用於測量土壤溶質遷移的成像示蹤裝置的製作方法

2023-08-01 19:38:26

專利名稱：用於測量土壤溶質遷移的成像示蹤裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及圖像示蹤及成像技術領域，尤其涉及一種用於測量土壤溶質遷移 的成像示蹤裝置。
背景技術：
研究土壤非飽和帶中水流及溶質運移是保持農業、自然資源(土壤和水等)和環 境可持續發展必須進行的重要課題。土壤水流和溶質遷移模擬方法與測量手段之間具有密 切的聯繫。現有的土壤水和溶質監測理論和方法更加偏重土壤含水率和溶質含量(濃度) 的觀測，土壤含水率及濃度僅能夠提供一個深度位置的值(或平均值)，其結果可能導致對 於溶質遷移特性的錯誤估計，錯誤的模型預測以及誤導的風險評估方案，儘管可以通過在 不同深度、不同位置設置土壤含水率及濃度觀測探頭，詳細的觀測土壤水流和溶質遷移情 況，進行現場示蹤試驗等，然而這些方法需要很大的投入和花費大量時間，特別是在土壤介 質條件較為複雜的地區，並且這種測量方法對於濃度分布趨勢性的把握程度也有所欠缺， 不能詳盡的描述複雜情況下土壤水和汙染物的遷移途徑。傳統的模型無論是物理基礎還是 預測非均勻溶質遷移都面臨諸多問題。相比測量土壤含水率和溶質濃度，通量和過程的測 定對於了解溶質運動遷移規律更為重要，例如許多汙染環境都是處於流動水勢梯度較小的 地方。由於土壤介質高度的空間變異性和不均勻性，非飽和條件下現場精確測定流動通量 和過程是相當困難、昂貴以及消耗時間的。在飽和條件下，通過發射脈衝熱源，根據流動方向溫度差值和流動通量之間關係 對飽和條件下的流動通量和孔隙流速進行了測定，在多種土壤條件下取得了較好的效果。 然而這種方法在非飽和條件下測量非均勻通量仍然存在許多問題，只有通過全局性的測量 方法才能夠有效的把握非均勻流動特性，進而對汙染溶質的遷移規律做出準確、合理的預 測。非均勻流動條件下，由於發生熱源產生的溫度場也會在很大程度上影響流動通量場，對 於預測結果也會產生明顯的影響。同時，直接測量非飽和環境下的土壤水文參數也是非常 困難且代價昂貴的。由於土壤溶質遷移理論的複雜性，現在沒有專門針對土壤溶質遷移成像的產品， 傳統的溶質遷移測量方法採用土壤取樣，蒸滲測量的方法無法從全局、實時獲取溶質的滲 透過程；高密度電阻儀在工程中的應用僅限於電阻率的測量，無法建立溶質濃度-電阻率 模型，也無法通過成像分析滲透過程，因此有必要研究專門針對土壤溶質滲透的成像裝置。

實用新型內容針對上述存在的技術問題，本實用新型的目的是提供一種用於測量土壤溶質遷移 的成像示蹤裝置，可應用與土壤、地下水特性的測量，以改變傳統測量方法的局限性，更高 效、準確地獲得土壤溶質的遷移特性和尺度特徵。為達到上述目的，本實用新型採用如下的技術方案觸控螢幕、顯示單元、電信號激發單元、多路控制單元、運算處理單元、測控單元、測量電極；顯示單元通過LVDS/TTL數字顯示接口與運算處理單元的單板計算機連接，觸控 屏上的控制器通過USB接口與單板計算機的USB接口相連，觸控屏安裝在顯示單元的顯示 屏的正上方，並和顯示屏重合，觸控區域和現實區域尺寸相同；測控單元通過RS232串行通信接口與運算處理單元的單板計算機連接；測控單元 通過電信號激發單元與多路控制單元電連接；多路控制單元與測量電極電連接，測量電極與測控單元電連接。所述運算處理單元採用高性能單板計算機構成，包含存儲器和固態電子盤。所述顯示單元由真彩高亮液晶屏構成，包括圖像顯示部分和操控界面。所述測控單元由32位MCU控制板、測量電路、控制電路組成，所述MCU為 ATMELAT91系列內置FLASH的32位微控制器，可編程控制器為8255，前置輸入選用ICL7650 斬波穩零放大器，通過⑶4051模擬開關進行程控放大，模數轉換晶片為AD574。所述測量電極中的電壓測量電極經多路控制單元的繼電器陣列接入測量電路的 前置輸入級，濾波電路為低通濾波器。本實用新型具有以下優點和積極效果1)本實用新型適用於各種類型和濃度的溶質，可同時滿足大尺度和小尺度滲透 模型測量，能反映溶質濃度和電阻率的對應關係，將溶質遷移過程用圖像方式輸出，形式直 觀，便於分析理解；2)提高了系統的可靠性，能滿足長時間的溶質遷移成像示蹤測量需求，用戶界面 友好，並配備幫助文件，方便查閱，易於使用，維護方便，擴展接口豐富。

