CN111141785B - 一种土壤电阻率测量装置、方法和存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土壤电阻率测量装置、方法和存储介质，包括：惠斯通桥电路；惠斯通桥电路包括四个桥臂；四个桥臂中的其中一个桥臂包括第一端、第二端、内电极和多个外电极；内电极和多个外电极均用于***待测土壤中，内电极和外电极***待测土壤中的深度相同；多个外电极均匀分布在以内电极的中心轴为圆心的圆周上，且通过导线依次电连接，导线收尾相接后和第一端连接；内电极和所述第二端连接；基于惠斯通桥平衡原理确定待测土壤的电阻值，再基于内电极和外电极形成的均匀电场模型确定待测土壤的电阻率。本发明的有益效果为：方便野外施工进行简单快速的测量，不需要复杂的计算可更加快速方便的确定待测区域内的土地的电阻率。

Description

一种土壤电阻率测量装置、方法和存储介质

技术领域

本发明属于电阻率测量技术领域，具体涉及一种土壤电阻率测量装置、方法和存储介质。

背景技术

目前土地电测量采用的有两种方法，一是采用标准模型取样，用伏安二极接线法或四极接线法测量电阻率，该测量方法存在的缺点是取样和实测有偏差，易造成测试的结果不准确；二是采用伏安四极接线法并结合修正的方法测量实地电阻率；但是这种方法要求地面为无限大的水平面，地下为充满均匀各向同性的导电介质，由于实际不满足这些条件，测量仅为视电阻率，即无法在一定范围内准确的测量出实际电阻率。

发明内容

为了解决现有技术存在的测量复杂、适用场地受限的问题，本发明提供了一种土壤电阻率测量装置、方法和存储介质，其具有测量简单、成本低、适用范围广等特点。

根据本发明具体实施方式的一种土壤电阻率测量装置包括：惠斯通桥电路；

所述惠斯通桥电路包括四个桥臂；

所述四个桥臂中的其中一个桥臂包括第一端、第二端、内电极和多个外电极；

所述内电极和多个所述外电极均用于***待测土壤中，所述内电极和所述外电极***所述待测土壤中的深度相同；

多个所述外电极均匀分布在以所述内电极的中心轴为圆心的圆周上，且通过导线依次电连接，所述导线收尾相接后和所述第一端连接；

所述内电极和所述第二端连接；

基于所述惠斯通桥电路的平衡条件确定所述内电极和所述外电极间的所述待测土壤的电阻值；

基于所述内电极和所述外电极间所形成的均匀电场的电阻率公式：

确定电阻率，其中R为所述待测土壤的电阻值，h为所述内电极和所述外电极***所述待测土壤中的深度；r₁为所述内电极的半径，r₂为所述圆周的半径。

进一步地，所述土壤电阻率测量装置还包括：单片机，所述单片机用于获取所述惠斯通桥电路中的电流计两端的电压变化值ΔV并基于：

确定所述待测土壤的电阻值R，其中R₁、R₂为比例臂电阻，R_S为比较臂电阻，V_CC为所述惠斯通桥电路中的电源电压。

进一步地，所述外电极的数量满足：

其中，N为所述外电极的数量，d为所述外电极的直径，r₂为所述圆周的半径。

进一步地，所述圆周的的半径满足：

其中，d为所述外电极的直径，r₂为所述圆周的半径。

进一步地，所述内电极和所述外电极为规格相同的钢钉。

根据本发明具体实施方式的一种土壤电阻率测量方法，应用于以上所述的土壤电阻率测量装置，所述方法包括：

获取所述内电极的半径和以所述内电极的中心轴为圆心的圆周半径；

基于所述惠斯通桥电路的平衡条件确定所述内电极和所述外电极间的所述待测土壤的电阻值；

基于同轴电缆模型确定所述内电极和所述外电极间所述待测土壤的电阻率为：

其中R为所述待测土壤的电阻值，h为所述内电极和所述外电极***所述待测土壤的深度；r₁为所述内电极的半径，r₂为以所述内电极的中心轴为圆心的圆周半径。

进一步地，所述外电极的数量满足：

其中，N为所述外电极的数量，d为所述外电极的直径，r₂为以所述内电极的中心轴为圆心的圆周半径。

进一步地，所述圆周的半径满足：

其中，d为所述外电极的直径，r₂为以所述内电极的中心轴为圆心的圆周半径。

进一步地，所述待测土壤的电阻值的确定过程包括：

获取所述惠斯通桥电路中的各个桥臂上的电阻值，并基于

确定所述待测土壤的电阻值，其中V_CC为所述惠斯通桥电路中的电源电压，ΔV为所述惠斯通桥电路中的电流计两端的电压变化值，R₁、R₂为比例臂电阻值，R_S为比较臂电阻值。

根据本发明具体实施方式的一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的土壤电阻率测量方法中的各个步骤。

