CN102262183A - 基于电流-电压四端法检测土壤电导率的多组态检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流-电压四端法检测土壤电导率的多组态检测装置，其特征是设置检测结构为：各激励电极和各信号检测电极处在相同的高度位置上、并按以下次序呈单列间隔设置：第一检测电极、第二检测电极、第一激励电极、第三检测电极、第四检测电极、第二激励电极、第五检测电极和第六检测电极；第一激励电极位于第二检测电极和第三检测电极之间的中心位置处，第二激励电极位于第四检测电极和第五检测电极之间的中心位置处；相邻的检测电极之间距离相等；以各信号检测电极之间的两两组合构成多组态检测装置。本发明可以同时检测多区域、多层土壤的电导率，检测区域大，可有效提高检测效率和检测精度。

Description

基于电流-电压四端法检测土壤电导率的多组态检测装置

技术领域

本发明涉及土壤电导率检测领域，特别涉及一种基于电流-电压四端法检测土壤电导率的多组态检测装置。

背景技术

土壤电导率能不同程度地反映土壤中的盐分、水分、有机质含量、速效养分、土壤质地结构和孔隙率等参数的大小，是研究土壤不可或缺的重要参数。特别是在土壤盐渍化评估、土壤改良和精准农业等方面，土壤电导率的检测是必须的。土壤电导率的检测方法分为非接触式和接触式两种。非接触式方法以加拿大Geonics limited公司生产的电磁感应大地电导率仪(EM系列)为代表，不需要接触土壤就可进行测量，具有测量快速、高效、成本低的优点。但是受制于电磁感应的测量原理，仪器放置的相对位置、环境电磁场、甚至人体所附带的金属配件等都会对检测造成较大的误差。土壤电导率的接触式检测基于电流-电压四端法原理，克服了非接触式电磁感应测量的缺点，但是需要将检测电极***土壤中与土壤良好接触，基于这一原理的检测仪器目前国内外已经大量商品化，例如美国Veris technologies公司生产的3100型土壤电导率测量仪，基于电流-电压四端法测量原理，且为机载型，可由机械牵引在田间直接测量。该检测仪器具有一对激励电极和两对测量电极，两对测量电极分别测量浅层土壤和深层土壤的电导率。国内有关研究文献和申请专利也都是在此基础上的少许改进，比如：

申请号：200510092989.4、公开日：2007.02.28的“多用途车载式土壤电导率实时测试仪”由电极传感器单元、数据采集和处理单元组成，电极传感器单元由支撑架、车轮和柱状电极组成，其中车轮和柱状电极固定在支撑架上；数据采集和处理单元包括电源转换电路、信号转换放大电路、模数转换器、处理器和液晶显示电路；数据采集和处理单元通过一根多芯电缆，分别与电极传感器单元上的电极引线电联接。该测试仪运用“电流-电压四端法”的原理，采用六柱式电极，其电极设计合理、科学，坚实耐用，对农田土壤破坏较小，由于采用分体式设计，因此即使电极入土端损坏也可方便更换。但是，与美国Veris technologies公司生产的系列土壤电导率测量仪一样，该技术方案中只设置了两对测量电极，一对用于浅层土壤电导率测量，另一对用于深层土壤电导率测量，其测量的土壤范围有限，无法满足现今大型农机(例如美国约翰迪尔公司生产的农机的作业宽幅达到15m)配套使用的需要；另外，该发明采用柱式电极设计，在车载检测时要翻动土壤，其使用场合会受到限制。

发明内容

本发明是针对已有技术的不足，提供一种基于电流-电压四端法检测土壤电导率的多组态检测装置，以实现大范围的同时检测，并可同时检测不同深度的多层次土壤电导率。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于电流-电压四端法检测土壤电导率的多组态检测装置的特点是设置检测结构为：

一对激励电极分别是第一激励电极和第二激励电极；

一组信号检测电极分别是第一信号检测电极、第二信号检测电极、第三信号检测电极、第四信号检测电极、第五信号检测电极和第六信号检测电极；

所述各激励电极和各信号检测电极处在相同的高度位置上、并按以下次序呈单列间隔设置：第一检测电极、第二检测电极、第一激励电极、第三检测电极、第四检测电极、第二激励电极、第五检测电极和第六检测电极；