圖1是本實用新型提供的用於土壤溶質遷移的成像示蹤系統的結構框圖。圖2是本實用新型中測控單元的組成結構框圖。圖3是本實用新型提供的用於土壤溶質遷移的成像示蹤方法的流程圖。
具體實施方式
下面以具體實施例結合附圖對本實用新型作進一步說明本實用新型的原理在於利用研究區各個方向觀測的直流電場研究土壤介質電阻 率分布，在介質中發射一次電流，由於介質和介質中物質(溶質)含量的不均勻性使得電流 的分布發生變化，這一變化引起電位的改變，將觀測到的電位轉化為電阻率，相應的通過建 立電阻率與溶質含量之間的關係，對溶質非均勻遷移過程進行連續的觀測和成像示蹤。本實用新型提供的用於測量土壤溶質遷移的成像示蹤系統，具體採用以下技術方 案，參見圖1，本系統包括觸控螢幕101、顯示單元102、電信號激發單元103、多路控制單元 104、運算處理單元105、測控單元106、測量電極107 ；顯示單元102通過LVDS/TTL數字顯示接口與運算處理單元105的單板計算機連 接，觸控屏101上的控制器通過USB接口與單板計算機的USB接口相連；觸控屏101安裝 在顯示單元102的顯示屏的正上方，並和顯示屏重合，尺寸相同；測控單元106通過RS232 串行通信接口與運算處理單元105的單板計算機連接；測控單元106通過數字輸出埠驅動多路控制單元104，同時控制電信號激發單元103接入多路控制單元104 ；多路控制單元 104受測控單元106的驅動控制，將電信號激發單元103的驅動電流接入對應的測量電極 107，同時將電壓測量電極選通到測控單元106的測量電路；測控單元106同時對電信號激 發單元103輸出到電極的電信號進行採樣，測量實際輸出電流的大小。運算處理單元，採用高性能單板計算機SBC構成，含存儲器和固態電子盤，電子盤 安裝作業系統和土壤溶質遷移成像示蹤軟體。顯示單元，由真彩高亮液晶屏構成，通過LVDS/TTL數字顯示接口與SBC連接，顯示 程序界面，包括圖像顯示部分和操控界面。觸控螢幕，安裝在液晶屏上，與圖形化操控界面對應，可直接通過觸控筆、手指在觸 摸屏上點擊，實現對界面上的按鈕、下拉框、窗口、組合框等進行操作。測控單元，由32位M⑶控制板、測量電路、控制電路組成，通過串行通信接口與運 算處理系統相連，測控系統依運算處理系統指令控制信號激發系統產生激發信號，同時依 據程序流程控制多路控制系統選通相應的激電電極和測量電極，測量電路完成對應電極電 信號的一次測量，測控單元依據設定的工作模式輸出數據指令給多路控制單元實現激電電 極和測量電極的自動切換，進而實現對土壤溶質遷移過程的連續測量；測控系統對信號進 行調理、放大、轉換，以數據格式經串行通信接口回送給運算處理系統，運算處理系統運算 處理系統還可依據參數的空間和時間變化對遷移過程進行預測。MCU為ATMELAT91系列內置FLASH的32位微控制器，可編程控制器為8255，前置 輸入選用ICL7650斬波穩零放大器，通過⑶4051模擬開關進行程控放大；模數轉換晶片為 AD574。測量電極中的電壓測量電極經多路控制單元的繼電器陣列接入測量電路的前置 輸入級，輸入級放大倍數由MCU模擬開關選題電阻網絡實現放大倍數調劑，濾波電路為低 通濾波器，屢創高頻噪聲幹擾，輸出直流電壓經VFC轉換為頻率信號，經隔離器輸出，可起 到信號隔離保護作用；頻率信號再經過FVC還原為模擬電壓，經模數轉換電路得到測量結 果輸入MCU，MCU完成實際測量結果的轉換計算。