用于检测土壤含水率的可见光、近红外土壤含水率传感器

摘要

本发明公开了属于农用传感器技术领域的一种用于检测土壤含水率的可见光、近红外土壤含水率传感器。该土壤含水率传感器上下壳体、连接螺钉、连接凹板、连接螺栓、M形固定架、可见光光源、近红外光源、光源驱动、蓝宝石圆片、InGaAs光电传感器、信号放大模块、储存记录模块、模数转换器和单片机构成，安装在播种机双圆盘开沟器之间，对播种机开出的沟底进行土壤含水率检测，实时获取土壤的含水率，本发明低成本、集成式、用于车载的土壤水分传感器。无需对播种机进行改造。拆装和更换光源或光电传感器方便。可见光、近红外组合光源在获得土壤含水率的同时满足无接触、响应快的要求，传感器尺寸小，体积小，安装简单，拆卸方便。

说明书

技术领域

本发明属于农用传感器技术领域，特别涉及一种用于检测土壤含水率的可见光、近红外土壤含水率传感器。

背景技术

精准农业是现代农业发展的必然趋势，及时准确的农情信息采集是农机精准作业的前提，这一步骤通常通过传感器技术来实现。其中水分作为作物生长最基本需求之一，不仅直接影响农作物生长，也间接影响作物生长条件和土壤环境。实时获取土壤含水量可以为农机具进行播种、施肥、收获等作业提供数据基础，通过获得的数据实时进行相应的调节，以达到最适宜的水分条件，充分利用土壤资源。实时获取土壤含水量可以快速获取田间含水量分布地图，避免了通过静态水分传感器单点采集，能大大减轻采集田间含水量信息劳动强度。

可见光-近红外反射法测量含水率具有速度快、非接触、重复性强等特点，通过选取合适的可见光波段和近红外波段的光源，综合两种土壤对两种光的反射率来确定土壤的含水率，可以做到快速无损水分检测，满足车载实时检测需求的同时，可以做到体积更小、成本更低。

国外目前在利用可见光近红外开发实时土壤水分传感器取得了一定发展，但存在光谱仪价格昂贵、车载光谱仪容易损坏、完全采用长波段近红外光源成本高等问题，限制了这类传感器的推广。国内发展局限于土壤水分的原位测量，可见光近红外测量土壤水分有一定研究，但对实时动态获得土壤含水率鲜有报道。

可见光、近红外组合光源在获得土壤含水率的同时满足无接触、响应快的要求，采用可见光光源降低了成本。InGaAs光电传感器接收反射光具有灵敏度高，响应迅速优点。传感器底部采用蓝宝石圆片，能较好地保证光电传感器接收反射光，提高光束的平行性。传感器通过螺栓安装在U形块上，安装简单，拆卸方便。传感器底部紧贴沟底，前部设计成弧形，尾部设计成楔形，并与导种管末端靠近，具有刮平沟底的作用，使种子下落更加平稳。传感器尺寸小，体积小，无需对播种机进行改造。传感器外壳由下壳体和上壳体组成，并由螺钉连接，拆装和更换光源或光电传感器方便。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于检测土壤含水率的可见光、近红外土壤含水率传感器：该土壤含水率传感器安装在播种机双圆盘开沟器之间，对播种机开出的沟底进行土壤含水率检测；其特征在于，所述土壤含水率传感器由上壳体101、弧面连接螺钉102、侧面连接螺钉103、下壳体104、连接凹板105、连接螺栓106、M形固定架107、可见光光源108、蓝宝石圆片109、InGaAs光电传感器110、近红外光源111、光源驱动112、信号放大模块113、储存记录模块114、模数转换器115、单片机116构成；其中，上壳体101与下壳体104通过二者配合槽口贴合，由两侧对称布置的侧面连接螺钉103与底部弧面连接螺钉102紧密连接；连接凹板105两侧面的螺纹孔通过侧面连接螺钉103与上壳体101连接在一起；连接凹板105底面通过连接螺栓106与M形固定架107固定在一起；可见光光源108与近红外光源111呈45°对称安装于M形固定架107的两个斜面上；两个光源发出的光交汇在下壳体104的底面处，以该处为圆心，在下壳体104底面安装有蓝宝石圆片109；InGaAs光电传感器110与蓝宝石圆片109同心安装在M形固定架107的中间平面处；

所述土壤含水率传感器1安装在播种机的双圆盘开沟器4之间；双圆盘开沟器4呈一定角度对称安装在机架立板6两侧，U形块2焊接在机架立板6位于双圆盘开沟器4之间的后下方，土壤含水率传感器1通过连接螺栓3安装在U形块2上，导种管5安装在机架立板6后方，穿过双圆盘开沟器4，其末端与土壤含水率传感器1的楔形末端在一条竖直线上。

所述可见光光源108、InGaAs光电传感器110与近红外光源111通过导线连接至电路处理模块；电路处理模块包括光源驱动112及由信号放大模块113、模数转换器115、单片机116和储存记录模块114串联电路组成；InGaAs光电传感器110与信号放大模块113连接；可见光光源108与近红外光源111连接至光源驱动112。

