模块和土壤质量含水率检测模块输出的信号，并分别计算出土壤体积含水率和土壤质量含水率，进一步计算出土壤容重，并将各种参数在屏幕上显示出来。
[0025]进一步地，所述土壤体积含水率探头，包括锥头、金属环和绝缘环，其中锥头连接在锥杆下端，绝缘环嵌套在锥杆上，金属环嵌套在绝缘环上。
[0026]进一步地，所述土壤体积含水率检测模块包括依次连接的高频信号源、阻抗匹配电路、检波电路和微处理器，其中微处理器通过差分放大电路与检波电路连接，并通过通讯接口与平板电脑的信号输入端连接。
[0027]进一步地，所述土壤质量含水率检测模块，包括光源和可见光-近红外光谱仪；所述光纤包括光源光纤和检测光纤，其中光源光纤用于连接光源和土壤质量含水率探头，检测光纤用于连接土壤质量含水率探头和可见光-近红外光谱仪。
[0028]优选地，该测量装置还包括设置于所述土壤质量含水率检测模块下方一侧用于确定测量深度的超声波距离传感器；设置于所述土壤质量含水率检测模块下方另一侧用于定位测量地点的GPS模块；以及设置于所述土壤质量含水率检测模块两侧的手柄，用于操作者进行测量时双手抓握，以便将锥头压入土中。
[0029]由以上技术方案可知，本发明采用频域反射法和可见光-近红外反射法分别对土壤体积含水率及土壤质量含水率进行信号采集，并输入到平板电脑中进行计算处理得出土壤容重，该测量方法及装置无需对土壤进行取样，即可方便、快速、实时、准确地获得田间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样，因此测量过程不会破坏农田土壤的原状，并且测量系统还可以自动记录测量时间、地点、剖面深度等多方面的信息，便于对农田土壤容重时空分布规律进行分析研究。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1为本发明土壤容重实时测量装置的结构示意图；
[0031]图2为本发明土壤容重实时测量装置的电气原理框图；
[0032]图3为本发明土壤容重实时测量方法的流程图；
[0033]图4为本发明中土壤质量含水率测量方法的流程图。
[0034]图中:1、锥杆，2、同轴电缆，3、光纤，31、光源光纤，32、检测光纤，4、土壤体积含水率探头，41、锥头，42、金属环，43、绝缘环，5、土壤质量含水率探头，6、土壤体积含水率检测模块，61、高频信号源,62、阻抗匹配电路,63、检波电路,64、差分放大电路,65、微处理器,7、土壤质量含水率检测模块，71、光源，72、可见光-近红外光谱仪，8、平板电脑，9、超声波距尚传感器，10、GPS I旲块，11、手柄。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。
[0036]图1示出了本发明一种土壤容重实时测量装置的结构示意图，该测量装置包括一个中空的锥杆1，其长度H1可以根据需要测量的最大剖面深度来确定，锥杆中设有分别用于传输电信号和光信号的同轴电缆2和光纤3，其中光纤包括光源光纤31和检测光纤32。锥杆I下端连接有土壤体积含水率探头4，该土壤体积含水率探头由锥头41、金属环42和绝缘环43组成，其中锥头螺纹连接在锥杆下端，绝缘环位于锥头上方并嵌套在锥杆上，金属环直接嵌套在绝缘环上，锥头的圆锥角度参考美国ASABE标准，取30度，锥头和金属环均由不锈钢材料制成，两者构成土壤体积含水率探头的两个电极，绝缘环由PVC材料制成，用于隔离锥头和金属环以及金属环和锥杆。锥杆I下端还设有土壤质量含水率探头5，其嵌入在绝缘环43中，且外表面与锥杆表面平齐。
[0037]所述测量装置还包括土壤体积含水率检测模块6和土壤质量含水率检测模块7，均安装在盒体内并设置在锥杆I上端。所述土壤体积含水率探头4通过设置在锥杆中的同轴电缆2连接到土壤体积含水率检测模块6，所述土壤质量含水率探头5通过设置在锥杆中的光纤3连接到土壤质量含水率检测模块7。