電信號激發單元的電池模組受程序控制輸出大小可控的激電電流，輸出大小由 供電電壓選擇繼電器整列控制，在MCU控制下可輸出100%，80%，50%，40%，30%，20%， 10%，5%的滿量程電壓。多路控制單元，由可編程並行IO在MCU控制下通過驅動電路和繼電器陣列實現電 極的高速切換，依程序邏輯選擇激電電極和電壓測量電極。測量電極，按60個配備，可按要求擴展，測量時可選取有效測量電極數，可滿足2 米到120米尺度空間的測量要求；依據測量尺度可選擇不鏽鋼電極(小尺度)和銅電極(大 尺度)。板載土壤溶質遷移成像示蹤軟體，識別觸控螢幕傳送過來的操作，向測控單元發送 指令並接收回送數據，依據測量值和極間關係首先將數據轉換為電阻率，然後確定測量值 的空間和時間對應關係，再依據溶質類型對應的電阻率——濃度模型，確定溶質的遷移過 程，並通過總體參數分布確定色彩模板，選擇合適的尺度特性按空間和時間分布輸出示蹤 圖像，反映溶質的遷移過程。軟體通過微軟NET開發軟體開發，包括程序界面和軟體功能模塊，程序界面實現
5繪圖和圖形化界面的顯示功能；軟體功能模塊實現數據模型的轉換、通信、操控命令處理功 能。設備布設就緒後，開機自動啟動示蹤軟體，在程序界面中通過觸控屏輸入電極數、測試 方法、溶質類型、濃度等配置參數並保存，完成初始設置後，進入背景場測試過程，程序依據 選定的測量方法和參數將控制指令通過RS232串行通信口發送給測控單元並接收回傳數 據。
權利要求一種用於土壤溶質遷移的成像示蹤裝置，其特徵在於，包括觸控螢幕、顯示單元、電信號激發單元、多路控制單元、運算處理單元、測控單元、測量電極；顯示單元通過LVDS/TTL數字顯示接口與運算處理單元的單板計算機連接，觸控屏上的控制器通過USB接口與單板計算機的USB接口相連，觸控屏安裝在顯示單元的顯示屏的正上方，並和顯示屏重合，觸控區域和現實區域尺寸相同；測控單元通過RS232串行通信接口與運算處理單元的單板計算機連接；測控單元通過電信號激發單元與多路控制單元電連接；多路控制單元與測量電極電連接，測量電極與測控單元電連接。
2.根據權利要求1所述的用於土壤溶質遷移的成像示蹤裝置，其特徵在於 所述運算處理單元採用高性能單板計算機構成，包含存儲器和固態電子盤。
3.根據權利要求1所述的用於土壤溶質遷移的成像示蹤裝置，其特徵在於 所述顯示單元由真彩高亮液晶屏構成，包括圖像顯示部分和操控界面。
4.根據權利要求1所述的用於土壤溶質遷移的成像示蹤裝置，其特徵在於所述測控單元由32位MCU控制板、測量電路、控制電路組成，所述MCU為ATMEL AT91 系列內置FLASH的32位微控制器，可編程控制器為8255，前置輸入選用ICL7650斬波穩零 放大器，通過⑶4051模擬開關進行程控放大，模數轉換晶片為AD574。
5.根據權利要求1至5中任一項所述的用於土壤溶質遷移的成像示蹤裝置，其特徵在於所述測量電極中的電壓測量電極經多路控制單元的繼電器陣列接入測量電路的前置 輸入級，濾波電路為低通濾波器。
專利摘要本實用新型涉及圖像示蹤及成像技術領域，尤其涉及一種用於測量土壤溶質遷移的成像示蹤系統及方法。本實用新型包括觸控螢幕、顯示單元、電信號激發單元、多路控制單元、運算處理單元、測控單元、測量電極，顯示單元通過LVDS/TTL數字顯示接口與運算處理單元的單板計算機連接，觸控屏上的控制器通過USB接口與單板計算機的USB接口相連，測控單元通過RS232串行通信接口與運算處理單元的單板計算機連接；測控單元通過數字輸出埠驅動多路控制單元，同時控制電信號激發單元接入多路控制單元。本實用新型適用於各種類型和濃度的溶質，可同時滿足大尺度和小尺度滲透模型測量，能反映溶質濃度和電阻率的對應關係，提高了系統的可靠性，能滿足長時間的溶質遷移成像示蹤測量需求。
文檔編號G01N27/04GK201653960SQ20102020100
公開日2010年11月24日 申請日期2010年5月17日 優先權日2010年5月17日
發明者李立, 王康 申請人:武漢大學