CN109459333A - 便携式土壤含水量及容重测量装置和土壤含水量及容重测量方法 - Google Patents

便携式土壤含水量及容重测量装置和土壤含水量及容重测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种便携式土壤含水量及容重测量装置和土壤含水量及容重测量方法，便携式土壤含水量及容重测量装置包括：土壤含水量测量装置、土壤重量测量装置、底座和用于取土的环刀；土壤含水量测量装置包括：两个用于检测土壤含水量的UWB传感器；两个UWB传感器位于环刀的两侧；土壤重量测量装置包括：环刀放置架和重量传感器；环刀放置架形成有放置环刀的放置槽；环刀放置架固定至重量传感器；重量传感器固定至底座；底座设有供用户输入参数并能显示测量结果的触控屏。本发明的有益之处在于能够精准测量土壤中的含水量以及土壤的容重。

Description

便携式土壤含水量及容重测量装置和土壤含水量及容重测量 方法
技术领域
本发明涉及一种便携式土壤含水量及容重测量装置和土壤含水量及容重测量方法。
背景技术
土壤含水量一般是指土壤绝对含水量，即100g烘干土中含有若干克水分，也称土壤含水率。测定土壤含水量可掌握作物对水的需要情况，对农业生产有很重要的指导意义。一般采用烘干称重法测量土壤含水量，具体有恒温箱烘干法、酒精燃烧法、红外线烘干法等。现有的烘干称重法在测量时需要的烘干设备携带不方便。在测量时，工作人员采样后要将采集的土壤搬运到烘干设备进行烘干，在搬运途中会造成土壤中水分蒸发从而使得测量结果存在不同程度的误差。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有密封的测量空间并能多方位精准测量的便携式土壤含水量及容重测量装置以及采用该装置的测量方法。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种便携式土壤含水量及容重测量装置，包括：土壤含水量测量装置、土壤重量测量装置、底座和用于取土的环刀；土壤含水量测量装置包括：两个用于检测土壤含水量的UWB传感器；两个UWB传感器位于环刀的两侧；土壤重量测量装置包括：环刀放置架和重量传感器；环刀放置架形成有放置环刀的放置槽；环刀放置架固定至重量传感器；重量传感器固定至底座；底座设有供用户输入参数并能显示测量结果的触控屏。
进一步地，便携式土壤含水量及容重测量装置还包括：分别调节两个UWB传感器的位置的两个自动调节装置；自动调节装置包括：水平移动电机、垂直移动电机、导向筋组、第一活动件、第一螺杆、第二螺杆、导向架和第二活动件；导向筋组包括两个导向第一活动件运动的导向筋；两个导向筋固定至底座；两个导向筋之间形成有导向第一活动件相对于底座运动的第一导向通道；水平移动电机固定至底座；水平移动电机驱动第一螺杆绕第一轴线转动；第一活动件通过螺纹与第一螺杆配合从而由第一螺杆驱动相对于底座沿第一轴线方向运动；垂直移动电机驱动第二螺杆绕第二轴线转动；垂直移动电机和导向架固定至第一活动件；导向架形成有导向第二活动件相对于第一活动件运动的第二导向通道；垂直移动电机驱动第二螺杆转动；第二活动件通过螺纹与第二螺杆配合从而由第二螺杆驱动相对于第一活动件沿第二轴线方向运动；第二轴线垂直于第一轴线；UWB传感器安装至第二活动件。
进一步地，便携式土壤含水量及容重测量装置还包括调节UWB传感器相对于第二活动件位置的手动微调装置；手动微调装置包括：激光发射器、激光照射靶、发射器支架、靶支架、活动块、第三螺杆、传感器固定板、连接板、调节螺栓、弹簧和螺母；激光发射器固定至发射器支架；激光照射靶固定至靶支架；发射器支架和靶支架分别固定至两个第二活动件；UWB传感器固定至传感器固定板；第二活动件形成有滑槽；活动块在滑槽内移动；调节螺栓与第二活动件通过螺纹配合；调节螺栓一端与活动块接触；调节螺栓和弹簧分别接触活动块的两端；活动块形成有通孔；第三螺杆穿过通孔；螺母和第三螺杆通过螺纹配合；连接板的两端固定至第三螺杆和传感器固定板；连接板和螺母位于第二活动件的两侧。
进一步地，弹簧为压缩弹簧；弹簧位于滑槽内；弹簧的两端分别接触滑槽的槽壁和活动块。
进一步地，传感器固定板贴合第二活动件并能相对于第二活动件运动。
进一步地，环刀放置架包括：限制环刀位置的端面部和形成放置槽的侧面部；两个端面部连接至侧面部的两侧；环刀的外圆周壁与放置槽的壁贴合；环刀的端面与端面部贴合。