所述土壤含水率传感器底部采用蓝宝石圆片，能较好地保证光电传感器接收反射光，提高光束的平行性。

所述土壤含水率传感器底部紧贴沟底，前部设计成弧形，尾部设计成楔形，并与导种管末端靠近，具有刮平沟底的作用，使种子下落更加平稳。

本发明的有益效果是可见光、近红外的土壤含水率传感器能够实时、准确的进行土壤水分检测，响应速度迅速，体积小，安装方便，能满足车载传感器要求，本发明的特点是(1)采用可见光、近红外组合光源进行土壤含水率检测，节约了传感器制造成本。(2)采用InGaAs光电传感器接收反射光具有灵敏度高，响应迅速快的优点。(3)传感器底部采用蓝宝石圆片，能较好地保证光电传感器接收反射光，提高光束的平行性。(4)本发明安装简单，拆卸方便，无需对播种机进行改造。(5)传感器底部紧贴沟底，前部设计成弧形，尾部设计成楔形，并与导种管末端靠近，具有刮平沟底的作用，使种子下落更加平稳。(6)传感器内部结构安装紧凑，体积小，占用空间小。

附图说明

图1为土壤含水率传感器结构示意图。

图2为土壤含水率传感器安装在播种机单体上的总体结构示意图。

图3为土壤含水率传感器安装在播种机单体上右视图

具体实施方式

本发明提出一种用于检测土壤含水率的可见光、近红外土壤含水率传感器：该土壤含水率传感器安装在播种机双圆盘开沟器之间，对播种机开出的沟底进行土壤含水率检测；下面结合实施例和附图，对本发明进一步详细描述。

图1所示为土壤含水率传感器结构示意图。图中所示的土壤含水率传感器是基于可见光、近红外的土壤含水率传感器，该土壤含水率传感器由上壳体101、弧面连接螺钉102、侧面连接螺钉103、下壳体104、连接凹板105、连接螺栓106、M形固定架107、可见光光源108、蓝宝石圆片109、InGaAs光电传感器110、近红外光源111、光源驱动112、信号放大模块113、储存记录模块114、模数转换器115、单片机116构成；其中，上壳体101与下壳体104通过二者配合槽口贴合，由两侧对称布置的侧面连接螺钉103与底部弧面连接螺钉102紧密连接；连接凹板105两侧面的螺纹孔通过侧面连接螺钉103与上壳体101连接在一起；连接凹板105底面通过连接螺栓106与M形固定架107固定在一起；所述土壤含水率传感器底部采用蓝宝石圆片，能较好地保证光电传感器接收反射光，提高光束的平行性。所述土壤含水率传感器底部紧贴沟底，前部设计成弧形，尾部设计成楔形，并与导种管末端靠近，具有刮平沟底的作用，使种子下落更加平稳。可见光光源108与近红外光源111呈45°对称安装于M形固定架107的两个斜面上；两个光源发出的光交汇在下壳体104的底面处，以该处为圆心，在下壳体104底面安装有蓝宝石圆片109；InGaAs光电传感器110与蓝宝石圆片109同心安装在M形固定架107的中间平面处。

所述可见光光源108、InGaAs光电传感器110与近红外光源111通过导线连接至电路处理模块；电路处理模块包括光源驱动112及由信号放大模块113、模数转换器115、单片机116和储存记录模块114串联电路组成；InGaAs光电传感器110与信号放大模块113连接；可见光光源108与近红外光源111连接至光源驱动112。

实施例

图2、图3所示吴土壤含水率传感器安装在播种机单体上的总体结构示意图。其中，土壤含水率传感器1安装在播种机的双圆盘开沟器4之间；双圆盘开沟器4呈一定角度对称安装在机架立板6两侧，U形块2焊接在机架立板6位于双圆盘开沟器4之间的后下方，土壤含水率传感器1通过连接螺栓3安装在U形块2上，导种管5安装在机架立板6后方，穿过双圆盘开沟器4，其末端与土壤含水率传感器1的楔形末端在一条竖直线上。

工作时，双圆盘开沟器4开出窄沟，土壤含水率传感器1下壳体104的弧面将开沟回落的土推开，土壤含水率传感器1下壳体104楔状尾部对沟底进行刮平，种子从导种管5落至刮平的沟底。

土壤含水率传感器1底部平面紧贴沟底，光源驱动112以一定频率驱动可见光光源108与近红外光源111，使两个光源交替发光。可见光光源108发出的光经蓝宝石圆片109入射至沟底土壤，其反射光经蓝宝石圆片109由InGaAs光电传感器110接收。InGaAs光电传感器110将接收的光信号转化为电信号，通过导线传输至信号放大模块113进行电信号放大。经过放大的电信号传输至模数转换器115，将电信号转化成可读的数字信号电压值。同理，可获得近红外光源111经沟底土壤反射后所得到的电压值。单片机116根据前期实验室获得的数学关系，综合可见光光源108与近红外光源111分别经土壤反射后所得到的数字信号，获得土壤的含水率值，并将该值发送给储存记录模块114进行存储记录。