CN108844997B - 一种土壤水盐含量测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种土壤水盐含量测量装置及方法，包括：土壤导电率检测传感器、位置传感器和控制器；所述土壤导电率检测传感器包括若干组相互平行设置且直径不同的圆盘，所述不同直径的圆盘用于检测不同深度土壤的导电率；每个所述圆盘上均设置有电极，所述测量装置在待测土壤区域被拖动装置拖动的过程中，所述圆盘以预设穿插深度穿过所述待测土壤区域的土壤表层，设置在所述圆盘上的电极通电后形成对应的电场；所述控制器用于将同一时间点对应的土壤含盐量信息以及位置信息进行存储，得到所述待测土壤区域中每个位置点的土壤含盐量信息。本发明能快速测量大量的土壤样本，可实时完成土壤水盐含量的测量。

Description

一种土壤水盐含量测量装置及方法
技术领域
本发明涉及农业生产技术领域，具体涉及一种土壤水盐含量测量装置及方法。
背景技术
在进行土质调查时，土壤水盐含量为一项关键指标，也即是说土壤水盐含量的测量需求较大。
现有的土壤水盐含量的测量方式是将土壤样本取回后在实验室采用传统水盐测量仪器进行测量，存在费时费力，精度差，时效性低的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种土壤有机质的自动测量装置，本发明能快速测量大量的土壤样本，可实时完成土壤水盐含量的测量。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供了一种土壤水盐含量测量装置，其特征在于，包括：土壤导电率检测传感器、位置传感器和控制器；
所述土壤导电率检测传感器包括若干组相互平行设置且直径不同的圆盘，所述不同直径的圆盘用于检测不同深度土壤的导电率；所述圆盘表面设置有外凸花纹；
每个所述圆盘上均设置有电极，所述电极通过导线与所述控制器连接，在所述电极通电时，两个圆盘之间形成一个电场，所述控制器采集形成的电场信息以及对应的时间信息；
所述测量装置还包括：支架，所述支架设置在所述土壤导电率检测传感器远离土壤的一端，所述支架上放置有多个超声传感器，所述超声传感器与所述圆盘间隔设置超声传感器，所述超声传感器用于在测量过程中获取电导率测量深度信息；
其中，所述测量装置在待测土壤区域被拖动装置拖动的过程中，所述圆盘以预设穿插深度穿过所述待测土壤区域的土壤表层，设置在所述圆盘上的电极通电后形成对应的电场；相应地，所述控制器用于在所述测量装置被拖动的过程中将采集的电场信息以及对应的测量深度信息和时间信息进行存储；所述控制器还用于将所述位置传感器采集的位置信息以及对应的时间信息进行存储；
所述控制器用于将存储的电场信息与深度和时间的对应关系转换为土壤电导率与深度和时间的对应关系并进行存储；
所述控制器用于根据预设的温度补偿曲线对得到的土壤电导率进行修正；所述预设的温度补偿曲线的横坐标轴为电导率测量深度，纵轴为温度补偿系数；
所述控制器用于根据第一预设转换关系将修正后的土壤电导率与时间的对应关系转换为土壤含盐量与时间的对应关系并进行存储；
所述控制器用于根据第二预设转换关系将修正后的土壤电导率与时间的对应关系转换为土壤含水量与时间的对应关系并进行存储；
所述控制器用于将同一时间点对应的土壤含水量信息以及位置信息进行存储，得到所述待测土壤区域中每个位置点的土壤含水量信息；
所述控制器用于将同一时间点对应的土壤含盐量信息以及位置信息进行存储，得到所述待测土壤区域中每个位置点的土壤含盐量信息。
进一步地，所述控制器用于根据预设的温度补偿曲线对得到的土壤电导率进行修正，包括：
所述控制器将对应深度的土壤电导率乘以对应深度的温度补偿系数，得到修正后的土壤电导率。
进一步地，每个所述圆盘上设置有多个温度传感器，不同圆盘上的温度传感器布置在圆盘上的角度和距离圆心的位置不同；
所述控制器还用于将位于圆盘上的温度传感器采集的温度信息与对应的时间信息进行存储；
所述控制器还用于根据位于圆盘上的温度传感器采集的温度信息以及所述超声传感器采集的电导率测量深度信息生成第一温度补偿曲线；