进一步地，端面部的高度小于侧面部的高度；放置槽的槽深小于等于环刀的半径。
进一步地，便携式土壤含水量及容重测量装置还包括：电路板和可充电电池；电路板设有MCU芯片；可充电电池为UWB传感器和重量传感器供电；底座形成有容纳腔；可充电电池和电路板位于容纳腔内。
进一步地，便携式土壤含水量及容重测量装置还包括：防护箱和活动盖；防护箱安装至底座以覆盖土壤含水量测量装置、土壤重量测量装置和环刀；活动盖滑动连接至防护箱。
进一步地，采用以上所述的便携式土壤含水量及容重测量装置；利用便携式土壤含水量及容重测量装置的环刀取土样；将带有土样的环刀放置到便携式土壤含水量及容重测量装置的放置槽内；触控屏显示土样的含水量和容重。
发明的有益之处在于：便携式土壤含水量及容重测量装置能够在多个位置精确测量土壤中含水量以及容重。改用该装置的土壤含水量及容重测量方法测试准确。
附图说明
图1是一种便携式土壤含水量及容重测量装置的示意图；
图2是图1中便携式土壤含水量及容重测量装置的防护箱内结构的示意图；
图3是图1中便携式土壤含水量及容重测量装置的防护箱内结构的俯视图；
图4是图1中便携式土壤含水量及容重测量装置的防护箱内结构的***图；
图5是图1中便携式土壤含水量及容重测量装置的自动调节装置结构的示意图，示出了第一活动件移动到第一导向通道的一端；
图6是图1中便携式土壤含水量及容重测量装置的自动调节装置结构的另一个示意图，示出了第一活动件移动至远离第一导向通道一端的位置；
图7是图1中便携式土壤含水量及容重测量装置的自动调节装置的部分结构的示意图图；
图8是图1中便携式土壤含水量及容重测量装置的手动微调装置结构的示意图，示出了第三螺杆调节到某一个位置；
图9是图1中便携式土壤含水量及容重测量装置的手动微调装置结构的另一个示意图，示出了第三螺杆调节到另一个位置；
图10是图1中便携式土壤含水量及容重测量装置的手动微调装置结构的正视图；
图11是图1中便携式土壤含水量及容重测量装置的手动微调装置结构的***图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
如图1至图11所示，一种便携式土壤含水量及容重测量装置100，包括：土壤含水量测量装置101、土壤重量测量装置102、底座103和用于取土的环刀104；土壤含水量测量装置101包括：两个用于检测土壤含水量的UWB传感器105；两个UWB传感器105位于环刀104的两侧；土壤重量测量装置102包括：环刀放置架106和重量传感器107；环刀放置架106形成有放置环刀104的放置槽108；环刀放置架106固定至重量传感器107；重量传感器107固定至底座103；底座103设有供用户输入参数并能显示测量结果的触控屏110。
作为一种优选的实施方式，便携式土壤含水量及容重测量装置100还包括：分别调节两个UWB传感器105的位置的两个自动调节装置111；自动调节装置111包括：水平移动电机112、垂直移动电机113、导向筋组114、第一活动件115、第一螺杆116、第二螺杆117、导向架118和第二活动件119；导向筋组114包括两个导向第一活动件115运动的导向筋120；两个导向筋120固定至底座103；两个导向筋120之间形成有导向第一活动件115相对于底座103运动的第一导向通道121；水平移动电机112固定至底座103；水平移动电机112驱动第一螺杆116绕第一轴线122转动；第一活动件115通过螺纹与第一螺杆116配合从而由第一螺杆116驱动相对于底座103沿第一轴线122方向运动；垂直移动电机113驱动第二螺杆117绕第二轴线109转动；垂直移动电机113和导向架118固定至第一活动件115；导向架118形成有导向第二活动件119相对于第一活动件115运动的第二导向通道123；垂直移动电机113驱动第二螺杆117转动；第二活动件119通过螺纹与第二螺杆117配合从而由第二螺杆117驱动相对于第一活动件115沿第二轴线109方向运动；第二轴线109垂直于第一轴线122；UWB传感器105安装至第二活动件119。
