專利名稱：基于電流-電壓四端法檢測(cè)土壤電導(dǎo)率的多組態(tài)檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及土壤電導(dǎo)率檢測(cè)領(lǐng)域，特別涉及一種基于電流-電壓四端法檢測(cè)土壤電導(dǎo)率的多組態(tài)檢測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
土壤電導(dǎo)率能不同程度地反映土壤中的鹽分、水分、有機(jī)質(zhì)含量、速效養(yǎng)分、土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)和孔隙率等參數(shù)的大小，是研究土壤不可或缺的重要參數(shù)。特別是在土壤鹽漬化評(píng)估、土壤改良和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等方面，土壤電導(dǎo)率的檢測(cè)是必須的。土壤電導(dǎo)率的檢測(cè)方法分為非接觸式和接觸式兩種。非接觸式方法以加拿大Geonics limited公司生產(chǎn)的電磁感應(yīng)大地電導(dǎo)率儀(EM系列)為代表，不需要接觸土壤就可進(jìn)行測(cè)量，具有測(cè)量快速、高效、成本低的優(yōu)點(diǎn)。但是受制于電磁感應(yīng)的測(cè)量原理，儀器放置的相對(duì)位置、環(huán)境電磁場(chǎng)、甚至人體所附帶的金屬配件等都會(huì)對(duì)檢測(cè)造成較大的誤差。土壤電導(dǎo)率的接觸式檢測(cè)基于電流-電壓四端法原理，克服了非接觸式電磁感應(yīng)測(cè)量的缺點(diǎn)，但是需要將檢測(cè)電極插入土壤中與土壤良好接觸，基于這一原理的檢測(cè)儀器目前國內(nèi)外已經(jīng)大量商品化，例如美國Veris technologies公司生產(chǎn)的3100型土壤電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x，基于電流-電壓四端法測(cè)量原理，且為機(jī)載型，可由機(jī)械牽引在田間直接測(cè)量。該檢測(cè)儀器具有一對(duì)激勵(lì)電極和兩對(duì)測(cè)量電極， 兩對(duì)測(cè)量電極分別測(cè)量淺層土壤和深層土壤的電導(dǎo)率。國內(nèi)有關(guān)研究文獻(xiàn)和申請(qǐng)專利也都是在此基礎(chǔ)上的少許改進(jìn)，比如申請(qǐng)?zhí)?00510092989.
公開日2007. 02. 28的“多用途車載式土壤電導(dǎo)率實(shí)
時(shí)測(cè)試儀”由電極傳感器單元、數(shù)據(jù)采集和處理單元組成，電極傳感器單元由支撐架、車輪和柱狀電極組成，其中車輪和柱狀電極固定在支撐架上；數(shù)據(jù)采集和處理單元包括電源轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)轉(zhuǎn)換放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、處理器和液晶顯示電路；數(shù)據(jù)采集和處理單元通過一根多芯電纜，分別與電極傳感器單元上的電極引線電聯(lián)接。該測(cè)試儀運(yùn)用“電流-電壓四端法”的原理，采用六柱式電極，其電極設(shè)計(jì)合理、科學(xué)，堅(jiān)實(shí)耐用，對(duì)農(nóng)田土壤破壞較小，由于采用分體式設(shè)計(jì)，因此即使電極入土端損壞也可方便更換。但是，與美國Veris technologies公司生產(chǎn)的系列土壤電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x一樣，該技術(shù)方案中只設(shè)置了兩對(duì)測(cè)量電極，一對(duì)用于淺層土壤電導(dǎo)率測(cè)量，另一對(duì)用于深層土壤電導(dǎo)率測(cè)量，其測(cè)量的土壤范圍有限，無法滿足現(xiàn)今大型農(nóng)機(jī)(例如美國約翰迪爾公司生產(chǎn)的農(nóng)機(jī)的作業(yè)寬幅達(dá)到15m)配套使用的需要；另外，該實(shí)用新型采用柱式電極設(shè)計(jì)，在車載檢測(cè)時(shí)要翻動(dòng)土壤，其使用場(chǎng)合會(huì)受到限制。