CN110672817A

CN110672817A - 一种土壤多参数测量仪及测量方法

Info

Publication number: CN110672817A
Application number: CN201911024955.XA
Authority: CN
Inventors: 邢振; 董大明; 田宏武; 赵贤德; 矫雷子; 李传霞
Original assignee: Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture
Current assignee: Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2020-01-10

Abstract

本发明实施例涉及土壤检测技术领域，公开了一种土壤多参数测量仪及测量方法，其中测量仪包括：壳体、第一固定板、第二固定板和升降驱动机构；第一固定板横置固定于壳体的内部，第二固定板设于壳体的内部且位于第一固定板的上方，第二固定板与若干个传感器的一端相连，传感器的另一端穿过第一固定板，升降驱动机构与第二固定板相连，第一固定板上朝下设有光源和探测器，壳体的底座上与光源的光线方向对应位置处设有透镜，壳体的底座上与传感器的位置对应处设有通孔，底座的下方可拆卸连接有校正板。本发明实施例提供的一种土壤多参数测量仪及测量方法，具有体积小、携带方便、能够实时测量土壤多个参数数据的特点，提高了测量的实用性。

Description

一种土壤多参数测量仪及测量方法

技术领域

本发明涉及土壤检测技术领域，尤其涉及一种土壤多参数测量仪及测量方法。

背景技术

土壤是植物健康生长发育的场所，其水分、电导率、温度和营养元素直接影响作物的生长、作物产量和品质。土壤水分和温度是非常重要的土壤物理参数，它会影响土壤中营养物质和微生物活动的溶解和转移过程，是决定土壤肥力的重要因素；另外，土壤氮素和有机质是促进植物根、茎、叶的个体生长，是形成一定品质产品的首要营养元素。因此，如何能够有效的监测土壤水分、温度、电导率、氮素和有机质含量等，对于科学灌溉、精准施肥，防止土壤板结、提高水肥利用率和作物产量和品质具有重要的作用。

虽然现在测量土壤类的传感器种类较多，比如，水分传感器、温度传感器、电导率传感器、氮素传感器等，但这些传感器测量的参数比较单一，无法满足对土壤进行多参数进行测量。

发明内容

本发明实施例提供一种土壤多参数测量仪及测量方法，用以解决或部分解决现有测量土壤的传感器测量参数单一的问题，实现土壤的多参数测量。

本发明实施例提供一种土壤多参数测量仪，包括：壳体、第一固定板、第二固定板和升降驱动机构；所述壳体为中空结构，所述第一固定板横置固定于所述壳体的内部，所述第二固定板设于所述壳体的内部且位于所述第一固定板的上方，所述第二固定板朝向所述第一固定板的侧面与若干个传感器的一端相连，所述传感器的另一端穿过所述第一固定板，所述升降驱动机构与所述第二固定板相连、用于驱动所述第二固定板升降移动，所述第一固定板上朝下设有光源和探测器，所述壳体的底座上与所述光源的光线方向对应位置处设有透镜，所述壳体的底座上与所述传感器的位置对应处设有通孔，所述底座的下方可拆卸连接有校正板。

在上述方案的基础上，所述升降驱动机构包括弹簧以及相匹配的磁铁和线圈；所述弹簧套设于所述传感器且两端分别和所述第一固定板和所述第二固定板对应相连，所述磁铁设于所述第二固定板，所述线圈设于所述第一固定板。

在上述方案的基础上，所述第一固定板和/或所述第二固定板与所述弹簧的对应位置处设有固定槽，所述弹簧的端部插入所述固定槽中，所述弹簧的外侧套设有套筒，所述套筒的一端与所述第一固定板相连，且所述套筒的长度小于所述弹簧处于自然状态下的长度。

在上述方案的基础上，若干个所述传感器至少包括温度传感器、pH值传感器和电导率传感器。

在上述方案的基础上，所述光源的光线方向与所述第一固定板呈45°夹角设置。

在上述方案的基础上，所述光源包括多个LED灯，多个所述LED灯的波长不同，多个所述LED灯沿所述第一固定板的周向分布在所述第一固定板的边缘部位，所述探测器设于所述第一固定板的中间部位。

在上述方案的基础上，还包括设于所述第一固定板上的主控板以及设于所述壳体上的显示单元；所述主控板分别与所述显示单元、传感器、线圈和光源相连，所述主控板上设有数据存储单元、线圈驱动电路、光源驱动电路、信号处理电路和AD转换电单元。

本发明实施例提供一种基于上述土壤多参数测量仪的土壤多参数测量方法，包括：根据测量指令，驱动若干个传感器向下移动穿过底座插入待测土壤中，获取待测土壤的温度、pH值和电导率信息；启动光源照射土壤，探测器接收土壤反射光，获得土壤反射信号；根据土壤反射信号以及基准信号，获得土壤的水分含量和氮含量。

