基於電流-電壓四端法檢測土壤電導率的多組態檢測裝置的製作方法

2023-10-24 19:12:42

專利名稱：基於電流-電壓四端法檢測土壤電導率的多組態檢測裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及土壤電導率檢測領域，特別涉及一種基於電流-電壓四端法檢測土壤電導率的多組態檢測裝置。
背景技術：
土壤電導率能不同程度地反映土壤中的鹽分、水分、有機質含量、速效養分、土壤質地結構和孔隙率等參數的大小，是研究土壤不可或缺的重要參數。特別是在土壤鹽漬化評估、土壤改良和精準農業等方面，土壤電導率的檢測是必須的。土壤電導率的檢測方法分為非接觸式和接觸式兩種。非接觸式方法以加拿大Geonics limited公司生產的電磁感應大地電導率儀(EM系列)為代表，不需要接觸土壤就可進行測量，具有測量快速、高效、成本低的優點。但是受制於電磁感應的測量原理，儀器放置的相對位置、環境電磁場、甚至人體所附帶的金屬配件等都會對檢測造成較大的誤差。土壤電導率的接觸式檢測基於電流-電壓四端法原理，克服了非接觸式電磁感應測量的缺點，但是需要將檢測電極插入土壤中與土壤良好接觸，基於這一原理的檢測儀器目前國內外已經大量商品化，例如美國Veris technologies公司生產的3100型土壤電導率測量儀，基於電流-電壓四端法測量原理，且為機載型，可由機械牽引在田間直接測量。該檢測儀器具有一對激勵電極和兩對測量電極， 兩對測量電極分別測量淺層土壤和深層土壤的電導率。國內有關研究文獻和申請專利也都是在此基礎上的少許改進，比如申請號200510092989.
公開日2007. 02. 28的「多用途車載式土壤電導率實
時測試儀」由電極傳感器單元、數據採集和處理單元組成，電極傳感器單元由支撐架、車輪和柱狀電極組成，其中車輪和柱狀電極固定在支撐架上；數據採集和處理單元包括電源轉換電路、信號轉換放大電路、模數轉換器、處理器和液晶顯示電路；數據採集和處理單元通過一根多芯電纜，分別與電極傳感器單元上的電極引線電聯接。該測試儀運用「電流-電壓四端法」的原理，採用六柱式電極，其電極設計合理、科學，堅實耐用，對農田土壤破壞較小，由於採用分體式設計，因此即使電極入土端損壞也可方便更換。但是，與美國Veris technologies公司生產的系列土壤電導率測量儀一樣，該技術方案中只設置了兩對測量電極，一對用於淺層土壤電導率測量，另一對用於深層土壤電導率測量，其測量的土壤範圍有限，無法滿足現今大型農機(例如美國約翰迪爾公司生產的農機的作業寬幅達到15m)配套使用的需要；另外，該實用新型採用柱式電極設計，在車載檢測時要翻動土壤，其使用場合會受到限制。

實用新型內容本實用新型是針對已有技術的不足，提供一種基於電流-電壓四端法檢測土壤電導率的多組態檢測裝置，以實現大範圍的同時檢測，並可同時檢測不同深度的多層次土壤電導率。本實用新型解決技術問題採用如下技術方案
3[0006]本實用新型基於電流-電壓四端法檢測土壤電導率的多組態檢測裝置的特點是設置檢測結構為—對激勵電極分別是第一激勵電極和第二激勵電極；一組信號檢測電極分別是第一信號檢測電極、第二信號檢測電極、第三信號檢測電極、第四信號檢測電極、第五信號檢測電極和第六信號檢測電極；所述各激勵電極和各信號檢測電極處在相同的高度位置上、並按以下次序呈單列間隔設置第一檢測電極、第二檢測電極、第一激勵電極、第三檢測電極、第四檢測電極、第二激勵電極、第五檢測電極和第六檢測電極；所述第一激勵電極位於第二檢測電極和第三檢測電極之間的中心位置處，所述第二激勵電極位於第四檢測電極和第五檢測電極之間的中心位置處；相鄰的檢測電極之間距離相等；以各信號檢測電極之間的兩兩組合構成多組態檢測裝置。本實用新型基於電流-電壓四端法檢測土壤電導率的多組態檢測裝置的特點也在於所述一對激勵電極和一組信號檢測電極為大小相等的各輪式刀片，所述各輪式刀片分別通過支架設置在機架上，在所述機架上分別設置有左側車輪、右側車輪，以及用於與牽引機械相連接的牽引連接機構。設置檢測電路為以電源為電源轉換電路和傳感器激勵電路提供工作電源，由傳感器激勵電路產生的交變穩壓或穩流源提供給激勵電極以產生信號檢測電極檢測所需的激勵信號；所述信號檢測電極獲得的檢測信號依次經過輸出信號調理電路和A/D轉換電路轉換成數位訊號輸入至單片處理器；所述單片處理器通過通訊電路與上位機通訊以處理和保存數據，所述單片處理器與顯示裝置連接，以顯示檢測數值。