專利名稱：一種測量土壤水分特征曲線的復合傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測量土壤含水率與土壤基質(zhì)勢的裝置，具體是一 種基于傳統(tǒng)張力計和單電極結(jié)構原理的測量土壤水分特征曲線的復 合傳感器，屬于傳感器測量領域。
背景技術：
土壤是自然生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，與人類生活和生產(chǎn)活動密 切相關。作為多孔介質(zhì)，土壤由固、液、氣三相組成，礦物質(zhì)和有機 質(zhì)構成其固相結(jié)構，水和空氣充填結(jié)構中的孔隙。在土壤的三相組成
中，土壤水是最活躍的因素，是自然界水循環(huán)中的一個重要環(huán)節(jié)。
農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，土壤水是植物生存的重要保障，不僅影響農(nóng)作 物對肥料的有效利用，而且與土壤中發(fā)生的一系列反應有關。土壤含 水量是決定土壤物理、化學和生物性狀和過程的重要參數(shù)。土壤水的 水勢決定其水分的有效性。土壤水有含水率和水勢兩種表述方式，在 非飽和土壤中，土壤水勢的主要分勢是基質(zhì)勢。土壤基質(zhì)勢是由于土 壤基質(zhì)對土壤水分的吸持作用引起的，所述吸持作用包括吸附作用和 毛管作用。土壤基質(zhì)的吸持作用大小與土壤含水率的多少有關，描述 土壤含水率和土壤基質(zhì)勢關系的曲線稱為土壤水分特征曲線。土壤水 分特征曲線表示土壤水在非飽和狀態(tài)下土壤水的數(shù)量和能量之間的 關系，受土壤質(zhì)地、結(jié)構和溫度等因素的影響，是分析土壤水保持和 運動最基本的資料。在農(nóng)學、水文學、土壤學和土木工程學等領域具 有廣泛的用途。
目前，土壤水分特征曲線常用的測量方法是對同一土樣利用不 同設備分別測定土壤基質(zhì)勢和土壤含水率，其測定程序不僅繁瑣，而 且費時費工。雖然國內(nèi)外許多學者都做過針對性研究，但是，目前還
沒有一種技術能夠?qū)崿F(xiàn)土壤基質(zhì)勢和土壤含水率的同時定位觀測。
發(fā)明內(nèi)容
(一) 要解決的技術問題
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供 一 種同時測量土壤含水率與 土壤基質(zhì)勢的復合傳感器，以解決傳統(tǒng)設備因分別測量導致測定程序 繁瑣、費時費工的問題。
(二) 技術方案
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案是采用
一種測量土壤水分特征曲線的復合傳感器，所述復合傳感器包括 由鎧裝套管及多孔杯、壓力感應元件構成的傳感單元和信號處理電 路，其中
所述鎧裝套管，將土壤含水量改變轉(zhuǎn)化為自身阻抗變化信號； 所述多孔杯，密接在所述鎧裝套管的一端，多孔杯內(nèi)置空心圓管， 空心圓管內(nèi)的去離子水通過多孔杯向外溢出；
所述壓力感應元件，設在所述鎧裝套管的另一端，用于感應所述 空心圓管的內(nèi)部壓力變化；
所述信號處理電路，通過檢測所述阻抗變化信號和所述壓力變 化，獲取土壤含水率信號和土壤基質(zhì)勢信號。
其中，所述信號處理電路通過高頻傳輸線連接所述鎧裝套管，并 向所述鎧裝套管傳輸高頻信號。
其中，所述高頻信號的波長為人，所述鎧裝套管的長度1^<入。
其中，所述壓力感應元件設在塑膠頭套內(nèi)，所述壓力感應元件通 過所述塑膠頭套與所述鎧裝套管連接。
其中，所述空心圓管貫穿所述鎧裝套管的內(nèi)部。
其中，所述多孔杯由陶瓷材料制成。
其中，所述信號處理電路包括
土壤含水率信號處理單元，用于將獲取的土壤含水率信號轉(zhuǎn)換為
含水率電壓信號；
土壤基質(zhì)勢信號處理單元，用于將獲取的基質(zhì)勢信號轉(zhuǎn)換為基質(zhì)
勢電壓信號；
數(shù)據(jù)釆集單元，接收所述含水率電壓信號和所述基質(zhì)勢電壓信 號，并分別轉(zhuǎn)化為土壤含水率值和土壤基質(zhì)勢值，從而輸出土壤水分 特征曲線。
其中，所述信號處理電路還包括
A/D轉(zhuǎn)換單元，用于將所述含水率電壓信號轉(zhuǎn)化為含水率數(shù)字信 號或?qū)⑺龌|(zhì)勢電壓信號轉(zhuǎn)化為基質(zhì)勢數(shù)字信號。
本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果在于，使用本發(fā)明的測量土壤特征曲線 的復合傳感器，利用一個設備可以同時測量土壤含水率與土壤基質(zhì) 勢，直接輸出土壤水分特征曲線，測量程序簡單，且測量結(jié)果客觀準
