一种陶土介质电容式土壤基质势测量方法技术

本发明专利技术公开了一种陶土介质电容式土壤基质势测量方法，属于土壤基质势测量技术领域。本发明专利技术的特征在于通过以透水不透气的新型陶土材料为电容介质的电容式传感器将土壤基质势的变化量转变为可测量电容的变化量，基于频率振荡器的原理将电容的变化转变为方波频率的变化，运用直接测频法对频率进行高精度测量，经数据拟合后完成土壤基质势的测量。该方法所需传感器基于电容原理，与现有方法相比，具有精度高，抗干扰能力强，学习、使用成本低，适合于大部分土壤测量条件等优势。一次安装便可长期使用，可分布式测量，数据经处理可以得到土壤基质势的空间分布。该方法为我国水文研究方面提供了一种新思路，具有很高的科学价值。

【技术实现步骤摘要】
一种陶土介质电容式土壤基质势测量方法
本专利技术涉及一种土壤基质势测量方法，具体涉及一种基于陶土介质的电容原理的土壤基质势测量方法，属于土壤基质势测量

技术介绍
土壤基质势是指在非饱和条件下，由土壤基质的吸附力和毛管力造成的势能，是土壤水势的主要组成部分。目前土壤基质势的研究已经成为土壤学、生态学、水资源学以及资源与环境科学等相关学科的基础和前沿研究领域，越来越受到重视。直接测量土壤基质势的方法主要以水银负压计为主，例如公开号为CN204832185U，名为“一种刻度式水势测定仪”的专利技术专利，土壤基质势的大小通过水量的刻度来表示，这种方法虽然直观，但是必须人工进行读数，测量作业量大，费时费力，而且读数存在误差，不利于高精度的测量研究。通过测量土壤含水量间接测得土壤基质势的有很多方法，其中时域反射法较为广泛应用，然而公开号为CN103207188A，名为“一种基于时域反射的土壤水分测量方法”的专利技术专利，利用电磁在不同介质的传输速度差异，通过测定土壤的介电常数来计算土壤水分含量。这种方法不仅受时间精度的影响，而且不同土壤类型也会对结果造成影响。不利于高精度的测量研究，也不能广泛应用。而公开号为CN102455282A，名为“测量土壤含水量的方法”的专利技术是利用可见近红外与热红外遥感数据定量化计算土壤含水量，该方法复杂且成本高，不利于推广。其它方法，例如烘干称重法，通过分离土壤中的水分与干土，计算水和干土的质量之比来确定土壤中水分含量，但该方法需要实地取土采样，人工采样在地点与距离选取上具有一定的局限性，烘干流程中所需的实验仪器较多，流程复杂，而且不能及时显示土壤水分含量的变化，应用范围不大；中子测量法利用中子仪上的探头发射高能中子，高能中子在土壤中与氢核碰撞将高能中子转化为慢热中子，通过探测器检测慢热中子，进而换算出土壤体积含水量。这种方法仪器价格昂贵，还存在潜在的辐射影响，容易影响测量人员的身体健康和给土地造成污染，而且测量时受到土地类型和土壤板结程度大小的影响。综上所述，现有方法或使用麻烦，流程复杂；或受环境影响较大，测量误差大；或价格昂贵，难以大规模推广，因此需要寻找一种成本较低、精度较高、易于安装使用、测量结果不受土壤类型、时间精度等因素影响并可实现分布式连续测量的土壤基质势测量方法，为现代农业、土壤水运动和生态研究提供技术支持。
技术实现思路
针对现有土壤基质势测量方法存在使用麻烦、流程复杂、不稳定、价格昂贵和不能大规模推广等问题，本专利技术提出一种可多点测量的，精度高，抗干扰能力强，学习、使用成本低，适合于大部分土壤测量条件的基于电容原理的陶土介质电容式土壤基质势测量方法。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种陶土介质电容式土壤基质势测量方法，采用了电容式土壤基质势实时测量系统，将土壤基质势的测量化为电容式传感器的电容值，通过测量电容的变化，经数据拟合后可反映土壤基质势的变化，具体阐述如下：将电容式土壤基质势实时测量系统中的测量端插入土壤指定深度，电容式土壤基质势实时测量系统的电容式传感器包括透水不透气的陶土材料电容介质，当土壤基质势改变时，渗入陶土材料中的水分发生改变，从而使电容式传感器的电容发生改变，电容的计算公式采用下式：C＝kεrε0式中，C为电容式传感器的电容，k为几何常数(m)，由电容式传感器上电容介质的面积和厚度决定，s为电容式传感器电容介质的面积(单位m2)，d为电容式传感器电容介质的厚度(单位m)