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型是針對(duì)已有技術(shù)的不足，提供一種基于電流-電壓四端法檢測(cè)土壤電導(dǎo)率的多組態(tài)檢測(cè)裝置，以實(shí)現(xiàn)大范圍的同時(shí)檢測(cè)，并可同時(shí)檢測(cè)不同深度的多層次土壤電導(dǎo)率。本實(shí)用新型解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案
3[0006]本實(shí)用新型基于電流-電壓四端法檢測(cè)土壤電導(dǎo)率的多組態(tài)檢測(cè)裝置的特點(diǎn)是設(shè)置檢測(cè)結(jié)構(gòu)為—對(duì)激勵(lì)電極分別是第一激勵(lì)電極和第二激勵(lì)電極；一組信號(hào)檢測(cè)電極分別是第一信號(hào)檢測(cè)電極、第二信號(hào)檢測(cè)電極、第三信號(hào)檢測(cè)電極、第四信號(hào)檢測(cè)電極、第五信號(hào)檢測(cè)電極和第六信號(hào)檢測(cè)電極；所述各激勵(lì)電極和各信號(hào)檢測(cè)電極處在相同的高度位置上、并按以下次序呈單列間隔設(shè)置第一檢測(cè)電極、第二檢測(cè)電極、第一激勵(lì)電極、第三檢測(cè)電極、第四檢測(cè)電極、第二激勵(lì)電極、第五檢測(cè)電極和第六檢測(cè)電極；所述第一激勵(lì)電極位于第二檢測(cè)電極和第三檢測(cè)電極之間的中心位置處，所述第二激勵(lì)電極位于第四檢測(cè)電極和第五檢測(cè)電極之間的中心位置處；相鄰的檢測(cè)電極之間距離相等；以各信號(hào)檢測(cè)電極之間的兩兩組合構(gòu)成多組態(tài)檢測(cè)裝置。本實(shí)用新型基于電流-電壓四端法檢測(cè)土壤電導(dǎo)率的多組態(tài)檢測(cè)裝置的特點(diǎn)也在于所述一對(duì)激勵(lì)電極和一組信號(hào)檢測(cè)電極為大小相等的各輪式刀片，所述各輪式刀片分別通過支架設(shè)置在機(jī)架上，在所述機(jī)架上分別設(shè)置有左側(cè)車輪、右側(cè)車輪，以及用于與牽引機(jī)械相連接的牽引連接機(jī)構(gòu)。設(shè)置檢測(cè)電路為以電源為電源轉(zhuǎn)換電路和傳感器激勵(lì)電路提供工作電源，由傳感器激勵(lì)電路產(chǎn)生的交變穩(wěn)壓或穩(wěn)流源提供給激勵(lì)電極以產(chǎn)生信號(hào)檢測(cè)電極檢測(cè)所需的激勵(lì)信號(hào)；所述信號(hào)檢測(cè)電極獲得的檢測(cè)信號(hào)依次經(jīng)過輸出信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入至單片處理器；所述單片處理器通過通訊電路與上位機(jī)通訊以處理和保存數(shù)據(jù)，所述單片處理器與顯示裝置連接，以顯示檢測(cè)數(shù)值。與已有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果體現(xiàn)在1、本實(shí)用新型采用六個(gè)信號(hào)檢測(cè)電極，分別獲取各自的電位值，通過六個(gè)電極的兩兩組合得到多個(gè)不同的電壓值，以此為基礎(chǔ)獲得多個(gè)區(qū)域及其不同深度層的土壤電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，因此其檢測(cè)范圍大，檢測(cè)效率高。2、本實(shí)用新型的激勵(lì)電極和信號(hào)檢測(cè)電極安裝在電極安裝固定機(jī)架上，電極之間的間距可根據(jù)需要靈活調(diào)整以便適應(yīng)不同深度層土壤電導(dǎo)率檢測(cè)的要求。