圖l是本發(fā)明的復合傳感器傳感單元的外形結(jié)構圖； 圖2是本發(fā)明傳感單元的復合探頭的外形結(jié)構圖； 圖3是本發(fā)明復合傳感器的信號處理電路的結(jié)構框圖。 圖中1、信號線；2、塑膠頭套；3、特質(zhì)玻璃管；4、高頻傳輸 線；5、復合探頭；6、鎧裝套管；7、多孔杯；8、空心圓管；10、 土 壤含水率信號處理單元；20、 土壤基質(zhì)勢信號處理單元；30、數(shù)據(jù)采 集單元；35、 A/D轉(zhuǎn)換子單元；40、信號處理電路。
具體實施例方式
以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。 圖l是本發(fā)明復合傳感器的傳感單元外形結(jié)構圖，傳感單元主要 包括復合探頭5和塑膠頭套2，兩者通過特質(zhì)玻璃管3連接在一起，特 質(zhì)玻璃管3與復合探頭5釆用螺紋方式連接，特質(zhì)玻璃管3與塑膠頭套2 釆用固定無縫連接，以保證總體結(jié)構的密封性。特質(zhì)玻璃管3釆用特質(zhì)玻璃材料保持內(nèi)部的可見性，有利于實驗搡作。如圖2所示，在復
合探頭5內(nèi)設置空心圓管8(圖中虛線所示)，空心圓管8與特質(zhì)玻璃管 3的內(nèi)部注入有煮沸過的去離子水(圖中未示出)。在塑膠頭套2內(nèi)設 置壓力感應元件，具體可釆用石英應變片，當空心圓管8內(nèi)的壓力發(fā) 生變化時，塑膠頭套2內(nèi)的石英應變片感應壓力信號變化，并通過信 號線1傳輸至信號處理電路40。
如圖2所示，復合探頭5包括鎧裝套管6和多孔杯7，鎧裝套管 6通過高頻傳輸線4連接信號處理電路，信號處理電路為鎧裝套管6 傳輸高頻信號，高頻信號的波長為人，鎧裝套管6的長度L《入，此 時，鎧禁套管6視為單電極結(jié)構探頭，相當于一根天線，鎧裝套管6 將土壤含水量的改變轉(zhuǎn)換為自身阻抗變化信號。
無線電工程中， 一段載有高頻信號的短導線若滿足其長度L<< X(波長)時，它可等效成一個微元輻射體，其輻射電阻為
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式中s為被測介質(zhì)的相對介電常數(shù)，k為幾何系數(shù)，它取決于輻射微 元的幾何長度L與輻射信號波長X。
<formula>formula see original document page 7</formula> (2)
此外，對含水土壤，根據(jù)Topp公式其介電常數(shù)s與土壤容積含水率 A之間存在著以下經(jīng)驗關系式
<formula>formula see original document page 7</formula> (3 )
由(1)式輻射阻抗A與土壤相對介電常數(shù)s;呈線性關系，結(jié)合(3) 式進一步可推知A與凡也同為三次多項式的單值關系。因此，測量 微元輻射體凡的輻射阻抗，可間接測量出土壤容積含水率。
多孔杯7可由陶瓷材料制作，在空心圓管8內(nèi)注入無氣去離子水 后，將復合探頭5埋設到土壤中，此時，空心圓管8內(nèi)無氣去離子水 與多孔杯7周圍的土壤水形成水勢差，若土壤處于非飽和狀態(tài)，空心
圓管8內(nèi)的水通過多孔杯7流入土壤，從而使空心圓管8內(nèi)的壓力發(fā)
生變化，通過設在塑膠頭套2內(nèi)壓力感應元件測量該壓力變化即可得
到土壤基質(zhì)勢信號。
如圖3所示，信號處理電路40包括土壤含水率信號處理單元10、 土壤基質(zhì)勢信號處理單元20、數(shù)據(jù)釆集單元30、 A/D轉(zhuǎn)換單元35, 土壤含水率信號處理單元io獲取鎧裝套管6的輻射阻抗信號變化， 并將獲取喉號進行放大、檢波并轉(zhuǎn)換為標準土壤含水率電壓信號后送 入A/D轉(zhuǎn)換單元35; 土壤基質(zhì)勢信號處理單元20獲取石英應變片的 電阻變化，并將獲取信號進行放大、檢波并轉(zhuǎn)換為標準土壤基質(zhì)勢電 壓信號后送入A/D轉(zhuǎn)換單元35; A/D轉(zhuǎn)換單元35將土壤含水率電壓 信號和土壤基質(zhì)勢電壓信號分別轉(zhuǎn)化為土壤含水率數(shù)字信號和土壤 基質(zhì)勢數(shù)字信號，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果傳送至數(shù)據(jù)采集單元30,數(shù)據(jù)釆集 單元30將兩個信號分別轉(zhuǎn)換成土壤含水率值與基質(zhì)勢值，直接輸出 土壤水分特征曲線。
