深层土壤水分测定装置的设计方法、装置及控制方法

摘要

本发明公开一种深层土壤水分测定装置的设计方法、装置及控制方法，是利用土钻的优势，将土壤水分传感器埋入其中，环形附加管壁上开设一探针孔，水分传感器可移动伸出或缩回；传送槽和探针孔之间设置一可上下移动的曲面隔离板挡住探针孔或打开。本发明构思简单巧妙，操作方便，可以体现出自动伸缩式的传感器探头的优势，可以保证深层土壤埋入的需求；压力传感器的设计可以避免水分传感器超负荷工作；无线通讯模块的设计，实现了远程传输及控制。

说明书

技术领域

本发明涉及土壤水分含量的测定技术领域，特别是关于野外深层土壤的水分测定 装置的设计方法、装置及控制方法。

背景技术

土壤水分是土壤重要的肥力因子之一，其含量状况对农林植物的生长有直接影响。 在农林生产中，土壤水分含量信息的长期监测和及时获取，是实现精准灌溉的重要基 础数据。

目前土壤野外水分含量的测定装置多以介电方法为原理，利用针式结构的土壤水 分传感器测定土壤水分含量，该类传感器具有几何结构简单，制作方便等特点，但也 存在着一些应用方面上的问题，主要表现为深层土壤水分含量的测定限制。由于探针 强度和土壤石砾的双重影响，导致探针的长度不能太长，无法使其从土壤表层深入到 下层，从而限制了对深层土壤和多石砾土壤水分含量的测定。虽然可以通过挖掘土壤 剖面将探针埋入测定的深度，但由于剖面的挖掘和回填过程会严重破坏土壤的自然状 态，影响土壤中水分的运移特点，因此，测定获得的土壤水分含量数据很难准确反映 出土壤水分的真实特征，严重降低数据的代表性；同时，剖面挖掘和回填过程还有费 工耗时的缺陷。伴随着装置开发的局限性，给深层土壤水分的测量也带来了困难，没 有更好的方法实现深层土壤尤其是野外坚硬、石砾土壤的水分的准确测定，使得深层 土壤的研究成为空白。

发明内容

本发明的目的就在于针对现有技术中的不足，提供一种深层土壤水分测定装置的 设计方法、装置及控制方法。该设计方法在不破坏土壤自然状态的情况下，使得深层 土壤测量变为可能，还通过自动控制方法使结构更简单，测试数据更准确，解决了深 层土壤水分测定的难题。

本发明采取的技术方案是：

一种深层土壤水分测定装置的设计方法，通过如下方面使得该装置构成：

1)利用土钻，在土钻钻管的下端部与钻头之间，固定衔接一段内、外径与钻管等 直径的环形附加管；

2)利用针式水分传感器测量，在环形附加管中开设一细长的传送槽，槽内设置水 分传感器，在传送槽所正对的环形附加管的外壁上，开设有一探针孔；针式探头由一 水分传感器驱动机构控制在传送槽中移动；

3)在所述环形附加管中，还开设一曲面槽，位于传送槽和探针孔之间，槽中设置 一由隔离板驱动机构控制的上下移动的曲面隔离板；

4)在所述环形附加管中，还埋入一单片机，一地下无线通讯模块；在地上设置一 地上无线通讯模块和终端机；所述水分传感器和它的驱动机构，以及隔离板驱动机构 均与单片机电连接，单片机与地下无线通讯模块电连接；地上无线通讯模块和地下无 线通讯模块之间通过无线信号传输，包括接收器和发射器。

该方法还包括在针式水分传感器的探头尾部接触式设置一压力传感器，所述压力 传感器与单片机电连接，所述单片机中预置有压力极限值。

所述针式探头，为单针式，或两针平行式。

所述水分传感器驱动机构是步进电机带动下的传送带机构，包括一步进电机和两 根传动轴和一传送带，针式探头固定在传送带上，随着传送带的运动而移动。

所述隔离板驱动机构为步进电机带动下的齿轮齿条传动机构，齿条固定在曲面隔 离板上，齿轮由步进电机带动，齿轮与齿条啮合带动曲面隔离板沿曲面槽上下移动。

一种深层土壤水分测定装置：包括一衔接于土钻钻管下端与钻头之间的环形附加 管；在环形附加管中，开设有一细长的传送槽，传送槽所正对的环形附加管的外壁上， 开设有一探针孔；针式水分传感器由传感器驱动机构控制而滑动设置在传送槽中；在 探头尾部接触式设置一压力传感器；在环形附加管中，还开设一曲面槽，位于传送槽 和探针孔之间，槽中设置一由隔离板驱动机构控制而上下滑动的曲面隔离板；在环形 附加管中，还埋入一单片机，一地下无线通讯模块；在地上设置一地上无线通讯模块 和终端机；所述水分传感器和它的驱动机构、压力传感器，以及隔离板驱动机构，均 与单片机电连接，单片机与地下无线通讯模块电连接；地上无线通讯模块和地下无线 通讯模块之间通过无线信号传输，各包括接收器和发射器。

