一种土壤电导率测量装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种土壤电导率测量装置，主要包括传感器单元和数据采集和处理单元；所述传感器单元主要包括直线等间隔配置的电极；所述数据采集和处理单元主要包括电压转换电路、信号调理电路、模数转换器、数据控制器和液晶显示电路，还包括交流源信号产生电路、交流恒流源输出电路以及交流恒流源电流调节电路。根据所公开的土壤电导率测量装置，本发明专利技术还公开了一种土壤电导率测量方法。本发明专利技术可根据所测农田的土壤特性，随时调整输入土壤的激励电流大小，以保证传感器在任何土壤条件下都工作在线性区域，具有高的测量精度，还具有数据显示和存储功能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及传感技术和土壤理化特性测量技术，特别涉及一种土 壤电导率测量装置和方法。
技术介绍
土壤学研究表明，土壤电导率是土壤的一个重要参量。它与土壤 质地、含盐量、有机物水平、阳离子交换水平、排水条件等影响作物 产量的特性有着很好的相关性。因此，土壤电导率信息的获取对于确 定各种田间参数空间分布的差异具有很重大的意义。土壤电导率的测量大致可分为实验室测量和现场测量两大类。实 验室测量首先要制备土壤浸提液，然后利用电极法测量土壤浸提液的 电导率，利用土壤浸提液的测量值表征土壤电导率的变化。这种传统 的实验室方法作为标准测量方法具有较高的精度，也是评价土壤电导 率高低的基准，但测量过程繁瑣，耗费时间较长，实时性差，不能满 足现代精细农业要求短时间内完成大批量测量的要求。土壤电导率的现场测 量主要有两种基本设计思路基于电磁感应 原理的非接触式设计和基于"电流-电压四端法"的接触式设计。非 接触式设计利用了电磁感应原理(EMI),它是利用伴随受原始地下 场感应而生成的地下交变电流所引起的电磁场检测土壤电导率，即向 仪器内部的发射线圈通入交变电流，用接收线圈来感应土壤中磁场的 变化，通过所测磁场的变化来表征土壤电导率的值。基于电磁感应原 理的非接触式设计的典型代表产品是加拿大Geonics公司生产的 EM38, EM38产品价格昂贵，无法适应国内农业广泛使用的需要， 大部分应用于科学实验研究。另一种接触式设计是基于"电流-电压 四端法"理论，运用该理论，在测量土壤电导率时，可以不需要釆集土样，不搅动土体，保持原态原位连续观测，而且在作物生长前和生 长期间都可以设法实现实时测量，符合现代精细农业对农田土壤信,皇、 获取的要求。国内外已有基于此原理的土壤电导率测试仪器的研究开发，如美国Veris Technology公司生产的Veris3100 土壤电导率测试仪以及中国农业大学精细农业研究中心开发的基于六柱式电极传感器 的具有中耕功能的车载式电导率快速测量设备。上述两种设备，其输入电极激励电流信号的大小在仪器制造完成后都是固定的，使得当待 测土壤电导率平均值偏离仪器测量范围的平均值时，带来较大的测量 误差。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种具有可调节交流 恒流源输出的激励电流，可获得高的信噪比和高测量精度的土壤电导 率测量装置和方法。为了实现上述目的，本专利技术提出了一种土壤电导率测量装置，主要包括传感器单元和数据釆集和处理单元；所述传感器单元主要包括 直线等间隔配置的电极；所述数据釆集和处理单元主要包括电压转换 电路、信号调理电路、模数转换器、数据控制器和液晶显示电路；其 特征在于所述数据釆集和处理单元还包括交流源信号产生电路、交流恒 流源输出电路以及交流恒流源电流调节电路；所述电压转换电路与外部电源相连，将外部电源提供的直流电转 换为交流电分别提供给交流源信号产生电路、交流恒流源输出电路、 信号调理电路和数据控制器；所述交流源信号产生电路与交流恒流源输出电路相连，将交流源 信号产生电路产生的正弦信号提供给交流恒流源输出电路；所述交流恒流源输出电路通过一精密电阻与所述传感器单元相 连，将交流恒流源输出电路产生的交流恒流信号提供给传感器单元；所述传感器单元与信号调理电路相连，将传感器单元釆集到的电 压降信号送入信号调理电路；所述传感器单元、信号调理电路、数据控制器和精密电阻之间接 有一个钮子开关，钮子开关工作至电流端时，交流恒流源输出电路、精密电阻与信号调理电路参与构成交流恒流源电流调节电路；所述信号调理电路与模数转换器相连，将信号调理电路处理后得 到的模拟信号提供给模数转换器进行转换；所述模数转换器与数据控制器相连，数据控制器对模数转换器转 换后的数据进行分析得到土壤电导率值。上述技术方案中，所述传感器单元电极有4个，外侧2个电极中 一个电极接交流恒流源输出端，并与所述纽子开关管脚l相连，另一 个电极接地，并与所述纽子开关管脚4相连；内侧2个电极中一个电 极接所述纽子开关管脚3，另一个电极接所述纽子开关管脚6。