本發(fā)明復合傳感器的具體操作過程如下
用注射器給復合探頭5和特質(zhì)玻璃管3內(nèi)注入煮沸過的去離子 水，在確保空心圓管8無氣泡的情況下，將傳感單元置入去離子水中 平衡24小時左右。然后，將傳感單元插入土壤中，數(shù)據(jù)釆集單元開 始連續(xù)釆集土壤含水率信息與基質(zhì)勢信息，并直接生成土壤水分特征 曲線輸出。
本發(fā)明的優(yōu)點在于通過對傳統(tǒng)張力計的改造，提出了一種測量土 壤水分特征曲線的新裝置，實現(xiàn)土壤水分與土壤基質(zhì)勢的同時定位測 量，并直接得出土壤水分特征曲線。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)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(fā)明技術原理的前提下，還可以 做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范 圍。
權利要求
1、一種測量土壤水分特征曲線的復合傳感器，其特征在于，所述復合傳感器包括由鎧裝套管(6)、多孔杯(7)、壓力感應元件構成的傳感單元和信號處理電路(40)，其中所述鎧裝套管(6)，將土壤含水量改變轉(zhuǎn)化為自身阻抗變化信號；所述多孔杯(7)，密接在所述鎧裝套管(6)的一端，多孔杯(7)內(nèi)置空心圓管(8)，空心圓管(8)內(nèi)的去離子水通過多孔杯(7)向外溢出；所述壓力感應元件，設在所述鎧裝套管(6)的另一端，用于感應所述空心圓管(8)的內(nèi)部壓力變化；所述信號處理電路(40)，通過檢測所述阻抗變化信號和所述壓力變化，獲取土壤含水率信號和土壤基質(zhì)勢信號。
2、 如權利要求l所述的測量土壤水分特征曲線的復合傳感器，其 特征在于，所述信號處理電路(40)通過高頻傳輸線連接所述鎧裝套 管(6),并向所述鎧裝套管(6)傳輸高頻信號。
3、 如權利要求2所述的測量土壤水分特征曲線的復合傳感器，其 特征在于，所述高頻信號的波長為X,所述鎧裝套管(6)的長度1^< 入。
4、 如權利要求1所述的測量土壤水分特征曲線的復合傳感器， 其特征在于，所述壓力感應元件設在塑膠頭套(2)內(nèi)，所述壓力感 應元件通過所述塑膠頭套(2)與所述鎧裝套管(6)連接。
5、 如權利要求1所述的測量土壤水分特征曲線的復合傳感器， 其特征在于，所述空心圓管(8)貫穿所述鎧裝套管(6)的內(nèi)部。
6、 如權利要求1所述的測量土壤水分特征曲線的復合傳感器， 其特征在于，所述多孔杯(7)由陶瓷材料制成。
7、 如權利要求1所述的測量土壤水分特征曲線的復合傳感器， 其特征在于，所述信號處理電路包括(40):土壤含水率信號處理單元(10)，用于將獲取的土壤含水率信號 轉(zhuǎn)換為含水率電壓信號；土壤基質(zhì)勢信號處理單元(20),用于將獲取的基質(zhì)勢信號轉(zhuǎn)換為基質(zhì)勢電壓信號；數(shù)據(jù)釆集單元(30)，接收所述含水率電壓信號和所述基質(zhì)勢電壓信號，并分別轉(zhuǎn)化為土壤含水率值和土壤基質(zhì)勢值，從而輸出土壤 水分特征曲線。
8、如權利要求7所述的測量土壤水分特征曲線的復合傳感器， 其特征在于，所述信號處理電路(40)還包括A/D轉(zhuǎn)換單元(35)，用于將所述含水率電壓信號轉(zhuǎn)化為含水率 數(shù)字信號或?qū)⑺龌|(zhì)勢電壓信號轉(zhuǎn)化為基質(zhì)勢數(shù)字信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測量土壤水分特征曲線的復合傳感器，包括由鎧裝套管及多孔杯及壓力感應元件構成的傳感單元和信號處理電路，所述鎧裝套管，將土壤水分的改變轉(zhuǎn)化為自身阻抗變化信號；所述多孔杯，密接在所述鎧裝套管的一端，內(nèi)置空心圓管，空心圓管內(nèi)的去離子水通過多孔杯向外溢出；所述壓力感應元件，設在所述鎧裝套管的另一端，用于感應所述空心圓管的內(nèi)部壓力變化；所述信號處理電路，通過檢測所述阻抗變化信號和所述壓力變化，獲取土壤含水率信號和土壤基質(zhì)勢信號，從而輸出土壤水分特征曲線。
文檔編號G01N13/00GK101339151SQ200810118249
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月11日 優(yōu)先權日2008年8月11日
發(fā)明者任圖生, 任淑娟, 孫宇瑞 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學