相应地，所述控制器用于根据所述第一温度补偿曲线对得到的土壤电导率进行修正；所述第一温度补偿曲线的横坐标轴为电导率测量深度，纵轴为温度补偿系数。
进一步地，所述第一预设转换关系为：y＝0.0247x+0.2638，其中，x为电导率，y为土壤含盐量。
进一步地，，所述第二预设转换关系为：y＝2.4736x+3.4979，其中，x为电导率，y为土壤含水量。
进一步地，所述拖动装置与所述土壤导电率检测传感器之间通过平行四连杆机构连接。
进一步地，所述拖动装置为拖拉机，相应地，所述平行四连杆机构固定在所述拖拉机配重铁的位置。
进一步地，所述测量装置还包括：保护地轮，所述保护地轮设置在所述土壤导电率检测传感器上，用于在所述土壤导电率检测传感器被拖动的过程中进行减震。
进一步地，所述保护地轮上配备有压力传感器，用于在所述保护地轮转动过程中测量所述保护地轮的压力状况。
进一步地，所述控制器还用于对所述土壤导电率检测传感器检测到的电场信号进行归一化处理。
由上述技术方案可知，本发明提供的土壤水盐含量测量装置，包括：土壤导电率检测传感器、位置传感器和控制器；所述土壤导电率检测传感器包括若干组相互平行设置且直径不同的圆盘，所述不同直径的圆盘用于检测不同深度土壤的导电率；每个所述圆盘上均设置有电极，所述电极通过导线与所述控制器连接，在所述电极通电时，两个圆盘之间形成一个电场，所述控制器采集形成的电场信息以及对应的时间信息；所述测量装置还包括：支架，所述支架设置在所述土壤导电率检测传感器远离土壤的一端，所述支架上放置有多个超声传感器，所述超声传感器与所述圆盘间隔设置超声传感器，所述超声传感器用于在测量过程中获取电导率测量深度信息；其中，所述测量装置在待测土壤区域被拖动装置拖动的过程中，所述圆盘以预设穿插深度穿过所述待测土壤区域的土壤表层，设置在所述圆盘上的电极通电后形成对应的电场；相应地，所述控制器用于在所述测量装置被拖动的过程中将采集的电场信息以及对应的测量深度信息和时间信息进行存储；所述控制器还用于将所述位置传感器采集的位置信息以及对应的时间信息进行存储；所述控制器用于将存储的电场信息与深度和时间的对应关系转换为土壤电导率与深度和时间的对应关系并进行存储；所述控制器用于根据预设的温度补偿曲线对得到的土壤电导率进行修正；所述预设的温度补偿曲线的横坐标轴为电导率测量深度，纵轴为温度补偿系数；所述控制器用于根据第一预设转换关系将修正后的土壤电导率与时间的对应关系转换为土壤含水量与时间的对应关系并进行存储；所述控制器用于根据第二预设转换关系将修正后的土壤电导率与时间的对应关系转换为土壤含盐量与时间的对应关系并进行存储；所述控制器用于将同一时间点对应的土壤含水量信息以及位置信息进行存储，得到所述待测土壤区域中每个位置点的土壤含水量信息；所述控制器用于将同一时间点对应的土壤含盐量信息以及位置信息进行存储，得到所述待测土壤区域中每个位置点的土壤含盐量信息。可见，本发明可自动快速获取土壤中的水盐含量，省事省力，时效性高，且本发明考虑了温度补偿，利用温度补偿来修正测量精度，因而可以显著提高测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的土壤水盐含量测量装置的结构示意图；
图2是拖动装置与土壤水盐含量测量装置的位置关系示意图；
图3是圆盘上温度传感器的设置位置示意图；
图4是温度补偿系数与电导率测量深度之间的关系示意图；
图5是归一化处理过程示意图；
图6是电导率与土壤含盐量之间的关系示意图；
图7是电导率与土壤含水量之间的关系示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一实施例提供了一种土壤水盐含量测量装置，包括：土壤导电率检测传感器、位置传感器(图中未示出)和控制器；
参见图1，所述土壤导电率检测传感器包括若干组相互平行设置且直径不同的圆盘，所述不同直径的圆盘用于检测不同深度土壤的导电率；例如，所述圆盘直径可以为20～60cm中的任意数值；所述圆盘表面设置有外凸花纹，以增强强度，避免被土壤粘住；