，ε0为真空中相对介电常数，为1，可视为εr为陶土中按照体积比例混合的相对介电常数；εr取决于渗透进陶土材料的水分含量，陶土和水分体积所占比例决定了电容介质的相对介电常数，公式为εr＝∑Viεi其中，Vi为陶土或水分占整体体积的比例，εi为陶土或水分的相对介电常数；电容的测量基于频率振荡器的原理，在辅助电阻固定的情况下，输出方波信号频率的变化取决于电容的变化，振荡频率的计算采用以下公式：f＝(R1+2R2)Cln2其中f为频率振荡器输出方波的频率，单位Hz，R1和R2为固定电阻，单位为Ω，C为电容式传感器的电容，电容的变化可转化频率变化的方波信号，通过测量方波信号的频率可得电容的值；方波信号频率的测量是在确定的闸门时间T内，利用计数器对待测信号进行计数，根据所得计数个数N，得到频率的大小，具体计算公式为其中fx为所得频率的大小，单位Hz；T为闸门时间，单位为s；将测量的频率与在相同条件下由水银负压计所测得数据结合起来，经数据拟合可得到方波频率与土壤基质势的对应关系。更进一步的方案是：所述的陶土的相对介电常数为6，水的相对介电常数为80.4。更进一步的方案是：所述电容式土壤基质势实时测量系统，包括依次连接的电容式测量单元、测量处理单元、数据传输单元、终端；所述电容式测量单元包括箭型金属前端和电容式传感器，所述电容式传感器包括金属连接杆和从上往下依次设置的上极板、第一陶瓷介质、金属导体、第二多孔陶瓷介质、下极板，所述金属连接杆将上极板、第一陶瓷介质、金属导体、第二多孔陶瓷介质、下极板贯穿连接，且所述金属连接杆将上下极板短接，金属连接杆与金属导体绝缘；所述箭型金属前端与金属导体连接，箭型金属前端与上极板、下极板绝缘；电容式测量单元将土壤基质势转化为电容值，当土壤基质势发生改变时，陶瓷片(第一陶瓷介质、第二多孔陶瓷介质)内部的含水量也会相应发生变化，从而电容式传感器的电容值也会发生变化，实现土壤基质势变化与电容变化之间的关联。所述箭型金属前端的最大直径与电容式传感器的外圆直径相等；所述测量处理单元、数据传输单元置于外壳内，所述外壳的最大直径与电容式传感器的外圆直径相等。更进一步的方案是：所述上极板和下极板上均设有镂空，以增加土壤与第一陶瓷介质、第二多孔陶瓷介质接触面积，使其适应不同土壤硬度，提高测量准确率。所述第一陶瓷介质、第二多孔陶瓷介质均为透水不透气的陶瓷片，避免了不同土壤间差异造成的影响，提高了整个装置的测量精度。更进一步的方案是：所述测量处理单元包括频率振荡电路和嵌入式MCU处理器，所述频率振荡电路的输入端与电容式传感器连接，频率振荡电路的输出端与嵌入式MCU处理器连接，嵌入式MCU处理器与数据传输单元连接。频率振荡电路根据电容式传感器电容值的不同输出不同频率的方波，从而建立土壤基质势-电容-频率之间的联系，频率振荡电路实现电容到频率的转化，嵌入式MCU处理器根据频率振荡电路实时得出频率数据，以使整个测量变得简单、准确。更进一步的方案是：所述电容式土壤基质势实时测量系统还包括电路保护单元，所述电路保护单元与测量处理单元连接；电路保护单元包括依次连接的检测电阻、放大电路、峰值检波和比较电路，所述检测电阻与频率振荡电路连接，所述峰值检波和比较电路与嵌入式MCU处理器连接。检测电阻的阻值很小，放大电路对检测电阻两端的电压进行采样放大，并利用峰值检波和比较电路获得其电压幅值，该电压幅值与基准电压进行比较，比较结果输入到嵌入式MCU处理器中，当测量处理单元短路时，嵌入式MCU处理器切断整个系统供电，以保证整个装置的安全和使用寿命。更进一步的方案是：所述数据传输单元包括无线传输模块，无线传输模块将测量处理单元的数据传递给终端进行显示和存储。所述无线传输模块为蓝牙模块。嵌入式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种陶土介质电容式土壤基质势测量方法，其特征在于：所述的陶土介质电容式土壤基质势测量方法，采用了电容式土壤基质势实时测量系统，并具体包括：将电容式土壤基质势实时测量系统中的测量端插入土壤指定深度，电容式土壤基质势实时测量系统的电容式传感器包括透水不透气的陶土材料电容介质，当土壤基质势改变时，渗入陶土材料中的水分发生改变，从而使电容式传感器的电容发生改变，电容的计算公式采用下式：C＝kεrε0