所述第一激励电极位于第二检测电极和第三检测电极之间的中心位置处，所述第二激励电极位于第四检测电极和第五检测电极之间的中心位置处；相邻的检测电极之间距离相等；

以各信号检测电极之间的两两组合构成多组态检测装置。

本发明基于电流-电压四端法检测土壤电导率的多组态检测装置的特点也在于：

所述一对激励电极和一组信号检测电极为大小相等的各轮式刀片，所述各轮式刀片分别通过支架设置在机架上，在所述机架上分别设置有左侧车轮、右侧车轮，以及用于与牵引机械相连接的牵引连接机构。

设置检测电路为：

以电源为电源转换电路和传感器激励电路提供工作电源，由传感器激励电路产生的交变稳压或稳流源提供给激励电极以产生信号检测电极检测所需的激励信号；所述信号检测电极获得的检测信号依次经过输出信号调理电路和A/D转换电路转换成数字信号输入至单片处理器；

所述单片处理器通过通讯电路与上位机通讯以处理和保存数据，所述单片处理器与显示装置连接，以显示检测数值。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明采用六个信号检测电极，分别获取各自的电位值，通过六个电极的两两组合得到多个不同的电压值，以此为基础获得多个区域及其不同深度层的土壤电导率数据，因此其检测范围大，检测效率高。

2、本发明的激励电极和信号检测电极安装在电极安装固定机架上，电极之间的间距可根据需要灵活调整以便适应不同深度层土壤电导率检测的要求。由于土壤具有导电能力，可视为导体，在两激励电极之间施加稳恒电压或稳恒电流时，在两激励电极之间及其周围以及一定深度的土壤中就有电流流过，形象地说就是有许多近似纺锤状的电力线从一个激励电极出发，分别经过不同的路径到达另一个激励电极，有的电力线从一个激励电极出发，经过表层土壤就直接到达另一个激励电极，而有的电力线从一个激励电极出发，通过深层土壤才能到达另一个激励电极，显然，电力线所能深入的土壤深度与两激励电极之间的距离有关，即两激励电极之间的距离小，电力线所能深入的土壤深度就浅，两激励电极之间的距离大，电力线所能深入的土壤深度就深。另一方面，两检测电极之间的距离小，则只有那些通过浅层土壤的电力线能与它们相连，即该两检测电极只能检测浅层土壤的电导率，反之，两检测电极之间的距离大，则那些通过深层土壤的电力线能与它们相连，即该两检测电极能检测深层土壤的电导率。因此通过调整电极之间的间距可获得不同深度层次的土壤电导率。

3、本发明采用轮式刀片状电极，轮式刀片可直接***土壤中并与土壤良好地接触，因而可提高检测精度，轮式刀片状电极安装在电极安装固定机架上，该机构可由机械牵引前进，在移动的过程中连续不断地对土壤电导率进行检测，因而可大大提高检测效率，降低检测成本。

附图说明

图1为基于电流-电压四端法的多组态土壤电导率检测装置***框图；

图2为图1中的激励电极和信号检测电极结构和安装方式示意图；

图中标号：11机架；12左侧车轮；13右侧车轮；14牵引连接机构；41第一激励电极；42第二激励电极；51第一检测电极；52第二检测电极；53第三检测电极；54第四检测电极；55第五检测电极；56第六检测电极。

具体实施方案

参见图1，本实施例中基于电流-电压四端法的多组态土壤电导率检测装置包括设置电源为电源转换电路和传感器激励电路提供电源，传感器激励电路产生交变稳压或稳流源提供给激励电极以产生信号检测电极检测所需的激励信号，激励电极在一定区域和深度的土壤中产生微弱的电流，因而在该区域土壤中的不同位置具有不同的电位，处于不同位置的六个信号检测电极上会产生不同的电位输出，信号检测电极所获得的信号首先经过输出信号调理电路调理后再通过A/D转换电路转换成数字信号输入单片处理器，单片处理器与通讯电路连接可与上位机通讯以便处理和保存数据，单片处理器和显示装置连接可直接显示检测数值。