在上述方案的基础上，还包括：将校正板与底座相连，启动光源照射校正板；探测器接收校正板反射光；根据校正板反射光，获得基准信号。

在上述方案的基础上，根据土壤反射信号以及基准信号，获得土壤的水分含量和氮含量具体包括：根据波长分别为1450nm和1920nm的两种光源下、土壤反射信号和基准信号的比例关系，以及土壤的温度，pH值和电导率，获得土壤的水分含量；根据波长分别为1375nm、1520nm、2100nm和2387nm的四种光源下、土壤反射信号和基准信号的比例关系，以及土壤的水分含量，获得土壤的氮含量。

本发明实施例提供的一种土壤多参数测量仪及测量方法，具有体积小、携带方便、能够实时测量土壤多个参数数据的特点，提高了测量的实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的土壤多参数测量仪的结构示意图；

图2为本发明实施例的土壤多参数测量仪的光路图；

图3为本发明实施例中LED灯的分布示意图；

图4为本发明实施例的土壤多参数测量仪的原理框图。

附图标记说明：

1—显示单元； 2—壳体； 3—第二固定板；

4—磁铁； 5—弹簧； 6—套筒；

7—LED灯； 8—第一固定板； 9—探测器；

10—固定架； 11—校正板； 12—透镜；

13—传感器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供一种土壤多参数测量仪，参考图1，该测量仪包括：壳体2、第一固定板8、第二固定板3和升降驱动机构。壳体2为中空结构，第一固定板8横置固定于壳体2的内部，第二固定板3设于壳体2的内部且位于第一固定板8的上方，第二固定板3朝向第一固定板8的侧面与若干个传感器13的一端相连，传感器13的另一端穿过第一固定板8,升降驱动机构与第一固定板3相连、用于驱动第二固定板3升降移动，第一固定板8上朝下设有光源和探测器9，壳体2的底座上与光源的光线方向对应位置处设有透镜12，壳体2的底座上与传感器13的位置对应处设有通孔，底座的下方可拆卸连接有校正板11。

本实施例提供的一种土壤多参数测量仪，当需要对土壤进行测量时，可将矫正板从底座下方拆卸下来，将壳体2放置在待测土壤上，且将壳体2的底座压实放在待测土壤上。然后启动升降驱动机构带动第二固定板3下降，即朝向第一固定板8移动。第二固定板3上的各传感器13穿过第一固定板8朝向底座移动，直至穿出底座插入待测土壤中。各传感器13可通过接触土壤直接获取土壤的相关参数。

另外，该测量仪还可启动光源，照射土壤，并通过探测器9接收土壤的反射光，通过对接收到的反射光信号的分析还可获得土壤中的氮含量以及水分含量参数。该测量仪体积小、携带方便、能够实时测量土壤多个参数数据。

进一步地，校正板11用于测量背景光，作为计算水分和氮素含量的参比光。校正板11与底座相接的一侧面设有白色涂层。校正板11用于在对待测土壤进行测量之前，将校正板11安装在底座的下方，然后启动光源将光线照射到校正板11上，探测器9接收校正板11反射的光线信号，作为土壤反射光信号的参照对比。

进一步地，第二固定板3与第一固定板8之间的间距应大于等于传感器13的底端与底座之间的间距，使得升降驱动机构带动第二固定板3下降时，传感器13能够顺利穿出底座插入到待测土壤中，以顺利实现测量。

进一步地，壳体2的顶部设有上盖，底部设有底座。壳体2与上盖和底座可分别通过螺纹可拆卸连接。探测器9可为光电探测器。

在上述实施例的基础上，进一步地，升降驱动机构包括弹簧5以及相匹配的磁铁4和线圈；弹簧5套设于传感器13且两端分别和第一固定板8和第二固定板3对应相连，磁铁4设于第二固定板3，线圈设于第一固定板8。

线圈为磁性线圈，通过给线圈通电，可在线圈处产生磁力，进而可与磁铁4间产生作用力。传感器13初始位于壳体2内部，第二固定板3初始位于第一固定板8上方一定距离处。弹簧5初始可处于自然状态，即自然伸长的状态。

线圈通电产生磁力，吸引位于第二固定板3上的磁铁4，使得第二固定板3朝向第一固定板8移动，实现传感器13的移动，同时压缩弹簧5。在测量完成时，通过给线圈断电，可解除对第二固定板3的吸引力，第二固定板3在弹簧5的弹力下恢复初始位置，即向上移动，使得传感器13收回至壳体2内部，便于携带且不易损坏。