由于土壤具有導(dǎo)電能力，可視為導(dǎo)體，在兩激勵(lì)電極之間施加穩(wěn)恒電壓或穩(wěn)恒電流時(shí)，在兩激勵(lì)電極之間及其周圍以及一定深度的土壤中就有電流流過，形象地說就是有許多近似紡錘狀的電力線從一個(gè)激勵(lì)電極出發(fā)，分別經(jīng)過不同的路徑到達(dá)另一個(gè)激勵(lì)電極，有的電力線從一個(gè)激勵(lì)電極出發(fā)，經(jīng)過表層土壤就直接到達(dá)另一個(gè)激勵(lì)電極，而有的電力線從一個(gè)激勵(lì)電極出發(fā)， 通過深層土壤才能到達(dá)另一個(gè)激勵(lì)電極，顯然，電力線所能深入的土壤深度與兩激勵(lì)電極之間的距離有關(guān)，即兩激勵(lì)電極之間的距離小，電力線所能深入的土壤深度就淺，兩激勵(lì)電極之間的距離大，電力線所能深入的土壤深度就深。另一方面，兩檢測(cè)電極之間的距離小， 則只有那些通過淺層土壤的電力線能與它們相連，即該兩檢測(cè)電極只能檢測(cè)淺層土壤的電導(dǎo)率，反之，兩檢測(cè)電極之間的距離大，則那些通過深層土壤的電力線能與它們相連，即該
4兩檢測(cè)電極能檢測(cè)深層土壤的電導(dǎo)率。因此通過調(diào)整電極之間的間距可獲得不同深度層次的土壤電導(dǎo)率。3、本實(shí)用新型采用輪式刀片狀電極，輪式刀片可直接插入土壤中并與土壤良好地接觸，因而可提高檢測(cè)精度，輪式刀片狀電極安裝在電極安裝固定機(jī)架上，該機(jī)構(gòu)可由機(jī)械牽引前進(jìn)，在移動(dòng)的過程中連續(xù)不斷地對(duì)土壤電導(dǎo)率進(jìn)行檢測(cè)，因而可大大提高檢測(cè)效率， 降低檢測(cè)成本。

圖1為基于電流-電壓四端法的多組態(tài)土壤電導(dǎo)率檢測(cè)裝置系統(tǒng)框圖；圖2為圖1中的激勵(lì)電極和信號(hào)檢測(cè)電極結(jié)構(gòu)和安裝方式示意圖；圖中標(biāo)號(hào)11機(jī)架；12左側(cè)車輪；13右側(cè)車輪；14牽引連接機(jī)構(gòu)；41第一激勵(lì)電極；42第二激勵(lì)電極；51第一檢測(cè)電極；52第二檢測(cè)電極；53第三檢測(cè)電極力4第四檢測(cè)電極；55第五檢測(cè)電極；56第六檢測(cè)電極。
具體實(shí)施方案參見圖1，本實(shí)施例中基于電流-電壓四端法的多組態(tài)土壤電導(dǎo)率檢測(cè)裝置包括設(shè)置電源為電源轉(zhuǎn)換電路和傳感器激勵(lì)電路提供電源，傳感器激勵(lì)電路產(chǎn)生交變穩(wěn)壓或穩(wěn)流源提供給激勵(lì)電極以產(chǎn)生信號(hào)檢測(cè)電極檢測(cè)所需的激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)電極在一定區(qū)域和深度的土壤中產(chǎn)生微弱的電流，因而在該區(qū)域土壤中的不同位置具有不同的電位，處于不同位置的六個(gè)信號(hào)檢測(cè)電極上會(huì)產(chǎn)生不同的電位輸出，信號(hào)檢測(cè)電極所獲得的信號(hào)首先經(jīng)過輸出信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理后再通過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入單片處理器，單片處理器與通訊電路連接可與上位機(jī)通訊以便處理和保存數(shù)據(jù)，單片處理器和顯示裝置連接可直接顯示檢測(cè)數(shù)值。