[0038]所述土壤质量含水率检测模块7下端一侧设有超声波距离传感器9，其由超声波发射器和接收器两部分组成，通过发射与接收超声波之间的时间差来确定超声波距离传感器与待测土壤之间的垂直距离H2,即可推算出锥头41在土壤中的深度Htl = H2-H1，其中Hl为超声波距离传感器9至锥头41顶端的固定高度。所述土壤质量含水率检测模块7下方另一侧设置有GPS模块10，可以用于定位测量地点，选用美国GARMIN公司的GPS18X模块，其内置接收电线，并自带USB接口，能将测量点的经度、维度和测量时间等信息输出。土壤质量含水率检测模块7上端设置有平板电脑8，其可运行Windows桌面操作系统，主要用于采集所述土壤体积含水率检测模块6、土壤质量含水率检测模块7、超声波距离传感器9和GPS模块10输出的信号，并分别计算出土壤体积含水率和土壤质量含水率，进一步计算出土壤容重，并将各种参数在屏幕上显示出来。土壤质量含水率检测模块7外部盒体的两侧贯穿设置有手柄11，起到支撑锥杆I的作用，锥杆的最上端通过螺纹与手柄11中点处相连。
[0039]如图2所示，土壤体积含水率检测模块6包括依次连接的高频信号源61、阻抗匹配电路62、检波电路63和微处理器65，其中微处理器通过差分放大电路64与检波电路连接。土壤体积含水率探头4通过设置于锥杆I内部的同轴电缆2连接到阻抗匹配电路62上，其中锥头41与同轴电缆的屏蔽层相连，金属环42与同轴电缆的线芯相连，连接方式均为无焊连接，锥头41和金属环42构成探头的两个电极，本实施例中介质为含水土壤，利用高频信号源61产生高频信号，通过同轴电缆2传输到土壤体积含水率探头4中，利用高频电场下土壤和土壤体积含水率探头的阻抗与同轴电缆2的阻抗不匹配产生衰减的电压信号，其衰减电压信号的电压幅度与含水土壤的介电常数相关，而土壤介电常数可以反映土壤含水率。所述高频信号源61选用10MHz正弦波有源晶振；阻抗匹配电路62等效为1/4波长的传输线，能传输衰减的电压信号；检波电路63将阻抗匹配电路62两端的峰值电压检出，并由差分放大电路64转换为0-2.5V标准电压输出。微处理器65可以采用MSP430F149，其通过自带的12位AD采集差分放大电路64输出电压信号，并将该电压信号通过通讯接口发送到平板电脑8中进行后续处理计算。
[0040]所述土壤质量含水率检测模块7包括光源71和可见光-近红外光谱仪72，光源71通过设置于锥杆内部的光源光纤31将光束输出到土壤质量含水率探头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来，而后者经由检测光纤32，可被可见光-近红外光谱仪72检测到。光源光纤31和检测光纤32可采用FC光纤接头连接。光源可以采用卤素灯，可见光-近红外光谱仪可以采用美国ASD公司的FieldSpec4Standard_Res光谱仪，其探测波长范围为350-2500nm。可见光-近红外光谱仪获取的光谱数据将通过通讯接口发送到平板电脑8中处理。
[0041]本发明还提供一种土壤容重实时测量方法，如图3所示，该测量方法包括如下步骤:
[0042]步骤一，在线测量原状土条件下的土壤。该步骤中首先需要开启测量系统，双手握住手柄，将锥头压入土壤中，同时注意平板电脑上显示的测量深度数据，待锥头到达待测深度时停止下压，使锥杆保持稳定、竖直状态。
[0043]步骤二，通过频域反射法采集土壤体积含水率的电压信号，并通过标定试验方法确定土壤体积含水率的值。
[0044]土壤体积含水率的测量原理为频域反射法，传感器探头感应周围土壤体积含水率的变化，并导致电极端口阻抗改变，而电极端口阻抗Zp与匹配电路阻抗Ztl之间的失配程度将反映在Ztl两端间的电压差Λ U上，即[0045]
【权利要求】
1.一种土壤容重实时测量方法，其特征在于包括如下步骤: 步骤一，在线测量原状土条件下的土壤； 步骤二，通过频域反射法采集土壤体积含水率的电压信号，并通过标定试验方法确定土壤体积含水率的值； 步骤三，通过可见光-近红外反射法采集土壤质量含水率的原始光谱数据，将原始光谱数据经过预处理后代入系统预设的回归模型中，计算出土壤质量含水率； 步骤四，由土壤体积含水率和土壤质量含水率换算出土壤容重，该土壤容重计算公式为A = !，式中:P b为土壤容重，单位为g/cm3 ； Θ为土壤体积含水率,单位为CmVcm3 ； ω