作为一种优选的实施方式，便携式土壤含水量及容重测量装置100还包括调节UWB传感器105相对于第二活动件119位置的手动微调装置124；手动微调装置124包括：激光发射器125、激光照射靶126、发射器支架127、靶支架128、活动块129、第三螺杆130、传感器固定板131、连接板132、调节螺栓133、弹簧134和螺母135；激光发射器125固定至发射器支架127；激光照射靶126固定至靶支架128；发射器支架127和靶支架128分别固定至两个第二活动件119；UWB传感器105固定至传感器固定板131；第二活动件119形成有滑槽136；活动块129在滑槽136内移动；调节螺栓133与第二活动件119通过螺纹配合；调节螺栓133一端与活动块129接触；调节螺栓133和弹簧134分别接触活动块129的两端；活动块129形成有通孔137；第三螺杆130穿过通孔137；螺母135和第三螺杆130通过螺纹配合；连接板132的两端固定至第三螺杆130和传感器固定板131；连接板132和螺母135位于第二活动件119的两侧。
作为一种优选的实施方式，弹簧134为压缩弹簧；弹簧134位于活动槽内；弹簧134的两端分别接触活动槽的槽壁和活动块129。
作为一种优选的实施方式，传感器固定板131贴合第二活动件119并能相对于第二活动件119运动。
作为一种优选的实施方式，环刀放置架106包括：限制环刀104位置的端面部138和形成放置槽108的侧面部139；两个端面部138连接至侧面部139的两侧；环刀104的外圆周壁与放置槽108的壁贴合；环刀104的端面140与端面部138贴合。
作为一种优选的实施方式，端面部138的高度小于侧面部139的高度；放置槽108的槽深小于等于环刀104的半径。
作为一种优选的实施方式，便携式土壤含水量及容重测量装置100还包括：电路板141和可充电电池142；电路板141设有MCU芯片143；可充电电池142为UWB传感器105和重量传感器107供电；底座103形成有容纳腔；可充电电池142和电路板141位于容纳腔内。
作为一种优选的实施方式，便携式土壤含水量及容重测量装置100还包括：防护箱145和活动盖146；防护箱145安装至底座103以覆盖土壤含水量测量装置101、土壤重量测量装置102和环刀104；活动盖146滑动连接至防护箱145。
作为一种优选的实施方式，采用以上所述的便携式土壤含水量及容重测量装置100；利用便携式土壤含水量及容重测量装置100的环刀104取土样；将带有土样的环刀104放置到便携式土壤含水量及容重测量装置100的放置槽108内；触控屏110显示土样的含水量和容重。
工作原理：便携式土壤含水量及容重测量装置100的环刀104成管状且具有可以容纳样土的中心孔。两个UWB传感器105分别位于环刀104的两侧且朝向并对齐中心孔的两端。
用户可以通过触控屏110输入不同的参数，如当选用不同型号和重量的环刀104时可以通过触控屏110将环刀104的型号参数和重量参数输入上传到MCU芯片143中以便进行计算。便携式土壤含水量及容重测量装置100的测量数据和计算结果均显示在触控屏110上，供用户读取。
在初次使用便携式土壤含水量及容重测量装置100时，重量传感器107将未抓取样土时的环刀104和环刀放置架106的重量进行测量并将测量的数据传输到MCU芯片143。MCU芯片143将重量传感器107上传的数据作为初始数据记录下并在以后的每次测量时将这个初始数据归零。当环刀104抓取样土被放置到环刀放置架106上后，MCU芯片143将环刀104和环刀放置架106的重量数据归零从而使得重量传感器107测量的数据即为样土的重量。以此，不必每次测量土壤含水量以及容重时都需要对环刀104和环刀放置架106的重量进行手动归零。当需要对初始数据进行更改时可以通过触控屏110重新设置。
作为UWB传感器的使用，一般用来检测距离。进一步，可以通过多个空间距离实现空间定位。UWB传感器的基础工作原理是采用飞行时间测距法。飞行时间测距法主要利用信号在两个异步收发机之间飞行时间来测量节点间的距离。双向飞行时间法每个模块从启动开始即会生成一条独立的时间戳。模块A的发射机在其时间戳上的Ta1发射请求性质的脉冲信号，模块B在Tb2时刻发射一个响应性质的信号，被模块A在自己的时间戳Ta2时刻接收。由此可以计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间，从而确定飞行距离S。
距离：S＝C[(Ta2-Ta1)-(Tb2-Tb1)](C为光速)。
本申请利用电磁波在不同介质中传播速度不同的原理，将传统的UWB传感器作为一种新的使用方式，放置到待测物体的两侧，介质直接影响了UWB传感器的检测数据，或者说UWB传感器检测的数据由电磁波所经过的介质所影响。UWB传感器释放的电磁波穿过了土壤，土壤中不同成分占比直接影响了电磁波的传输速度，从而影响UWB传感器的测量数据。