进一步地，第二固定板3在初始位置，可通过弹簧5的支撑进行固定。可在第一固定板8的下方设置固定架10对第一固定板8进行支撑固定。固定架10可固定于底座内侧。

在上述实施例的基础上，进一步地，第一固定板8和/或第二固定板3与弹簧5的对应位置处设有固定槽，弹簧5的端部插入固定槽中，弹簧5的外侧套设有套筒6，套筒6的一端与第一固定板8相连，且套筒6的长度小于弹簧5处于自然状态下的长度。

弹簧5固定于第一固定板8和第二固定板3之间。可在弹簧5的一端或两端设置固定槽与弹簧5相连，便于保证弹簧5的位置稳定，避免发生位移而影响测量。套筒6用于对弹簧5的伸缩进行限位固定，有利于弹簧5按照预设路径进行伸缩，保证弹簧5的顺利伸缩。

进一步地，套筒6的长度小于弹簧5处于自然状态下的长度，从而为弹簧5的伸缩提供活动空间。第二固定板3与套筒6顶部之间的距离应大于等于传感器13的底端与底座之间的距离，保证传感器13能够伸出与土壤接触。

在上述实施例的基础上，进一步地，若干个传感器13至少包括温度传感器、pH值传感器和电导率传感器。也可根据需要加设其他传感器13。

在上述实施例的基础上，进一步地，光源的光线方向与第一固定板8呈45°夹角设置。可提高光谱的获取效率。

在上述实施例的基础上，进一步地，光源包括多个LED灯7，多个LED灯7的波长不同，多个LED灯7沿第一固定板8的周向分布在第一固定板8的边缘部位，探测器9设于第一固定板8的中间部位。参考图2，多个LED灯7的光线方向应朝向第一固定板8的中间部位倾斜45°。

进一步地，为测量土壤的水分含量和氮含量，可设置六个LED灯7。且六个LED灯7的波长分别为1375nm、1450nm、1520nm、1920nm、2100nm和2387nm；对应设有六个透镜12。该具体的六种波长的光源，可通过波长为1450nm和1920nm的两种光源下探测器9接收到的土壤反射光信号，以及土壤的温度，pH值和电导率，获得土壤的水分含量；根据波长分别为1375nm、1520nm、2100nm和2387nm的四种光源下探测器9接收到的土壤反射光信号，以及土壤的水分含量，获得土壤的氮含量。

在上述实施例的基础上，进一步地，一种土壤多参数测量仪还包括设于第一固定板8上的主控板以及设于壳体2上的显示单元1；主控板分别与显示单元1、传感器13、线圈和光源相连，主控板上设有数据存储单元、线圈驱动电路、光源驱动电路、信号处理电路和AD转换电单元。

如图4所示为该土壤多参数测量仪的原理框图，其包括：控制单元即主控板、显示单元1可为触摸显示屏或其他液晶显示单元、数据存储单元、线圈驱动电路、LED驱动电路即光源驱动电路、光电探测器、信号处理电路、AD转换电单元、多路LED灯7以及传感器13。其中：显示单元1采用OLED彩色液晶模块，用于显示测量的参数信息以及用于人工交互，用户可通过该单元输入需要测量的参数；数据存储单元采用非易失的大容量铁电存储器FM24V10，用于存储测量数据和关键参数；线圈驱动电路在控制单元的控制下产生驱动电流为线圈供电，进而产生磁场，吸引第二固定板3上的磁铁4，便于第二固定板3上的传感器13上下移动；LED驱动电路为6路LED提供稳定的电流，并在控制单元的控制下点亮或点灭；光电探测器9用于获取反射光的光信号，并把光信号转换成微弱的电信号；信号处理电路和AD转换电单元把微弱的电信号进行放大和模数转换，转换成适合控制单元处理的电信号；电导率传感器、温度传感器和pH值传感器分别获取土壤的EC值、温度值和pH值。

在上述实施例的基础上，进一步地，本实施例提供一种基于上述任一实施例所述土壤多参数测量仪的土壤多参数测量方法，包括：根据测量指令，驱动若干个传感器13向下移动穿过底座插入待测土壤中，获得待测土壤的温度、pH值和电导率信息；启动光源照射土壤，探测器9接收土壤反射光，获得土壤反射信号；根据土壤反射信号以及基准信号，获得土壤的水分含量和氮含量。

在上述实施例的基础上，进一步地，一种土壤多参数测量方法还包括：将校正板11与底座相连，启动光源照射校正板11；探测器9接收校正板11反射光；根据校正板11反射光，获得基准信号。

在上述实施例的基础上，进一步地，根据土壤反射信号以及基准信号，获得土壤的水分含量和氮含量具体包括：根据波长分别为1450nm和1920nm的两种光源下、土壤反射信号和基准信号的比例关系，以及土壤的温度，pH值和电导率，获得土壤的水分含量；根据波长分别为1375nm、1520nm、2100nm和2387nm的四种光源下、土壤反射信号和基准信号的比例关系，以及土壤的水分含量，获得土壤的氮含量。