ω为土壤质量含水率，单位为g/g。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤二中频域反射法具体为:以高频信号作为激励信号，根据电磁波传输理论中阻抗匹配的原理，测量阻抗匹配电路两端的高频电压峰值，将该电压峰值差分放大后转化成标准电压输出。
3.根据 权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤三中可见光-近红外反射法具体为:光源的光束传输至土壤质量含水率探头，其中一部分光束被土壤吸收，另一部分光束反射回来被可见光-近红外光谱仪采集并输出原始光谱数据。
4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤三中的土壤质量含水率回归模型需要在实验室条件下建立:一方面通过烘干法获得土样的真实质量含水量；另一方面通过可见光-近红外反射法采集土壤质量含水率的原始光谱数据，并原始光谱数据经过预处理得到特征光谱数据，结合真实质量含水量和特征光谱数据，通过多元回归分析方法建立土壤质量含水率回归模型。
5.一种实现权利要求1所述土壤容重实时测量方法的测量装置，其特征在于，包括: 中空的维杆⑴； 设置于所述锥杆内部的同轴电缆⑵和光纤⑶； 设置于所述锥杆下端的土壤体积含水率探头(4)和土壤质量含水率探头(5)； 设置于所述锥杆上端的土壤体积含水率检测模块(6)和土壤质量含水率检测模块(7)； 所述土壤体积含水率探头(4)通过同轴电缆(2)连接到土壤体积含水率检测模块(6)，所述土壤质量含水率探头(5)通过光纤(3)连接到土壤质量含水率检测模块(7)； 设置于所述土壤质量含水率检测模块上方用于采集信号并计算土壤容重的平板电脑⑶。
6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述土壤体积含水率探头(4)，包括锥头(41)、金属环(42)和绝缘环(43)，其中锥头连接在锥杆下端，绝缘环嵌套在锥杆上，金属环嵌套在绝缘环上。
7.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述土壤体积含水率检测模块(6)包括依次连接的高频信号源(61)、阻抗匹配电路(62)、检波电路(63)和微处理器(65)，其中微处理器(65)通过差分放大电路(64)与检波电路(63)连接，并通过通讯接口与平板电脑(8)的信号输入端连接。
8.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述土壤质量含水率检测模块(7)，包括光源(71)和可见光-近红外光谱仪(72);所述光纤(3)包括光源光纤(31)和检测光纤(32)，其中光源光纤(31)用于连接光源(71)和土壤质量含水率探头(5)，检测光纤(32)用于连接土壤质量含水率探头(5)和可见光-近红外光谱仪(72)。
9.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，该测量装置还包括设置于所述土壤质量含水率检测模块(7)下方一侧用于确定测量深度的超声波距离传感器(9);设置于所述土壤质量含水率检测模块(7)下方另一侧用于定位测量地点的GPS模块(10);以及设置于所述土壤质量含 水率检测模块(7)两侧的手柄(11)。
【文档编号】G01N21/3563GK104034861SQ201410245770
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月4日 优先权日:2014年6月4日
【发明者】盛文溢, 李淼, 曾新华, 李华龙, 郑守国, 朱泽德, 翁士状 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院