參見圖2，第一激勵(lì)電極41和第二激勵(lì)電極42以及第一信號(hào)檢測(cè)電極51、第二信號(hào)檢測(cè)電極52、第三信號(hào)檢測(cè)電極53、第四信號(hào)檢測(cè)電極M、第五信號(hào)檢測(cè)電極55和第六信號(hào)檢測(cè)電極56排列成一條直線，第一激勵(lì)電極41位于第二信號(hào)檢測(cè)電極52和第三信號(hào)檢測(cè)電極53之間的中心位置，第二激勵(lì)電極42位于第四信號(hào)檢測(cè)電極M和第五信號(hào)檢測(cè)電極55之間的中心位置，第一信號(hào)檢測(cè)電極51和第二信號(hào)檢測(cè)電極52位于第一激勵(lì)電極41的左側(cè)，第三信號(hào)檢測(cè)電極53和第四信號(hào)檢測(cè)電極M位于第一激勵(lì)電極41和第二激勵(lì)電極42之間，第五信號(hào)檢測(cè)電極55和第六信號(hào)檢測(cè)電極56位于第二激勵(lì)電極42的右側(cè)，第一信號(hào)檢測(cè)電極51與第二信號(hào)檢測(cè)電極52之間、第二信號(hào)檢測(cè)電極52與第三信號(hào)檢測(cè)電極53之間、第三信號(hào)檢測(cè)電極53與第四信號(hào)檢測(cè)電極M之間、第四信號(hào)檢測(cè)電極M與第五信號(hào)檢測(cè)電極55之間以及第五信號(hào)檢測(cè)電極55與第六信號(hào)檢測(cè)電極56之間的間距相等，第一激勵(lì)電極41和第二激勵(lì)電極42通過電纜與傳感器激勵(lì)電路3相連，第一信號(hào)檢測(cè)電極51、第二信號(hào)檢測(cè)電極52、第三信號(hào)檢測(cè)電極53、第四信號(hào)檢測(cè)電極M、第五信號(hào)檢測(cè)電極陽和第六信號(hào)檢測(cè)電極53分別通過電纜與輸出信號(hào)調(diào)理電路5相連。第一激勵(lì)電極41和第二激勵(lì)電極42以及第一信號(hào)檢測(cè)電極51、第二信號(hào)檢測(cè)電極52、第三信號(hào)檢測(cè)電極53、第四信號(hào)檢測(cè)電極M、第五信號(hào)檢測(cè)電極55和第六信號(hào)檢測(cè)電極56為大小相同的輪式刀片，安裝在電極安裝固定機(jī)架11上，機(jī)架11上分別設(shè)置左側(cè)車輪12和右
5側(cè)車輪13以便在機(jī)械牽引下行駛，電極安裝固定機(jī)構(gòu)11還設(shè)置有與牽引機(jī)械連接的機(jī)械牽引連接機(jī)構(gòu)14。以各信號(hào)檢測(cè)電極之間的兩兩組合構(gòu)成多組態(tài)，得到多個(gè)兩兩信號(hào)檢測(cè)電極之間的電壓輸出值，對(duì)應(yīng)于兩兩信號(hào)檢測(cè)電極之間的土壤特性信息，依據(jù)兩兩信號(hào)檢測(cè)電極之間的電壓輸出值結(jié)合電流值數(shù)據(jù)和兩兩信號(hào)檢測(cè)電極之間的距離以及它們與激勵(lì)電極之間的位置關(guān)系可確定兩兩信號(hào)檢測(cè)電極之間土壤的電導(dǎo)率，兩兩信號(hào)檢測(cè)電極之間的距離決定了檢測(cè)土壤電導(dǎo)率所能達(dá)到的檢測(cè)深度，所以通過信號(hào)檢測(cè)電極之間的多種組合，可分別檢測(cè)不同深度土壤的電導(dǎo)率。參見表1，六個(gè)信號(hào)檢測(cè)電極以兩兩相組合，理論上可以組合成十五個(gè)不同的組態(tài)，通過各個(gè)信號(hào)檢測(cè)電極的電位輸出可得到十五個(gè)電壓降數(shù)值，再依據(jù)每個(gè)電極的位置關(guān)系可分別確定所檢測(cè)區(qū)域的土壤電導(dǎo)率，這十五個(gè)不同的組態(tài)可得到五個(gè)相鄰區(qū)域的表層土壤電導(dǎo)率、四個(gè)區(qū)域的表下層土壤電導(dǎo)率、三個(gè)區(qū)域的中層土壤電導(dǎo)率、兩個(gè)區(qū)域的中下層土壤電導(dǎo)率和一個(gè)深層土壤電導(dǎo)率，表1中的右上半部為十五個(gè)檢測(cè)區(qū)域，左下半部為十五個(gè)檢測(cè)區(qū)域所對(duì)應(yīng)的檢測(cè)深度。表1六個(gè)信號(hào)檢測(cè)電極兩兩組合的方式及其檢測(cè)區(qū)域