與已有技術相比，本實用新型的有益效果體現在1、本實用新型採用六個信號檢測電極，分別獲取各自的電位值，通過六個電極的兩兩組合得到多個不同的電壓值，以此為基礎獲得多個區域及其不同深度層的土壤電導率數據，因此其檢測範圍大，檢測效率高。2、本實用新型的激勵電極和信號檢測電極安裝在電極安裝固定機架上，電極之間的間距可根據需要靈活調整以便適應不同深度層土壤電導率檢測的要求。由於土壤具有導電能力，可視為導體，在兩激勵電極之間施加穩恆電壓或穩恆電流時，在兩激勵電極之間及其周圍以及一定深度的土壤中就有電流流過，形象地說就是有許多近似紡錘狀的電力線從一個激勵電極出發，分別經過不同的路逕到達另一個激勵電極，有的電力線從一個激勵電極出發，經過表層土壤就直接到達另一個激勵電極，而有的電力線從一個激勵電極出發， 通過深層土壤才能到達另一個激勵電極，顯然，電力線所能深入的土壤深度與兩激勵電極之間的距離有關，即兩激勵電極之間的距離小，電力線所能深入的土壤深度就淺，兩激勵電極之間的距離大，電力線所能深入的土壤深度就深。另一方面，兩檢測電極之間的距離小， 則只有那些通過淺層土壤的電力線能與它們相連，即該兩檢測電極只能檢測淺層土壤的電導率，反之，兩檢測電極之間的距離大，則那些通過深層土壤的電力線能與它們相連，即該
4兩檢測電極能檢測深層土壤的電導率。因此通過調整電極之間的間距可獲得不同深度層次的土壤電導率。3、本實用新型採用輪式刀片狀電極，輪式刀片可直接插入土壤中並與土壤良好地接觸，因而可提高檢測精度，輪式刀片狀電極安裝在電極安裝固定機架上，該機構可由機械牽引前進，在移動的過程中連續不斷地對土壤電導率進行檢測，因而可大大提高檢測效率， 降低檢測成本。

圖1為基於電流-電壓四端法的多組態土壤電導率檢測裝置系統框圖；圖2為圖1中的激勵電極和信號檢測電極結構和安裝方式示意圖；圖中標號11機架；12左側車輪；13右側車輪；14牽引連接機構；41第一激勵電極；42第二激勵電極；51第一檢測電極；52第二檢測電極；53第三檢測電極力4第四檢測電極；55第五檢測電極；56第六檢測電極。
具體實施方案參見圖1，本實施例中基於電流-電壓四端法的多組態土壤電導率檢測裝置包括設置電源為電源轉換電路和傳感器激勵電路提供電源，傳感器激勵電路產生交變穩壓或穩流源提供給激勵電極以產生信號檢測電極檢測所需的激勵信號，激勵電極在一定區域和深度的土壤中產生微弱的電流，因而在該區域土壤中的不同位置具有不同的電位，處於不同位置的六個信號檢測電極上會產生不同的電位輸出，信號檢測電極所獲得的信號首先經過輸出信號調理電路調理後再通過A/D轉換電路轉換成數位訊號輸入單片處理器，單片處理器與通訊電路連接可與上位機通訊以便處理和保存數據，單片處理器和顯示裝置連接可直接顯示檢測數值。參見圖2，第一激勵電極41和第二激勵電極42以及第一信號檢測電極51、第二信號檢測電極52、第三信號檢測電極53、第四信號檢測電極M、第五信號檢測電極55和第六信號檢測電極56排列成一條直線，第一激勵電極41位於第二信號檢測電極52和第三信號檢測電極53之間的中心位置，第二激勵電極42位於第四信號檢測電極M和第五信號檢測電極55之間的中心位置，第一信號檢測電極51和第二信號檢測電極52位於第一激勵電極41的左側，第三信號檢測電極53和第四信號檢測電極M位於第一激勵電極41和第二激勵電極42之間，第五信號檢測電極55和第六信號檢測電極56位於第二激勵電極42的右側，第一信號檢測電極51與第二信號檢測電極52之間、第二信號檢測電極52與第三信號檢測電極53之間、第三信號檢測電極53與第四信號檢測電極M之間、第四信號檢測電極M與第五信號檢測電極55之間以及第五信號檢測電極55與第六信號檢測電極56之間的間距相等，第一激勵電極41和第二激勵電極42通過電纜與傳感器激勵電路3相連，第一信號檢測電極51、第二信號檢測電極52、第三信號檢測電極53、第四信號檢測電極M、第五信號檢測電極陽和第六信號檢測電極53分別通過電纜與輸出信號調理電路5相連。第一激勵電極41和第二激勵電極42以及第一信號檢測電極51、第二信號檢測電極52、第三信號檢測電極53、第四信號檢測電極M、第五信號檢測電極55和第六信號檢測電極56為大小相同的輪式刀片，安裝在電極安裝固定機架11上，機架11上分別設置左側車輪12和右
