一種便攜式土壤含水量超聲波檢測裝置及檢測方法制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了一種便攜式土壤含水量超聲波檢測裝置及檢測方法。該裝置包括探測頭和可調高度支架；所述可調高度支架包括螺桿、光軸導軌、方孔陣列斜插金屬板、水平基座、彈簧卡扣和支撐平臺；探測頭安裝于滑塊上，滑塊安裝于支撐平臺上，探測頭可沿著支撐平臺水平移動；水平基座與方孔陣列斜插金屬板成固定角度夾角并通過彈簧卡扣相連接，彈簧卡扣與斜插金屬板的方孔配合，用于調節斜插金屬板進入土壤的深度；斜插金屬板上安裝有溫度傳感器。本發明專利技術利用聲速與回波幅值雙參數來測定土壤的含水量，具有重復性好和可互補校準的特點，成本低，且精度高。

Portable soil moisture content ultrasonic detection device and detection method

The invention discloses a portable soil moisture content ultrasonic detection device and a detection method. The device comprises a detection head and a height adjustable bracket; the height adjustable bracket comprises a screw axis guide, square hole array Xiecha metal plate, a horizontal base, a spring buckle and support platform; the probe is arranged on the slider, the slider is installed on the supporting platform, the detecting head can be along the horizontal mobile platform the level of the base and the square hole array; inclined metal plate at a fixed angle and angle through the spring fastener is connected with a square hole spring buckle and inclined plate, for adjusting the inclined metal plate into the soil depth; inclined metal plate is provided with a temperature sensor. The invention uses the double parameters of sound velocity and echo amplitude to determine the water content of the soil, which has the advantages of good repeatability and complementary calibration, low cost and high precision.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及土壤含水量檢測領域，特別涉及一種便攜式土壤含水量超聲波檢測裝置及檢測方法。
技術介紹
土壤水分是農作物生長發育的基本條件和產量預報模型中的重要參量，也是研究農業干旱及作物干旱的重要指標，因此土壤含水量是節水農業研究中經常測定的項目。目前，測定土壤含水量的方法主要有烘干稱重法、射線法、時域反射法、遙感法等。烘干稱重法的精確度較高，但采樣速度慢、需要大量的人力物力。射線法存在潛在的輻射危害，難以滿足實際生產中檢測土壤水分的應用需求。時域反射法是通過測定土壤介電常數來間接確定土壤含水率，該方法成本低，但誤差較大，而且鹽分會對土壤介電常數產生影響，因此不能適用于所有土壤樣本。遙感法的原理是對土壤表面發射或反射的電磁波輻射能進行測量，適用于大面積、多時相的土壤水分監測，但該方法成本昂貴，測量誤差大，且目前最大探測深度只有0.05m，局限性較多。