每个所述圆盘上均设置有电极(图中未示出)，所述电极通过导线与所述控制器连接，在所述电极通电时，两个圆盘之间形成一个电场，所述控制器采集形成的电场信息以及对应的时间信息；可以理解的是，所述圆盘可以更换为犁式电极；
所述测量装置还包括：支架，所述支架设置在所述土壤导电率检测传感器远离土壤的一端，所述支架上放置有多个超声传感器，所述超声传感器与所述圆盘间隔设置超声传感器，所述超声传感器用于在测量过程中获取电导率测量深度信息；
其中，所述测量装置在待测土壤区域被拖动装置拖动的过程中，所述圆盘以预设穿插深度穿过所述待测土壤区域的土壤表层，设置在所述圆盘上的电极通电后形成对应的电场；相应地，所述控制器用于在所述测量装置被拖动的过程中将采集的电场信息以及对应的测量深度信息和时间信息进行存储；为达到逐层探测精确控制的目的，优选地，对所述土壤导电率检测传感器检测到的电场信号进行归一化处理，信号强度线性归一化到0-1之间，信号量的单位消除，具体可参见图5所示的信号归一化处理过程；
所述控制器还用于将所述位置传感器采集的位置信息以及对应的时间信息进行存储；
所述控制器用于将存储的电场信息与深度和时间的对应关系转换为土壤电导率与深度和时间的对应关系并进行存储；可以理解的是，所述控制器将土壤电场信息转换为土壤电导率的过程属于现有技术，本实施例对此不再进行详述。
所述控制器用于根据预设的温度补偿曲线对得到的土壤电导率进行修正；所述预设的温度补偿曲线的横坐标轴为电导率测量深度，纵轴为温度补偿系数；
所述控制器用于根据第一预设转换关系将修正后的土壤电导率与时间的对应关系转换为土壤含盐量与时间的对应关系并进行存储；所述第一预设转换关系为预先通过多元回归预测方法得到的土壤含盐量预测模型；
所述控制器用于根据第二预设转换关系将修正后的土壤电导率与时间的对应关系转换为土壤含水量与时间的对应关系并进行存储；所述第二预设转换关系为预先通过多元回归预测方法得到的土壤含水量预测模型；
所述控制器用于将同一时间点对应的土壤含水量信息以及位置信息进行存储，得到所述待测土壤区域中每个位置点的土壤含水量信息；
所述控制器用于将同一时间点对应的土壤含盐量信息以及位置信息进行存储，得到所述待测土壤区域中每个位置点的土壤含盐量信息。
由上面描述可知，本实施例提供的土壤水盐含量测量装置，包括：土壤导电率检测传感器、位置传感器和控制器；所述土壤导电率检测传感器包括若干组相互平行设置且直径不同的圆盘，所述不同直径的圆盘用于检测不同深度土壤的导电率；每个所述圆盘上均设置有电极，所述电极通过导线与所述控制器连接，在所述电极通电时，两个圆盘之间形成一个电场，所述控制器采集形成的电场信息以及对应的时间信息；所述测量装置还包括：支架，所述支架设置在所述土壤导电率检测传感器远离土壤的一端，所述支架上放置有多个超声传感器，所述超声传感器与所述圆盘间隔设置超声传感器，所述超声传感器用于在测量过程中获取电导率测量深度信息；其中，所述测量装置在待测土壤区域被拖动装置拖动的过程中，所述圆盘以预设穿插深度穿过所述待测土壤区域的土壤表层，设置在所述圆盘上的电极通电后形成对应的电场；相应地，所述控制器用于在所述测量装置被拖动的过程中将采集的电场信息以及对应的测量深度信息和时间信息进行存储；所述控制器还用于将所述位置传感器采集的位置信息以及对应的时间信息进行存储；所述控制器用于将存储的电场信息与深度和时间的对应关系转换为土壤电导率与深度和时间的对应关系并进行存储；所述控制器用于根据预设的温度补偿曲线(如图4所示)对得到的土壤电导率进行修正；所述预设的温度补偿曲线的横坐标轴为电导率测量深度，纵轴为温度补偿系数；所述控制器用于根据第一预设转换关系将修正后的土壤电导率与时间的对应关系转换为土壤含水量与时间的对应关系并进行存储；所述控制器用于根据第二预设转换关系将修正后的土壤电导率与时间的对应关系转换为土壤含盐量与时间的对应关系并进行存储；所述控制器用于将同一时间点对应的土壤含水量信息以及位置信息进行存储，得到所述待测土壤区域中每个位置点的土壤含水量信息；所述控制器用于将同一时间点对应的土壤含盐量信息以及位置信息进行存储，得到所述待测土壤区域中每个位置点的土壤含盐量信息。可见，本发明可自动快速获取土壤中的水盐含量，省事省力，时效性高，且本发明考虑了温度补偿，利用温度补偿来修正测量精度，因而可以显著提高测量精度。