对UWB传感器105发射电磁波穿透土壤试样。不同介质的介电常数不同，电磁波在不同介质中的传输速度不同。常见的介质的介电常数可参考下表。
常见介质的介电常数表
介质名称 介电常数 介质名称 介电常数
空气 1 干燥煤粉 2.2
洗衣粉 1.1～1.3 石膏 1,8～2.5
液态煤气 1.2～1.7 食用油 2～4
塑料粒 1.5～2 粮食 2.5～4.5
玻璃片 1.2～2.2 干燥沙 3～4
奶粉 1.8～2.2 沥青 4～5
汽油 1.9 水泥 4～6
环乙醇 2 甲醚 5
柴油 2.1 丁醇 11
干燥煤粉 2.2 水 81
组成土壤的各组成成分中，水的介电常数远大于是沙土以及空气。也就是说，水含量的多少将影响电磁波在土壤中的传输速度和衰减速度。由于水的介电常数是沙土和空气的几十倍，土壤作为一种混合物，其对电磁波传输速度和衰减速度主要取决于水含量的多少。土壤中含水量与UWB传感器105测量的数据成线性关系。例如土壤含水量数据设为Y，UWB传感器105的测量数据设为X。可以公式Y＝aX+b表示。a和b为常系数。
重量传感器检测到的重量即为土壤的重量，通过对土壤中的含水量数据和土壤的重量数据进行计算，土壤的总重量乘以含水量即该土壤中的水的重量。土壤的总重量减去水的重量则为土壤的干重。土壤的干重除以土壤的总重量则为土壤的容重。触控屏上显示土壤的容重和含水量供工作人员读取。
当便携式土壤含水量及容重测量装置100进行测量时，自动调节装置111启动。第一活动件115和第一螺杆116通过螺纹配合。水平移动电机112驱动第一螺杆116绕第一轴线122转动从而带动第一活动件115在第一轴线122方向上水平移动。UWB传感器105连接至第二活动件119。第二活动件119通过第二螺杆117套接于垂直移动电机113。垂直移动电机113固定于第一活动件115。所以第一活动件115带动UWB传感器105在平行于第一轴线122的水平方向上移动从而实现UWB传感器105在水平方向上的自动调节。
第二活动件119通过螺纹与第二螺杆117配合从而在垂直移动电机113驱动第二螺杆117绕第二轴线109转动时带动第二活动件119在第二轴线109方向上相对于第二螺杆117上下移动。第二活动件119带动UWB传感器105在平行于第二轴线109的方向上上下移动从而实现UWB传感器105在垂直方向上的自动调节。
在自动调节装置111实现调节后，两个UWB传感器105的相对位置与预期的位置可能存在一定的误差。手动微调装置124可以对UWB传感器105的位置进行微量调节从而实现最大程度减小测量误差。
UWB传感器105通过连接板132固定连接至第三螺杆130。第三螺杆130穿过活动块129的通孔137通过螺纹与螺母135配合。手动调节螺母135可以驱动第三螺杆130在垂直于螺母135的方向上相对于螺母135上下移动从而通过连接板132带动UWB传感器105跟着上下移动。以此实现了对UWB传感器105在垂直方向上的手动微调。
滑槽136内的活动块129位于调节螺栓133和弹簧134之间。旋转调节螺栓133时调节螺栓133的一端对活动块129施加的推力和弹簧134受压后对活动块129施加的弹力相反。当旋转调节螺栓133时调节螺栓133的一端对活动块129施加的推力大于弹簧134对活动块129的弹力时，活动块129带动第三螺杆130向弹簧134的位置方向水平移动。当旋转调节螺栓133时调节螺栓133的一端对活动块129施加的推力小于弹簧134对活动块129的弹力时，活动块129带动第三螺杆130向调节螺栓133的位置方向水平移动。以此实现了对UWB传感器105在垂直方向上的手动微调。
激光发射器125固定至一个UWB传感器105。激光照射靶固定至另一个UWB传感器105。当激光发射器125发出的光线照射到激光照射靶的靶心时则表示两个UWB传感器处于相对设置的位置。激光发射器125发出的光线相对于激光照射靶的位置可以辅助用户调节手动微调装置124从而将两个UWB传感器调节至相对的位置，保证了测量的精确性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种便携式土壤含水量及容重测量装置，其特征在于，包括：土壤含水量测量装置、土壤重量测量装置、底座和用于取土的环刀；所述土壤含水量测量装置包括：两个用于检测土壤含水量的UWB传感器；两个所述UWB传感器位于所述环刀的两侧；所述土壤重量测量装置包括：环刀放置架和重量传感器；所述环刀放置架形成有放置所述环刀的放置槽；所述环刀放置架固定至所述重量传感器；所述重量传感器固定至所述底座；所述底座设有供用户输入参数并能显示测量结果的触控屏。