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服現有技術中存在的缺點，提供一種實時性好、工作時間范圍寬、成本低且穩定性好的便攜式土壤含水量超聲波檢測裝置。本專利技術的另一目的在于提供一種便攜式土壤含水量超聲波檢測方法。本專利技術的目的通過下述技術方案實現：一種便攜式土壤含水量超聲波檢測裝置，包括探測頭1和可調高度支架；所述可調高度支架包括螺桿5、光軸導軌4、方孔陣列斜插金屬板9、水平基座3、彈簧卡扣11和支撐平臺2；探測頭1安裝于滑塊12上，滑塊12安裝于支撐平臺2上，探測頭1可沿著支撐平臺2水平移動；所述螺桿5和光軸導軌4的直徑相同且相互平行，并與水平基座3和支撐平臺2的平面垂直，螺桿5通過鐵板螺母8與支撐平臺2相連接，光軸導軌4通過法蘭直線軸承7與支撐平臺2相連接；光軸導軌4與螺桿5共同決定支撐平臺2的運動方向，螺桿5的頂端與旋轉手柄6相連接，用于調節支撐平臺2的上下移動，螺桿5的底端與滾輪滾針軸承軸頭15相連接，滾輪滾針軸承外圈與水平基座3剛性連接；光軸導軌4與水平基座3剛性連接；水平基座3與方孔陣列斜插金屬板9成固定角度夾角并通過彈簧卡扣11相連接，彈簧卡扣11與斜插金屬板9的方孔配合，用于調節斜插金屬板9進入土壤的深度；斜插金屬板9上安裝有溫度傳感器10。滑塊12的頂部放置有顯示屏13。方孔陣列斜插金屬板9為鍍鉻不銹鋼材料，其金屬板頭為尖頭刀片結構。所述探測頭1包括MCU主控制器、交流脈沖發生器、功率放大器、微弱信號放大器、濾波器、電源、過零比較器、超聲波換能器、存儲器模塊、顯示屏和AD轉換器；所述交流脈沖發生器連接功率放大器，功率放大器連接超聲波換能器，MCU主控制器連接交流脈沖發生器控制超聲波發射；所述超聲波換能器連接微弱信號放大器，微弱信號放大器連接濾波器；所述濾波器的輸出端連接過零比較器和AD轉換器；所述過零比較器和AD轉換器分別與MCU主控制器的定時器中斷輸入端和串行數據輸入端連接；所述MCU主控制器分別與溫度傳感器10、存儲器模塊和顯示屏13相連。所述MCU主控制器采用體積小、低功耗、低成本、高性能、高主頻ARM架構的處理器，用于連接交流脈沖發生器控制超聲波發射、采集超聲波回波幅值、計算定時器時間差和對超聲波回波與聲速進行溫度補償。所述功率放大器包括交流信號隔離放大器、場效應管和高頻脈沖變壓器，其中隔離放大器、場效應管和高頻脈沖變壓器依次連接。所述AD轉換器用于采集超聲波回波的實時電壓值并存儲。所述濾波器采用高Q值、窄通帶無限增益多路反饋帶通濾波器。所述過零比較器用于高靈敏度地在接收到超聲波回波的第一時間觸發定時器中斷，再由MCU主控制器計算超聲波收發時間差。所述超聲波換能器采用高靈敏防水型收發一體的超聲波探頭。溫度傳感器10是PT100溫度傳感器，用于多次采集斜插金屬板9進入土壤層后各點的溫度，然后取平均值對超聲波聲速補償。本專利技術裝置在測試土壤含水量之前，需先對被測土質進行取樣標定，獲得該土質的含水量與超聲波回波電壓有效值與收發時間差的函數關系后，存在存儲器模塊中，存儲器模塊選用數據傳輸速率最大150M比特每秒的穿行FLASH系列存儲器芯片W25X16AVSIG。一種土壤含水量超聲波檢測方法，包括下述步驟:(1)分析被測土質的質地特征，利用激光粒度儀測定該土質的土壤顆粒粒徑均值，根據超聲波波長不小于測得的土壤顆粒粒徑值的原理，選取檢測該類型土壤的最佳超聲波頻率；(2)對被測土質進行取樣標定，獲得該土質的含水量與超聲波回波有效電壓值和有效聲速的函數模型；(3)采用所述的便攜式土壤含水量超聲波檢測裝置來檢測待測土壤，獲得有效電壓值和有效聲速，通過所建立的函數模型，獲得對應的含水量值，重復試驗三次，取平均值作為被測土壤的含水量。步驟(2)的具體步驟為：測量在0％含水量土壤不同溫度下的收發時間差，得出0％含水量的溫度聲速VT與溫度值的表格；測定不同含水量樣本中超聲波進入土壤和容器底面強反射后的回波有效電壓值U與超聲波從發射到接收到回波的時間差T，并根據時間差T計算得到實測聲速Vt；定義有效聲速為Vv＝|Vt-VT|，與有效電壓值U作為標定數據并記錄；然后，分別制作有效電壓值U、有效聲速Vv與土壤含水量P的關系表格，通過關系表格建立有效電壓值U、有效聲速Vv與土壤含水量P的函數模型，并根據測得的多組標定數據確定模型中的參數。本專利技術的原理是：超聲波檢測技術是利用超聲波在介質中傳播時的某些特性進行測量。不同含水量的土壤，其內部結構也不同，隨著含水量的增大，土壤內部顆粒與顆粒之間距離變小，孔隙也會變小，土壤總體積變小，密度變大，單位體積內的土壤孔隙度也會變小。