在一种优选实施方式中，所述控制器用于根据预设的温度补偿曲线(如图4所示)对得到的土壤电导率进行修正，包括：
所述控制器将对应深度的土壤电导率乘以对应深度的温度补偿系数，得到修正后的土壤电导率。
在一种优选实施方式中，每个所述圆盘上设置有多个温度传感器，不同圆盘上的温度传感器布置在圆盘上的角度和距离圆心的位置不同；
所述控制器还用于将位于圆盘上的温度传感器采集的温度信息与对应的时间信息进行存储；
所述控制器还用于根据位于圆盘上的温度传感器采集的温度信息以及所述超声传感器采集的电导率测量深度信息生成第一温度补偿曲线；
相应地，所述控制器用于根据所述第一温度补偿曲线对得到的土壤电导率进行修正；所述第一温度补偿曲线的横坐标轴为电导率测量深度，纵轴为温度补偿系数。
可以理解的是，在生成第一温度补偿曲线时，可以将对应深度段采集的温度值与该深度段的预设温度值进行作差，根据差值确定该深度段的温度补偿系数。
可以理解的是，可以将圆盘上多个温度传感器采集的温度值均值作为采集的温度值。
可以理解的是，每次可以安装8个圆盘，其中3个是测量盘(图中1，3，4，可以更换角色)，1个是发射盘，顺序可以调换组合。一共有六组圆盘，共计48个圆盘可进行组合。每组圆盘的区别是温度传感器布置在圆盘上的角度和距离圆心的位置不同。参见图3所示，圆盘上的传感器布置位置不同，目的是避免土壤中不均匀沙粒的摩擦引起温度异常，采用不同布置位置可有效消除误差。
本实施例在采集土壤电磁场信息的同时采集温度值，根据对应深度温度值对电磁场信息(也即电导率信息)进行修正，从而获得较为准确的测量结果。
在一种优选实施方式中，所述圆盘通过电刷连接到控制器上，控制器通过算法不断产生调制电场，同时接收土壤传导过来的其他次生磁场，将这些电压信号同位置点(如GPS点)结合起来已对应保存。在本实施例中，电场的调制程序和不同圆盘的直径是密切关联的。调制信号的输出也可圆盘直径的参数关联，这样可以提高获取土壤电导数据的精度。在一组圆盘中，一个是发射端，另一个为接收端，其中，发射端频率为正弦信号，频率是450HZ。发射端采用离散元件构成RC震荡电路产生正弦信号。具体为在传统RC震荡电路上外加一个负反馈(针对幅值用一个放大器和一个场效应管进行稳定和优化)，这样可以确保能够获得稳定的电磁场信号进而可以得到较为准确的测量结果。
在一种优选实施方式中，参见图6，所述第一预设转换关系为：y＝0.0247x+0.2638。也即土壤含盐量预测模型为：y＝0.0247x+0.2638，模型决定系数R2＝0.9682。
在一种优选实施方式中，参见图7，所述第二预设转换关系为：y＝2.4736x+3.4979。也即土壤含水量预测模型为：y＝2.4736x+3.4979，模型决定系数R2＝0.9689。
在一种优选实施方式中，参见图2，所述拖动装置与所述土壤导电率检测传感器之间通过平行四连杆机构连接。
在一种优选实施方式中，所述拖动装置为拖拉机，相应地，所述平行四连杆机构固定在所述拖拉机配重铁的位置。
在本实施例中，所述土壤导电率检测传感器固定在拖拉机前方，拖拉机前方1.5米范围内螺栓固定前置测量土壤有机质，所述距离通过螺栓和U型孔调节。
可以理解的是，采用平行四连杆机构，特点是土壤导电率检测传感器升高或降低，土壤导电率检测传感器不会改变角度。优点是结构简单，易于拆卸。本实施例依靠该机构保持前置的传感器机构不会倾斜，保持测量角度不变，确保农田的起伏不会干扰测量，提高测量精确性。
可以理解的是，土壤导电率检测传感器固定在拖拉机前方，目的是前进中测量，可以在后方牵引变量执行机具，也可以不携带机具单独测量。
在一种优选实施方式中，所述测量装置还包括：保护地轮，所述保护地轮设置在所述土壤导电率检测传感器上，用于在所述土壤导电率检测传感器被拖动的过程中进行减震。
在一种优选实施方式中，所述保护地轮上配备有压力传感器，用于在所述保护地轮转动过程中测量所述保护地轮的压力状况。