一种上述装置的控制方法，包括如下步骤：

1)当土钻钻入土体内指定深度后，通过终端机发出指令，经地上无线通讯模块和 地下无线通讯模块远程发出无线信号，遥控单片机控制隔离板驱动机构将曲面隔离板 推下打开探针孔；

2)然后单片机命令水分传感器驱动机构启动，针式探头向前移动，伸出探针孔， 针式探头将测试的水分数据反馈给单片机，再经无线通讯模块传至终端机；

3)当测量完成后，水分传感器驱动机构将探头缩回，然后由终端机通过无线通讯 模块发命令给单片机，控制隔离板驱动机构将曲面隔离板推上，挡住探针孔。

压力传感器同步测量探头压力，如果探头压力大于预设的压力值，单片机将立即 命令水分传感器驱动机构将探针缩回，如果探头压力在预设值范围内，则水分传感器 进行取值。

本发明由于采取了以上技术方案，其具有的有益效果是：1、本发明采用由驱动机 构自动传送的方式，将水分传感器探头设置在钻管上环形管段传送槽中，使传感器探 头能在传送槽中前后移动，伸出管壁探针孔或缩回，以此保证在不用探头检测时，探 头得以保护。2、进一步的，在传送槽前端与探针孔之间设置一可上下移动的自动隔离 板，防止土壤由探针孔进入环形管段，并进一步保护探针。3、在探头尾端设置一压力 传感器，可以实时上传感受到的探针压力，避免探针受损伤。4、上述的水分传感器探 头和隔离板都可以在步进电机的带动下自动执行动作，在外部终端的控制下协调工作。 综合上述，本发明适合深层土壤水分测量。

附图说明

图1是装置的外观示意图；

图2是环形管段横截面示意图，展露出内部平面结构；

图3是环形管段的纵剖示意图，展露出内部的纵向结构；

图4是隔离板步进电机带动下的齿轮齿条结构；

图5是装置使用时的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案和突出的效果进行详细的说明，但这 些具体实施方式，仅是用于说明本发明，并非用以限定本发明的保护范围。任何本领 域的技术人员应明白，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修 改，均应属于本发明保护的范围之内。

本发明提供的一种深层土壤水分测定装置的设计方法，是利用土钻而设计的，基 本思想是在现有土钻的基础上，安装水分测量的部件。本发明的设计包括以下几方面 考虑：

1、如图1所示，土钻包含手柄1、中空的钻管2和钻头3三部分，测定装置可安 装在钻管2的下端部与钻头3之间，这样可以利用土钻的破土功能而将装置带入地下， 避免了生硬的将水分传感器(针式)的探针扎入强硬的地下。将装置位于钻管2与钻 头3之间，一是可以借助于钻管2的结构形状而方便设计与安装，二是钻头的强度可 以对它施加保护。因此，依赖于钻管的形状，我们设计一段内、外径与钻管2等直径 的环形附加管4。

2、目前土壤水分测定采用的主要部件是针式水分传感器，具有针式探头5和传输 线分，如图3所示。针式探头由于细长，很容易被折断，因此在钻土测量的过程中， 必须将针式水分传感器加以保护。因此，本发明在环形附加管4上开设一些槽，将水 分传感器埋入在环形附加管4中。

具体为，如图2所示，在环形附加管4的实体部开设一细长的传送槽8，供针式 探头5放入并可前后移动。在传送槽所正对的环形附加管4的外壁上，设置有一探针 孔9，与传送槽8正对且相通，可使针式探头由此进、出。针式探头5的移动依靠驱 动机构来实现，驱动机构可以有多种形式，比如一种是步进电机带动下的传送带机构， 如图3所示，包括一水分传感器步进电机10和两根传动轴11和一传送带12，针式探 头5固定在传送带上，随着传送带的运动而移动。步进电机10的正、反转带动针式探 头前移伸出环形附加管4到土壤中，或者后退缩回到环形附加管4中来，使探针受到 保护。或者另一种驱动机构是，步进电机带动下的丝杠机构，包括步进电机、丝杠、 丝杠螺母，螺母上固定传针式探头5，伴随着丝杠的转动，丝杠螺母直线移动，从而 带动探头前后移动。还可以是齿轮齿条等其他电机带动的平移机构。由于针式探头5 能够移动，所以无需一直伸在钻管的外面，不用工作的时候由驱动机构将其缩回到钻 管中即可。利用土钻将这种伸缩式结构带入土下，既可以利用针式结构的传感器实现 对深层土壤的测试，也可以保护探针。