由于空氣的波阻抗遠小于水的波阻抗，空氣與水的反射系數很大，超聲波在其界面上幾乎全反射；而水的波阻抗與土壤中顆粒物的波阻抗相差不大，超聲波在其界面上的反射相對較弱，因此超聲波能量的衰減也就較弱。當土壤含水量增大時，單位體積內的土壤孔隙度變小，其空氣與水的反射面變少，水與土壤中顆粒物的反射面變多，所以超聲波衰減也就變小。基于上述分析，可以利用超聲波在土壤中的衰減特性測量出超聲波在不同含水量土壤中回波的相對值，從而獲取到土壤含水量信息和超聲波回波相對值的關系特性。超聲檢測是土體非破損檢測技術中的一個重要方面，由于聲波在土壤中的傳播速度能反映土壤的密實度，而土壤的密實度又與土壤的含水量直接有關，因此可以通過測定超聲波在土壤中的傳播速度來推定土壤的含水量。本專利技術與現有技術相比具有如下優點和效果：(1)本專利技術利用聲速與回波幅值雙參數來測定土壤的含水量，具有重復性好和可互補校準的特點，成本低，且精度高。(2)本專利技術裝置的超聲波能穿入土壤內層進行檢測，檢測過程無損，且靈敏度高，能利用回波直接在土壤表層推定其一定厚度的土壤含水量。(3)本專利技術超聲波在測量時能夠多次重復使用，對人體無害，且適用性廣。附圖說明圖1為便攜式土壤含水量超聲波檢測裝置的結構示意圖。圖2為便攜式土壤含水量超聲波檢測裝置的正視圖。圖3為便攜式土壤含水量超聲波檢測裝置的實際工況操作圖。圖4為探測頭的內部結構圖。圖5為探測頭的結構框圖。圖6為本專利技術的檢測步驟流程圖。其中，1、探測頭；2、支撐平臺；3、水平基座；4、光軸導軌；5、螺桿；6、旋轉手柄；7、法蘭直線軸承；8、鐵板螺母；9、斜插金屬板；10、溫度傳感器；11、彈簧卡扣；12、滑塊；13、顯示屏；14、本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種便攜式土壤含水量超聲波檢測裝置，其特征在于：包括探測頭和可調高度支架；所述可調高度支架包括螺桿、光軸導軌、方孔陣列斜插金屬板、水平基座、彈簧卡扣和支撐平臺；探測頭安裝于滑塊上，滑塊安裝于支撐平臺上，探測頭可沿著支撐平臺水平移動；所述螺桿和光軸導軌的直徑相同且相互平行，并與水平基座和支撐平臺的平面垂直，螺桿通過鐵板螺母與支撐平臺相連接，光軸導軌通過法蘭直線軸承與支撐平臺相連接；光軸導軌與螺桿共同決定支撐平臺的運動方向，螺桿的頂端與旋轉手柄相連接，用于調節支撐平臺的上下移動，螺桿的底端與滾輪滾針軸承軸頭相連接，滾輪滾針軸承外圈與水平基座剛性連接；光軸導軌與水平基座剛性連接；水平基座與方孔陣列斜插金屬板成固定角度夾角并通過彈簧卡扣相連接，彈簧卡扣與斜插金屬板的方孔配合，用于調節斜插金屬板進入土壤的深度；斜插金屬板上安裝有溫度傳感器。

【技術特征摘要】
1.一種便攜式土壤含水量超聲波檢測裝置，其特征在于：包括探測頭和可調高度支架；所述可調高度支架包括螺桿、光軸導軌、方孔陣列斜插金屬板、水平基座、彈簧卡扣和支撐平臺；探測頭安裝于滑塊上，滑塊安裝于支撐平臺上，探測頭可沿著支撐平臺水平移動；所述螺桿和光軸導軌的直徑相同且相互平行，并與水平基座和支撐平臺的平面垂直，螺桿通過鐵板螺母與支撐平臺相連接，光軸導軌通過法蘭直線軸承與支撐平臺相連接；光軸導軌與螺桿共同決定支撐平臺的運動方向，螺桿的頂端與旋轉手柄相連接，用于調節支撐平臺的上下移動，螺桿的底端與滾輪滾針軸承軸頭相連接，滾輪滾針軸承外圈與水平基座剛性連接；光軸導軌與水平基座剛性連接；水平基座與方孔陣列斜插金屬板成固定角度夾角并通過彈簧卡扣相連接，彈簧卡扣與斜插金屬板的方孔配合，用于調節斜插金屬板進入土壤的深度；斜插金屬板上安裝有溫度傳感器。2.根據權利要求1所述的便攜式土壤含水量超聲波檢測裝置，其特征在于：滑塊的頂部放置有顯示屏。3.根據權利要求1所述的便攜式土壤含水量超聲波檢測裝置，其特征在于：所述探測頭包括MCU主控制器、交流脈沖發生器、功率放大器、微弱信號放大器、濾波器、電源、過零比較器、超聲波換能器、存儲器模塊、顯示屏和AD轉換器；所述交流脈沖發生器連接功率放大器，功率放大器連接超聲波換能器，MCU主控制器連接交流脈沖發生器控制超聲波發射；所述超聲波換能器連接微弱信號放大器，微弱信號放大器連接濾波器；所述濾波器的輸出端連接過零比較器和AD轉換器；所述過零比較器和AD轉換器分別與MCU主控制器的定時器中斷輸入端...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李君，徐巖，姜銳，李斌，楊益彬，
申請(專利權)人：華南農業大學，
類型：發明
國別省市：廣東;44