上述技术方案中，所述交流源信号产生电路釆用芯片MAX038 作为正弦信号发生器。 ，上述技术方案中，所述交流恒流源输出电路釆用芯片LM324构 成深度负反馈电路。上述技术方案中，所述数据釆集和处理单元中还包括存储电路， 该存储电路将数据控制器输出的土壤电导率结果存储在与其连接的 外部存储设备中。在土壤电导率测量装置中贯穿着土壤电导率测量方法，其特征在 于，包括以下步骤(1 )电压转换电路将外部龟源提供的直流电转换为交流电分别 提供给交流源信号产生电路、交流恒流源输出电路、信号调理电路和 数据控制器；(2)交流源信号产生电路中正弦信号发生器产生正弦信号传给 交流恒流源输出电路进行处理；(3 )交流恒流源输出电路产生的交流恒流信号经过 一 个精密电阻传到传感器单元的两个外侧电极；(4) 交流恒流源输出电路、精密电阻和信号调理电路组成的交流恒流源电流调节电路根据检测到的精密电阻两端的电压实时调节交流恒流信号的大小；(5) 传感器单元两个内侧电极釆集到的电压降信号送入信号调 理电路单元进行处理；(6) 信号调理电路单元处理后的模拟信号经过模数转换，再通 过数据控制器对数据进行线性回归运算转换为土壤电导率值，并通过 液晶显示电路显示数据和存储电路存储数据。上述土壤电导率测量方法中，所述步骤(4)中通过调节交流恒 流源输出电路中滑动变阻器来调节交流恒流信号的大小。 本专利技术的优点和有益效果在于本专利技术釆用交流恒流源设计，避免了土壤的极化现象，并且采用 了交流恒流源电流调节电路，在交流恒流源输出电路中设置了滑动变 阻器，可以根据所测农田的土壤质地结构的不同，随时调整土壤中输入电流的大小。本专利技术中正弦信号发生器釆用了芯片MAX038作为信号发生器， 具有外围电路简单，性能稳定可靠，频率易于控制等特点。设计的交 流恒流源釆用芯片LM324构成深度负反馈电路，保证激励电流不随 负载变化而变化。交流恒流源电流调节电路根据精密电阻两端的电压 实时调节交流恒流信号的大小。本专利技术还具备了数据存储功能，能够实现大量数据的快速实时存 储，满足农业工程实践的需要。附图说明图l为本专利技术土壤电导率测量装置的原理结构框图； 图2为本专利技术土壤电导率测量装置中电压转换电路原理图；图3为本专利技术土壤电导率测量装置中交流恒流源电路中电流值测量原理图4为本专利技术土壤电导率测量装置中正弦信号产生电路原理图5为本专利技术土壤电导率测量装置交流恒流源输出电路原理图6为本专利技术土壤电导率测量装置中九脚钮子开关外观示意图7为本专利技术土壤电导率测量装置中九脚钮子开关管脚分布图8为本专利技术土壤电导率测量装置中信号调理电路原理图9为本专利技术土壤电导率测量装置中差分电路原理图10为本专利技术土壤电导率测量装置中有效值转换电路原理图11为本专利技术土壤电导率测量装置中放大电路原理图12为本专利技术土壤电导率测量装置中A/D转换电路原理图13为本专利技术土壤电导率测量装置中系统控制面板示意图。具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式就本专利技术所述的土壤电导率测量 装置和方法做进一步说明。本专利技术的土壤电导率测量装置主要包括传感器单元以及数据采 集和处理单元，其中，传感器单元主要包括直本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种土壤电导率测量装置，主要包括传感器单元和数据采集和处理单元；所述传感器单元主要包括直线等间隔配置的电极；所述数据采集和处理单元主要包括电压转换电路、信号调理电路、模数转换器、数据控制器和液晶显示电路；其特征在于：　所述数据采集和处 理单元还包括：交流源信号产生电路、交流恒流源输出电路以及交流恒流源电流调节电路；　所述电压转换电路与外部电源相连，将外部电源提供的直流电转换为交流电分别提供给交流源信号产生电路、交流恒流源输出电路、信号调理电路和数据控制器；　所 述交流源信号产生电路与交流恒流源输出电路相连，将交流源信号产生电路产生的正弦信号提供给交流恒流源输出电路；　所述交流恒流源输出电路通过一精密电阻与所述传感器单元相连，将交流恒流源输出电路产生的交流恒流信号提供给传感器单元；　所述 传感器单元与信号调理电路相连，将传感器单元采集到的电压降信号送入信号调理电路；　所述传感器单元、信号调理电路、数据控制器和精密电阻之间接有一个钮子开关，钮子开关工作至电流端时，交流恒流源输出电路、精密电阻与信号调理电路参与构成交流恒流 源电流调节电路；　所述信号调理电路与模数转换器相连，将信号调理电路处理后得到的模拟信号提供给模数转换器进行转换；　所述模数转换器与数据控制器相连，数据控制器对模数转换器转换后的数据进行分析得到土壤电导率值。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李民赞，陈玲，赵勇，张俊宁，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]