本发明所用到的针式水分传感器，可以为单针式或两针平行式。

3、上述的水分传感器、传感器步进电机10、传动轴11、传送带12等这些实体部 件都埋入在环形附加管4中。步进电机10是由一单片机13控制的。由于钻管是不停 的旋转钻入工作的，所以要实现对单片机地上、地下之间的远程控制与数据传输，如 果选择有线连接的方式基本不可能。所以本发明选择了使用无线通讯模块来作为地下 单片机与地上终端机之间的传输纽带。无线通讯模块包括地上和地下两部分，每一部 分都包括无线接收器和无线发射器；地下无线通讯模块14和单片机13电连接，都埋 入在环形附加管4中，地上无线通讯模块15则与终端机(计算机)16电连接。

4、上述设计已能基本实现针式传感器在深层土壤水分测量目的。但是为了防止探 针在入土探测的过程中，在不知情的土壤压力下被破坏，为了更好的保护探针，必须 设置一压力传感器，当探针进入土壤后，能够实时探测到探针的前端压力。本发明考 虑使用一小型压力传感器17，如图3所示，设置在针式探头5的后端与探针接触，在 探头前端受到压力时，传递到后端的传感器上。压力传感器17与单片机电相连，在单 片机中设置有压力极限值，当压力传感器17传送回来的信号超过极限值时，单片机就 会上传信号给地面终端机，终端机立刻发出命令，停止电机驱使探头继续向前运动的 操作。当压力保持在可行的压力范围内时，则探针插入土壤，直至测出土壤水分含量， 并将数据发送至单片机，进一步返回至数据终端。

5、由于在探头不工作的过程中，或者在探针伸出缩回的过程中，难免要带进一部 分土，所以本发明进一步考虑设计一可移动的挡板，在探针不工作的时候将探针孔9 挡住，探针工作的时候打开。如图2、3所示的一个曲面隔离板18，设置在一具有同 样曲度的曲面槽中，该板位于传送槽8和探针孔9之间，可将传送槽与探针孔之间的 通道隔离开。

如图4所示，曲面隔离板18也是由一隔离板驱动机构带动移动的，隔离板驱动机 构可以为步进电机带动下的齿轮齿条传动机构，齿条19固定在曲面隔离板18上，齿 轮20由隔离板步进电机21带动，齿轮与齿条啮合从而带动曲面隔离板沿曲面槽上下 移动。当不需探测土壤水分时，水分传感器探针缩回至装置中，电机操控隔离板落下， 挡住探针孔；当传感器探测土壤水分时，隔离板打开，传感器探针伸出。此处的步进 电机21也是由单片机控制的。

综合上述各方面，即可设计出一种对探针全方位保护的探测装置，同时全程无线 传输、自动化控制也实现了深层土壤的测量。利用这种装置对土壤测量的全面控制过 程为：

如图5所示的控制流程图，水分传感器(含针式探头5)、水分传感器步进电机10、 压力传感器17、隔离板步进电机21都与单片机13电连接，单片机13与地下无线通 讯模块14电连接；地上部分包括地上无线通讯模块15、终端机16，两者之间电连接。 地下无线通讯模块14与地上无线通讯模块15之间为无线信号传输，各都包括无线接 收器和无线发射器。

当土钻钻入土体内指定深度后(土钻上有刻度)，通过终端机16发出指令，经地 上无线通讯模块15和地下无线通讯模块14远程发出无线信号，遥控单片机13控制隔 离板步进电机21将曲面隔离板18推下，当隔离板已经将探针孔打开后，隔离板即可 停止。

然后单片机13命令水分传感器步进电机10启动，针式探头5向前移动，伸出探 针孔。针式探头5将测试的水分数据反馈给单片机13，再经无线通讯模块穿至终端机； 压力传感器17同步测量探头压力。如果探头压力大于预设的压力值，单片机13将立 即命令水分传感器步进电机10停止或者反转，将探针缩回。如果探头压力在预设值范 围内，则水分传感器进行取值。

当测量完成后，水分传感器步进电机10反转，将探针缩回，然后单片机13控制 隔离板步进电机21将曲面隔离板18推上，当隔离板已经将探针孔挡住后，隔离板即 可停止。至此，一个周期的测量工作结束。从这个过程中也体现了该装置如何使用。

本发明利用土钻的优势，将土壤水分传感器埋入，该装置的设计构思简单巧妙， 操作方便。在上述的说明中，可以体现出自动伸缩式的传感器探头的设计，可以保证 深层土壤埋入的需求；隔离板的设计，可以保护装置不进土；压力传感器的设计可以 避免水分传感器超负荷工作；无线通讯模块的设计，实现了远程传输及控制。

本装置所用的土壤水分传感器基于市场上所常见的双针结构探测器，可以定制为 探针与探头座分离的型号。由于探针的作用仅仅相当于电极，所以理论上探针分离之 后亦能够起到相同的作用。