權(quán)利要求1.一種基于電流-電壓四端法檢測(cè)土壤電導(dǎo)率的多組態(tài)檢測(cè)裝置，其特征是設(shè)置檢測(cè)結(jié)構(gòu)為一對(duì)激勵(lì)電極分別是第一激勵(lì)電極和第二激勵(lì)電極02)；一組信號(hào)檢測(cè)電極分別是第一信號(hào)檢測(cè)電極(51)、第二信號(hào)檢測(cè)電極(52)、第三信號(hào)檢測(cè)電極(53)、第四信號(hào)檢測(cè)電極(M)、第五信號(hào)檢測(cè)電極(5 和第六信號(hào)檢測(cè)電極 (56)；所述各激勵(lì)電極和各信號(hào)檢測(cè)電極處在相同的高度位置上、并按以下次序呈單列間隔設(shè)置第一檢測(cè)電極(51)、第二檢測(cè)電極(52)、第一激勵(lì)電極(41)、第三檢測(cè)電極(53)、第四檢測(cè)電極64)、第二激勵(lì)電極(42)、第五檢測(cè)電極(5 和第六檢測(cè)電極(56)；所述第一激勵(lì)電極Gl)位于第二檢測(cè)電極(5 和第三檢測(cè)電極(5 之間的中心位置處，所述第二激勵(lì)電極0 位于第四檢測(cè)電極(54)和第五檢測(cè)電極(5 之間的中心位置處；相鄰的檢測(cè)電極之間距離相等；以各信號(hào)檢測(cè)電極之間的兩兩組合構(gòu)成多組態(tài)檢測(cè)裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電流-電壓四端法檢測(cè)土壤電導(dǎo)率的多組態(tài)檢測(cè)裝置， 其特征是所述一對(duì)激勵(lì)電極和一組信號(hào)檢測(cè)電極為大小相等的各輪式刀片，所述各輪式刀片分別通過支架設(shè)置在機(jī)架(11)上，在所述機(jī)架(11)上分別設(shè)置有左側(cè)車輪(1 、右側(cè)車輪(13)，以及用于與牽引機(jī)械相連接的牽引連接機(jī)構(gòu)(14)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電流-電壓四端法檢測(cè)土壤電導(dǎo)率的多組態(tài)檢測(cè)裝置， 其特征是設(shè)置檢測(cè)電路為以電源為電源轉(zhuǎn)換電路和傳感器激勵(lì)電路提供工作電源，由傳感器激勵(lì)電路產(chǎn)生的交變穩(wěn)壓或穩(wěn)流源提供給激勵(lì)電極以產(chǎn)生信號(hào)檢測(cè)電極檢測(cè)所需的激勵(lì)信號(hào)；所述信號(hào)檢測(cè)電極獲得的檢測(cè)信號(hào)依次經(jīng)過輸出信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入至單片處理器；所述單片處理器通過通訊電路與上位機(jī)通訊以處理和保存數(shù)據(jù)，所述單片處理器與顯示裝置連接，以顯示檢測(cè)數(shù)值。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于電流-電壓四端法檢測(cè)土壤電導(dǎo)率的多組態(tài)檢測(cè)裝置，其特征是設(shè)置檢測(cè)結(jié)構(gòu)為各激勵(lì)電極和各信號(hào)檢測(cè)電極處在相同的高度位置上、并按以下次序呈單列間隔設(shè)置第一檢測(cè)電極、第二檢測(cè)電極、第一激勵(lì)電極、第三檢測(cè)電極、第四檢測(cè)電極、第二激勵(lì)電極、第五檢測(cè)電極和第六檢測(cè)電極；第一激勵(lì)電極位于第二檢測(cè)電極和第三檢測(cè)電極之間的中心位置處，第二激勵(lì)電極位于第四檢測(cè)電極和第五檢測(cè)電極之間的中心位置處；相鄰的檢測(cè)電極之間距離相等；以各信號(hào)檢測(cè)電極之間的兩兩組合構(gòu)成多組態(tài)檢測(cè)裝置。本實(shí)用新型可以同時(shí)檢測(cè)多區(qū)域、多層土壤的電導(dǎo)率，檢測(cè)區(qū)域大，可有效提高檢測(cè)效率和檢測(cè)精度。
文檔編號(hào)G01R27/28GK202149921SQ20112019893
公開日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2011年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月14日
發(fā)明者張正勇 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院