可以理解的是，增加保护地轮可以避免所述土壤导电率检测传感器被农田的秸秆顶起后落下时受到较大冲击而损坏，通过地轮发挥减震作用。此外，在地轮处配备有压力传感器，当根据压力传感器信号检测到地轮腾空时可以标注此时的信号是异常的，该时刻信号不参与电导率分析。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种土壤水盐含量测量装置，其特征在于，包括：土壤导电率检测传感器、位置传感器和控制器；
所述土壤导电率检测传感器包括若干组相互平行设置且直径不同的圆盘，所述不同直径的圆盘用于检测不同深度土壤的导电率；所述圆盘表面设置有外凸花纹；
每个所述圆盘上均设置有电极，所述电极通过导线与所述控制器连接，在所述电极通电时，两个圆盘之间形成一个电场，所述控制器采集形成的电场信息以及对应的时间信息；
所述测量装置还包括：支架，所述支架设置在所述土壤导电率检测传感器远离土壤的一端，所述支架上放置有多个超声传感器，所述超声传感器与所述圆盘间隔设置，所述超声传感器用于在测量过程中获取电导率测量深度信息；
其中，所述测量装置在待测土壤区域被拖动装置拖动的过程中，所述圆盘以预设穿插深度穿过所述待测土壤区域的土壤表层，设置在所述圆盘上的电极通电后形成对应的电场；相应地，所述控制器用于在所述测量装置被拖动的过程中将采集的电场信息以及对应的测量深度信息和时间信息进行存储；所述控制器还用于将所述位置传感器采集的位置信息以及对应的时间信息进行存储；
所述控制器用于将存储的电场信息与深度和时间的对应关系转换为土壤电导率与深度和时间的对应关系并进行存储；
所述控制器用于根据预设的温度补偿曲线对得到的土壤电导率进行修正；所述预设的温度补偿曲线的横坐标轴为电导率测量深度，纵轴为温度补偿系数；
所述控制器用于根据第一预设转换关系将修正后的土壤电导率与时间的对应关系转换为土壤含盐量与时间的对应关系并进行存储；
所述控制器用于根据第二预设转换关系将修正后的土壤电导率与时间的对应关系转换为土壤含水量与时间的对应关系并进行存储；
所述控制器用于将同一时间点对应的土壤含水量信息以及位置信息进行存储，得到所述待测土壤区域中每个位置点的土壤含水量信息；
所述控制器用于将同一时间点对应的土壤含盐量信息以及位置信息进行存储，得到所述待测土壤区域中每个位置点的土壤含盐量信息；
还包括：保护地轮，所述保护地轮设置在所述土壤导电率检测传感器上，用于在所述土壤导电率检测传感器被拖动的过程中进行减震；每个所述圆盘上设置有多个温度传感器，不同圆盘上的温度传感器布置在圆盘上的角度和距离圆心的位置不同；所述控制器还用于将位于圆盘上的温度传感器采集的温度信息与对应的时间信息进行存储；所述控制器还用于根据位于圆盘上的温度传感器采集的温度信息以及所述超声传感器采集的电导率测量深度信息生成第一温度补偿曲线；相应地，所述控制器用于根据所述第一温度补偿曲线对得到的土壤电导率进行修正；所述第一温度补偿曲线的横坐标轴为电导率测量深度，纵轴为温度补偿系数。
2.根据权利要求1所述测量装置，其特征在于，所述控制器用于根据预设的温度补偿曲线对得到的土壤电导率进行修正，包括：
所述控制器将对应深度的土壤电导率乘以对应深度的温度补偿系数，得到修正后的土壤电导率。
3.根据权利要求1所述测量装置，其特征在于，所述第一预设转换关系为：y＝0.0247x+0.2638，其中，x为电导率，y为土壤含盐量。
4.根据权利要求1所述测量装置，其特征在于，所述第二预设转换关系为：y＝2.4736x+3.4979，其中，x为电导率，y为土壤含水量。
5.根据权利要求1所述测量装置，其特征在于，所述拖动装置与所述土壤导电率检测传感器之间通过平行四连杆机构连接。
6.根据权利要求5所述测量装置，其特征在于，所述拖动装置为拖拉机，相应地，所述平行四连杆机构固定在所述拖拉机配重铁的位置。
7.根据权利要求1所述测量装置，其特征在于，所述保护地轮上配备有压力传感器，用于在所述保护地轮转动过程中测量所述保护地轮的压力状况。
8.根据权利要求1所述测量装置，其特征在于，所述控制器还用于对所述土壤导电率检测传感器检测到的电场信号进行归一化处理。
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