【技术特征摘要】
1.一种陶土介质电容式土壤基质势测量方法，其特征在于：所述的陶土介质电容式土壤基质势测量方法，采用了电容式土壤基质势实时测量系统，并具体包括：将电容式土壤基质势实时测量系统中的测量端插入土壤指定深度，电容式土壤基质势实时测量系统的电容式传感器包括透水不透气的陶土材料电容介质，当土壤基质势改变时，渗入陶土材料中的水分发生改变，从而使电容式传感器的电容发生改变，电容的计算公式采用下式：C＝kεrε0式中，C为电容式传感器的电容，k为几何常数，单位为m，由电容式传感器上电容介质的面积和厚度决定，s为电容式传感器电容介质的面积，单位为m2，d为电容式传感器电容介质的厚度，单位为m，ε0为真空中相对介电常数，为1，εr为陶土中按照体积比例混合的相对介电常数；εr取决于渗透进陶土材料的水分含量，陶土和水分体积所占比例决定了电容介质的相对介电常数，公式为εr＝∑Viεi其中，Vi为陶土或水分占整体体积的比例，εi为陶土或水分的相对介电常数；电容的测量基于频率振荡器的原理，在辅助电阻固定的情况下，输出方波信号频率的变化取决于电容的变化，振荡频率的计算采用以下公式：f＝(R1+2R2)Cln2其中f为频率振荡器输出方波的频率，单位Hz，R1和R2为固定电阻，单位为Ω，C为电容式传感器的电容，电容的变化可转化频率变化的方波信号，通过测量方波信号的频率可得电容的值；方波信号频率的测量是在确定的闸门时间T内，利用计数器对待测信号进行计数，根据所得计数个数N，得到频率的大小，具体计算公式为其中fx为所得频率的大小，单位Hz；T为闸门时间，单位为s；将测量的频率与在相同条件下由水银负压计所测得数据结合起来，经数据拟合可得到方波频率与土壤基质势的对应关系。2.根据权利要求1所述陶土介质电容式土壤基质势测量方法，其特征在于：所述的陶土的相对介电常数为6，水的相对介电常数为80.4。3.根据权利要求2所述陶土介质电容式土壤基质势测量方法，其特征在于：所述电容式土壤基质势实时测量系统，包括依次连接的电容式测量单元、测...

【专利技术属性】
技术研发人员：李立，李国强，王康，曹瑞轩，刘斯齐，陈宁，夏可为，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42