2.根据权利要求1所述的便携式土壤含水量及容重测量装置，其特征在于：
所述便携式土壤含水量及容重测量装置还包括：分别调节两个所述UWB传感器的位置的两个自动调节装置；所述自动调节装置包括：水平移动电机、垂直移动电机、导向筋组、第一活动件、第一螺杆、第二螺杆、导向架和第二活动件；所述导向筋组包括两个导向所述第一活动件运动的导向筋；两个所述导向筋固定至所述底座；两个所述导向筋之间形成有导向所述第一活动件相对于所述底座运动的第一导向通道；所述水平移动电机固定至所述底座；所述水平移动电机驱动所述第一螺杆绕第一轴线转动；所述第一活动件通过螺纹与所述第一螺杆配合从而由所述第一螺杆驱动相对于所述底座沿第一轴线方向运动；所述垂直移动电机驱动所述第二螺杆绕第二轴线转动；所述垂直移动电机和所述导向架固定至所述第一活动件；所述导向架形成有导向所述第二活动件相对于所述第一活动件运动的第二导向通道；所述垂直移动电机驱动所述第二螺杆转动；所述第二活动件通过螺纹与所述第二螺杆配合从而由所述第二螺杆驱动相对于所述第一活动件沿第二轴线方向运动；所述第二轴线垂直于所述第一轴线；所述UWB传感器安装至所述第二活动件。
3.根据权利要求2所述的便携式土壤含水量及容重测量装置，其特征在于：
所述便携式土壤含水量及容重测量装置还包括调节所述UWB传感器相对于第二活动件位置的手动微调装置；所述手动微调装置包括：激光发射器、激光照射靶、发射器支架、靶支架、活动块、第三螺杆、传感器固定板、连接板、调节螺栓、弹簧和螺母；所述激光发射器固定至所述发射器支架；所述激光照射靶固定至所述靶支架；所述发射器支架和所述靶支架分别固定至两个所述第二活动件；所述UWB传感器固定至所述传感器固定板；所述第二活动件形成有滑槽；所述活动块在所述滑槽内移动；所述调节螺栓与所述第二活动件通过螺纹配合；所述调节螺栓一端与活动块接触；所述调节螺栓和所述弹簧分别接触所述活动块的两端；所述活动块形成有通孔；所述第三螺杆穿过所述通孔；所述螺母和所述第三螺杆通过螺纹配合；所述连接板的两端固定至所述第三螺杆和所述传感器固定板；所述连接板和所述螺母位于所述第二活动件的两侧。
4.根据权利要求3所述的便携式土壤含水量及容重测量装置，其特征在于：
所述弹簧为压缩弹簧；所述弹簧位于所述滑槽内；所述弹簧的两端分别接触所述滑槽的槽壁和所述活动块。
5.根据权利要求3所述的便携式土壤含水量及容重测量装置，其特征在于：
所述传感器固定板贴合所述第二活动件并能相对于所述第二活动件运动。
6.根据权利要求1所述的便携式土壤含水量及容重测量装置，其特征在于：
所述环刀放置架包括：限制所述环刀位置的端面部和形成所述放置槽的侧面部；两个所述端面部连接至所述侧面部的两侧；所述环刀的外圆周壁与所述放置槽的壁贴合；所述环刀的端面与所述端面部贴合。
7.根据权利要求6所述的便携式土壤含水量及容重测量装置，其特征在于：
所述端面部的高度小于所述侧面部的高度；所述放置槽的槽深小于等于所述环刀的半径。
8.根据权利要求1所述的便携式土壤含水量及容重测量装置，其特征在于：
所述便携式土壤含水量及容重测量装置还包括：电路板和可充电电池；所述电路板设有MCU芯片；所述可充电电池为所述UWB传感器和所述重量传感器供电；所述底座形成有容纳腔；所述可充电电池和所述电路板位于所述容纳腔内。
9.根据权利要求1所述的便携式土壤含水量及容重测量装置，其特征在于：
所述便携式土壤含水量及容重测量装置还包括：防护箱和活动盖；所述防护箱安装至所述底座以覆盖所述土壤含水量测量装置、所述土壤重量测量装置和所述环刀；所述活动盖滑动连接至所述防护箱。
10.一种土壤含水量及容重测量方法，其特征在于：
采用如权利要求1至9任意一项所述的便携式土壤含水量及容重测量装置；利用所述便携式土壤含水量及容重测量装置的环刀取土样；将带有土样的环刀放置到所述便携式土壤含水量及容重测量装置的放置槽内；所述触控屏显示土样的含水量和容重。
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