参见图2，第一激励电极41和第二激励电极42以及第一信号检测电极51、第二信号检测电极52、第三信号检测电极53、第四信号检测电极54、第五信号检测电极55和第六信号检测电极56排列成一条直线，第一激励电极41位于第二信号检测电极52和第三信号检测电极53之间的中心位置，第二激励电极42位于第四信号检测电极54和第五信号检测电极55之间的中心位置，第一信号检测电极51和第二信号检测电极52位于第一激励电极41的左侧，第三信号检测电极53和第四信号检测电极54位于第一激励电极41和第二激励电极42之间，第五信号检测电极55和第六信号检测电极56位于第二激励电极42的右侧，第一信号检测电极51与第二信号检测电极52之间、第二信号检测电极52与第三信号检测电极53之间、第三信号检测电极53与第四信号检测电极54之间、第四信号检测电极54与第五信号检测电极55之间以及第五信号检测电极55与第六信号检测电极56之间的间距相等，第一激励电极41和第二激励电极42通过电缆与传感器激励电路3相连，第一信号检测电极51、第二信号检测电极52、第三信号检测电极53、第四信号检测电极54、第五信号检测电极55和第六信号检测电极53分别通过电缆与输出信号调理电路5相连。第一激励电极41和第二激励电极42以及第一信号检测电极51、第二信号检测电极52、第三信号检测电极53、第四信号检测电极54、第五信号检测电极55和第六信号检测电极56为大小相同的轮式刀片，安装在电极安装固定机架11上，机架11上分别设置左侧车轮12和右侧车轮13以便在机械牵引下行驶，电极安装固定机构11还设置有与牵引机械连接的机械牵引连接机构14。

以各信号检测电极之间的两两组合构成多组态，得到多个两两信号检测电极之间的电压输出值，对应于两两信号检测电极之间的土壤特性信息，依据两两信号检测电极之间的电压输出值结合电流值数据和两两信号检测电极之间的距离以及它们与激励电极之间的位置关系可确定两两信号检测电极之间土壤的电导率，两两信号检测电极之间的距离决定了检测土壤电导率所能达到的检测深度，所以通过信号检测电极之间的多种组合，可分别检测不同深度土壤的电导率。

参见表1，六个信号检测电极以两两相组合，理论上可以组合成十五个不同的组态，通过各个信号检测电极的电位输出可得到十五个电压降数值，再依据每个电极的位置关系可分别确定所检测区域的土壤电导率，这十五个不同的组态可得到五个相邻区域的表层土壤电导率、四个区域的表下层土壤电导率、三个区域的中层土壤电导率、两个区域的中下层土壤电导率和一个深层土壤电导率，表1中的右上半部为十五个检测区域，左下半部为十五个检测区域所对应的检测深度

表1 六个信号检测电极两两组合的方式及其检测区域

Claims (3)

1.一种基于电流-电压四端法检测土壤电导率的多组态检测装置，其特征是设置检测结构为：

一对激励电极分别是第一激励电极(41)和第二激励电极(42)；

一组信号检测电极分别是第一信号检测电极(51)、第二信号检测电极(52)、第三信号检测电极(53)、第四信号检测电极(54)、第五信号检测电极(55)和第六信号检测电极(56)；

所述各激励电极和各信号检测电极处在相同的高度位置上、并按以下次序呈单列间隔设置：第一检测电极(51)、第二检测电极(52)、第一激励电极(41)、第三检测电极(53)、第四检测电极(54)、第二激励电极(42)、第五检测电极(55)和第六检测电极(56)；

所述第一激励电极(41)位于第二检测电极(52)和第三检测电极(53)之间的中心位置处，所述第二激励电极(42)位于第四检测电极(54)和第五检测电极(55)之间的中心位置处；相邻的检测电极之间距离相等；

以各信号检测电极之间的两两组合构成多组态检测装置。

2.根据权利要求1所述的基于电流-电压四端法检测土壤电导率的多组态检测装置，其特征是所述一对激励电极和一组信号检测电极为大小相等的各轮式刀片，所述各轮式刀片分别通过支架设置在机架(11)上，在所述机架(11)上分别设置有左侧车轮(12)、右侧车轮(13)，以及用于与牵引机械相连接的牵引连接机构(14)。

3.根据权利要求1所述的基于电流-电压四端法检测土壤电导率的多组态检测装置，其特征是设置检测电路为：

以电源为电源转换电路和传感器激励电路提供工作电源，由传感器激励电路产生的交变稳压或稳流源提供给激励电极以产生信号检测电极检测所需的激励信号；所述信号检测电极获得的检测信号依次经过输出信号调理电路和A/D转换电路转换成数字信号输入至单片处理器；

所述单片处理器通过通讯电路与上位机通讯以处理和保存数据，所述单片处理器与显示装置连接，以显示检测数值。

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