本发明的有益效果为：通过惠斯通桥电路结合内外电极形成的均匀电场，方便野外施工进行简单快速的测量，整理一个平面***相同深度的内电极和外电极即可进行测量，不需要复杂的计算可更加快速方便的确定待测区域内的土地的电阻率。

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，下面描述中的附图仅仅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是根据一示例性实施例提供的土壤电阻率测量装置的原理图；

图2是根据一示例性实施例提供的外电极和内电极的布置图；

图3是根据一示例性实施例提供的外电极和内电极的结构图；

图4是根据一示例性实施例提供的土壤电阻率测量方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

参照图1至图3所示，本发明的实施例提供了一种土壤电阻率测量装置，包括：惠斯通桥电路；

其中惠斯通桥电路包括四个桥臂、电流计和供电电源，惠斯通桥电路(又称单臂电桥)是一种可以精确测量电阻的电路。R_G电阻起到限流的作用，开关K₁和K₂相配合对电流的大小进行控制避免出现电流过大或过小的情况，G为电流计，用以检查它所在的支路有无电流。当G无电流通过时，称电桥达到平衡，在平衡时，四个臂的阻值满足一个简单的关系R＝R₁R_S/R₂，利用这一关系同时R_S为可调电阻，通过调节R_S的阻值使电桥达到平衡的状态就可测量未知的电阻R。

在惠斯通桥电路中的四个桥臂中的其中一个桥臂包括第一端、第二端、内电极和多个外电极；

内电极和多个外电极均用于***待测土壤中，内电极和外电极***待测土壤中的深度相同；

由于土壤是电的不良导体，采用同轴电缆模型，将电场束缚在内外电极之间，构成一个均匀场模型，并基于同轴电缆的均匀场模型因电阻率大小和内电极的大小无关将多个外电极均匀分布在以内电极的中心轴为圆心的圆周上，且通过导线依次电连接，导线收尾相接后和第一端连接；内电极和第二端连接；

基于惠斯通桥电路的平衡条件可以确定内电极和外电极间的待测土壤的电阻值；

基于内电极和外电极间所形成的均匀电场的电阻率公式：

确定电阻率，其中R为待测土壤的电阻值，h为内电极和外电极***待测土壤中的深度；r₁为内电极的半径，r₂为圆周的半径。这样在实际测试土地的电阻率时，惠斯通电桥可以采用箱式电桥或自组电桥，在待测区域内整理一个平面***内外电极即可进行测量，原理简单不需要复杂的计算，并且成本较低，不受测试场地的限制具有更广的适用范围。

为进一步优化该技术方案，在本发明的另一具体实施例中还包括：单片机，单片机用于获取惠斯通桥电路中的电流计两端的电压变化值ΔV并基于：

确定待测土壤的电阻值R，其中R₁、R₂为比例臂电阻，R_S为比较臂电阻，V_CC即电源E为惠斯通桥电路中的电源电压。

具体的，惠斯通桥电路中接入的待测土壤的电阻不同BD两点间的电压发生变化，通过采集电压的变化就可以知道电路中电压的变化进而测量的目的，在R₁、R两个桥臂上，R₁、R将电压V_CC分压，在另外两个桥臂上R_S和R₂将V_CC分压，流过R₁、R的电流为I₁＝V_cc/(R₁+R)，R₁两端的电压V₁＝R₁*V_cc/(R₁+R)；同理，R₂两端的电压V₂＝R₂*V_cc/(R₂+R_s)，电压差为

那么通过单片机获得BD两点的电压差即可确定待测土壤的电阻值。

可以理解的是，本领域技术人员可基于惠斯通桥电路的平衡原理增加相应检测电路获取电路中的电压值和电流值基于平衡条件测量电阻值，本实用新型在此不作限制。

在本发明的一些具体实施例中，为保证测量的电阻率更加的准确可靠对均匀分布的外电极的数量有密度的要求即外电极的数量满足：

其中，N为外电极的数量，d为外电极的直径，r₂为圆周的半径。

同时外圈圆周的的半径不宜过小，圆周半径满足：

其中，d为外电极的直径，r₂为圆周的半径。

这样通过根据外电极的直径对外电极的数量和所围成圆周的大小进行限定，使再具体使用时可根据所采用的的外电极的口径的不同，灵活进行数量和圆周大小的设定，保证了测量结果的准确性。

同时在测量时只要内电极和外电极***的深度相同，使内外电极在同一水平面内即可，若介质均匀对于***的深度并不影响测量的结果，在实地使用测量中内外电极可采用型号规格相同的普通钢钉即可满足测量的需要，同时方便了野外测量的需求对测量设备本身要求并不高，可就地取材更加适应于野外施工的要求。