5側車輪13以便在機械牽引下行駛，電極安裝固定機構11還設置有與牽引機械連接的機械牽引連接機構14。以各信號檢測電極之間的兩兩組合構成多組態，得到多個兩兩信號檢測電極之間的電壓輸出值，對應於兩兩信號檢測電極之間的土壤特性信息，依據兩兩信號檢測電極之間的電壓輸出值結合電流值數據和兩兩信號檢測電極之間的距離以及它們與激勵電極之間的位置關係可確定兩兩信號檢測電極之間土壤的電導率，兩兩信號檢測電極之間的距離決定了檢測土壤電導率所能達到的檢測深度，所以通過信號檢測電極之間的多種組合，可分別檢測不同深度土壤的電導率。參見表1，六個信號檢測電極以兩兩相組合，理論上可以組合成十五個不同的組態，通過各個信號檢測電極的電位輸出可得到十五個電壓降數值，再依據每個電極的位置關係可分別確定所檢測區域的土壤電導率，這十五個不同的組態可得到五個相鄰區域的表層土壤電導率、四個區域的表下層土壤電導率、三個區域的中層土壤電導率、兩個區域的中下層土壤電導率和一個深層土壤電導率，表1中的右上半部為十五個檢測區域，左下半部為十五個檢測區域所對應的檢測深度。表1六個信號檢測電極兩兩組合的方式及其檢測區域
權利要求1.一種基於電流-電壓四端法檢測土壤電導率的多組態檢測裝置，其特徵是設置檢測結構為一對激勵電極分別是第一激勵電極和第二激勵電極02)；一組信號檢測電極分別是第一信號檢測電極(51)、第二信號檢測電極(52)、第三信號檢測電極(53)、第四信號檢測電極(M)、第五信號檢測電極(5 和第六信號檢測電極 (56)；所述各激勵電極和各信號檢測電極處在相同的高度位置上、並按以下次序呈單列間隔設置第一檢測電極(51)、第二檢測電極(52)、第一激勵電極(41)、第三檢測電極(53)、第四檢測電極64)、第二激勵電極(42)、第五檢測電極(5 和第六檢測電極(56)；所述第一激勵電極Gl)位於第二檢測電極(5 和第三檢測電極(5 之間的中心位置處，所述第二激勵電極0 位於第四檢測電極(54)和第五檢測電極(5 之間的中心位置處；相鄰的檢測電極之間距離相等；以各信號檢測電極之間的兩兩組合構成多組態檢測裝置。
2.根據權利要求1所述的基於電流-電壓四端法檢測土壤電導率的多組態檢測裝置， 其特徵是所述一對激勵電極和一組信號檢測電極為大小相等的各輪式刀片，所述各輪式刀片分別通過支架設置在機架(11)上，在所述機架(11)上分別設置有左側車輪(1 、右側車輪(13)，以及用於與牽引機械相連接的牽引連接機構(14)。
3.根據權利要求1所述的基於電流-電壓四端法檢測土壤電導率的多組態檢測裝置， 其特徵是設置檢測電路為以電源為電源轉換電路和傳感器激勵電路提供工作電源，由傳感器激勵電路產生的交變穩壓或穩流源提供給激勵電極以產生信號檢測電極檢測所需的激勵信號；所述信號檢測電極獲得的檢測信號依次經過輸出信號調理電路和A/D轉換電路轉換成數位訊號輸入至單片處理器；所述單片處理器通過通訊電路與上位機通訊以處理和保存數據，所述單片處理器與顯示裝置連接，以顯示檢測數值。
專利摘要本實用新型公開了一種基於電流-電壓四端法檢測土壤電導率的多組態檢測裝置，其特徵是設置檢測結構為各激勵電極和各信號檢測電極處在相同的高度位置上、並按以下次序呈單列間隔設置第一檢測電極、第二檢測電極、第一激勵電極、第三檢測電極、第四檢測電極、第二激勵電極、第五檢測電極和第六檢測電極；第一激勵電極位於第二檢測電極和第三檢測電極之間的中心位置處，第二激勵電極位於第四檢測電極和第五檢測電極之間的中心位置處；相鄰的檢測電極之間距離相等；以各信號檢測電極之間的兩兩組合構成多組態檢測裝置。本實用新型可以同時檢測多區域、多層土壤的電導率，檢測區域大，可有效提高檢測效率和檢測精度。
文檔編號G01R27/28GK202149921SQ20112019893
公開日2012年2月22日 申請日期2011年6月14日 優先權日2011年6月14日
發明者張正勇 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院