基于上述实施例所提供的土壤电阻率测量装置，参照图4所示本发明的实施例还提供了一种土壤电阻率测量方法，应用于上述实施例所述的土壤电阻率测量装置，包括以下步骤：

301、获取内电极的半径和以内电极的中心轴为圆心的圆周半径；

302、基于惠斯通桥电路的平衡条件确定内电极和外电极间的待测土壤的电阻值；

303、基于同轴电缆模型确定内电极和外电极间待测土壤的电阻率为：

其中R为待测土壤的电阻值，h为内电极和外电极***待测土壤的深度；r₁为内电极的半径，r₂为以内电极的中心轴为圆心的圆周半径。

具体的，在待测区域内设置好测量设备后，基于电桥平衡的原理，调节惠斯通桥电路中的可变电阻，使电流计的值归零此时电桥处于平衡的状态，基于电桥平衡状态的公式R＝R₁R_s/R₂得到测量区域的土壤电阻值，再基于均匀场模型的电阻率计算公式

即可得到测量区域的电阻率。

为保证电阻率测量的准确可靠，在一些具体实施例中，外电极的数量需满足：

其中，N为外电极的数量，d为外电极的直径，r₂为以内电极的中心轴为圆心的圆周半径；

圆周的半径需满足：

其中，d为外电极的直径，r₂为以内电极的中心轴为圆心的圆周半径。

作为上述实施例可行的实现方式，在本发明的另一些具体实施例中，待测土壤的电阻值的确定过程包括：

获取惠斯通桥电路中的各个桥臂上的电阻值，并基于

确定待测土壤的电阻值，其中V_CC为惠斯通桥电路中的电源电压，ΔV惠斯通桥电路中的电流计两端的电压变化值，R₁、R₂为比例臂电阻值，R_S为比较臂电阻值。其测量的原理和过程可参见上述实施例中使用单片机测量待测区域土壤电阻的实施方式，此处不再赘述。

本发明的实施例还提供了一种存储介质，存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现上述实施例所记载的土壤电阻率测量方法中的各个步骤。其中，存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

本发明实施例提供的存储介质的具体实施方案可以参考以上任意例所述的土壤电阻率测量方法的实施方式，此处不再赘述。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种土壤电阻率测量装置，其特征在于，包括：惠斯通桥电路；

所述惠斯通桥电路包括单片机、四个桥臂；

所述四个桥臂中的其中一个桥臂包括第一端、第二端、内电极和多个外电极；

所述内电极和多个所述外电极均用于***待测土壤中，所述内电极和所述外电极***所述待测土壤中的深度相同；

多个所述外电极均匀分布在以所述内电极的中心轴为圆心的圆周上，且通过导线依次电连接，所述导线收尾相接后和所述第一端连接；

所述内电极和所述第二端连接；

基于所述惠斯通桥电路的平衡条件确定所述内电极和所述外电极间的所述待测土壤的电阻值；

基于所述内电极和所述外电极间所形成的均匀电场的电阻率公式：

确定电阻率，其中R为所述待测土壤的电阻值，h为所述内电极和所述外电极***所述待测土壤中的深度；r₁为所述内电极的半径，r₂为所述圆周的半径；

所述单片机用于获取所述惠斯通桥电路中的电流计两端的电压变化值ΔV并基于：

确定所述待测土壤的电阻值R，其中R₁、R₂为比例臂电阻，R_S为比较臂电阻，V_CC为所述惠斯通桥电路中的电源电压；

所述外电极的数量满足：

其中，N为所述外电极的数量，d为所述外电极的直径，r₂为所述圆周的半径；

所述圆周的的半径满足：

其中，d为所述外电极的直径，r₂为所述圆周的半径；

所述内电极和所述外电极为规格相同的钢钉。

2.一种土壤电阻率测量方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的土壤电阻率测量装置，所述方法包括：

获取所述内电极的半径和以所述内电极的中心轴为圆心的圆周半径；

基于所述惠斯通桥电路的平衡条件确定所述内电极和所述外电极间的所述待测土壤的电阻值；

基于同轴电缆模型确定所述内电极和所述外电极间所述待测土壤的电阻率为：

其中R为所述待测土壤的电阻值，h为所述内电极和所述外电极***所述待测土壤的深度；r₁为所述内电极的半径，r₂为以所述内电极的中心轴为圆心的圆周半径；

所述外电极的数量满足：

其中，N为所述外电极的数量，d为所述外电极的直径，r₂为以所述内电极的中心轴为圆心的圆周半径；

所述圆周的半径满足：

其中，d为所述外电极的直径，r₂为以所述内电极的中心轴为圆心的圆周半径；

所述待测土壤的电阻值的确定过程包括：

获取所述惠斯通桥电路中的各个桥臂上的电阻值，并基于

确定所述待测土壤的电阻值，其中V_CC为所述惠斯通桥电路中的电源电压，ΔV为所述惠斯通桥电路中的电流计两端的电压变化值，R₁、R₂为比例臂电阻值，R_S为比较臂电阻值。

3.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求2所述的土壤电阻率测量方法中的各个步骤。

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