在上述实施例的基础上，进一步地，如图1所示，为一种小型化土壤多参数测量仪的结构图，包括：OLED显示屏，仪器壳体2，第二固定板3，磁铁4，弹簧5，套筒6，LED灯7，第一固定板8，探测器9，固定架10，校正板11，透镜12，传感器13。其中，OLED显示屏镶嵌在仪器壳体2的上部，用于显示测量的数据信息；仪器壳体2包括上盖、底座和中间体，中间体的上部和下部具有外螺纹，分别与具有内螺纹的上盖和底座连接；第一固定板8固定在底座上，上面有弹簧5、套筒6、6只LED灯7和探测器9等；弹簧5置于套筒6中，传感器13从中穿过，不工作的时候，由于线圈没有电流通过，无磁性，传感器13会在弹簧5力的作用下使第二固定板3升起，进而使传感器13缩回到仪器壳体2内；第二固定板3上固定有三只传感器13，分别为温度传感器、pH值传感器和电导率传感器；透镜12镶嵌在底座上，主要用于防止土壤进入仪器内部和通过不同波长的光；校正板11用于测量背景光，作为计算水分和氮素含量的参比光。

如图2所示为一种小型化土壤多参数测量仪的光路图，其包括：光电探测器9、6个LED灯7(波长分别为1375nm、1450nm、1520nm、1920nm、2100nm和2387nm)和6个透镜12组成，其光路如图2所示，LED灯7发射的光经透镜12照射到土壤上，没有被土壤吸收的光，经透镜12反射到探测器9上；6只LED灯7的分布如图3所示，第一固定板8可为圆形，6只LED可两两为一组分为三组，三组沿第一固定板8的周向均匀分布。

本实施例的具体方案是：当需要对土壤进行测量时，打开测量仪的开关，主控板驱动LED灯7使其开始工作，探测器9接收校正板11(内部涂成白色)的反射光，并把光信号转变成微弱的电信号，通过信号处理电路和模数转换电路把信号进行放大和转换，并发送给主控板进行保存，即为V_bλ(b表示背景光，LED照射到校正板11上经反射被探测器9接收、处理并转换的电压值，λ表示LED的波长)。然后，去除校正板11，使测量仪的下表面与土壤接触并压实土壤，此时，打开测量按钮，主控板通过线圈驱动电路给线圈通电，此时，线圈会产生磁力，吸引第二固定板3上的磁铁4，进而使第二固定板3向下运动，带动传感器13插入土壤中。

然后，主控板会根据用户需求采集土壤的温度信息T_S、pH值(P_S)和电导率(G_S)，并进行保存。然后，主控板驱动LED灯7对土壤进行照射，会有部分光被土壤吸收，没有被吸收的光经土壤反射被探测器9接收进而转变成微弱的电信号，经信号处理电路和AD转换电路把电信号进行放大和转换，并发送给主控板进行保存，即为V_Sλ(s表示土壤反射光经探测器9接收、处理并转换时的电压值，λ表示LED的波长)。然后，主控板会根据预置的模型参数进行计算，输出显示氮含量、水分含量、温度、pH值和电导率等信息。水分和氮素的计算是根据土壤质地，通过给与不同的权重，通过多元线性回归，求得数据模型，具体如下：

其中：W为水分含量，可为体积分数；N为氮素含量；α、β、γ、η、ε、θ、σ、τ、ω、υ为多元线性回归的权重。其中各权重的具体数值可根据实验获得。该计算数据模型，通过给与不同的权重，克服了多参数间的相互耦合、相互影响，提高了测量的准确度。

对于土壤这种复杂的多孔介质，无法通过一种参数进行客观的测量，因为，这些参数本身是相互影响的，所以本实施例提出一种小型化多参数测量土壤的仪器。目的就是能够同时测量土壤水分、温度、电导率、有机质及氮素等参数，克服了目前土壤类传感器13测量参数单一、无法克服土壤参数之间相互影响的问题。

该小型化土壤多参数测量仪，具有体积小、携带方便、能够实时测量土壤多个参数数据，并能够根据参数间的关系对数据进行优化，提高了测量的准确性和实用性；采用了特殊的光路设计和校正方法，提高了光谱的获取效率和校正的方便性；采用了特殊的机电结构设计，保证了多参数测量时互不影响；采用了一体化设计，校正板11具有防尘和校正功能。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种土壤多参数测量仪，其特征在于，包括：壳体、第一固定板、第二固定板和升降驱动机构；所述壳体为中空结构，所述第一固定板横置固定于所述壳体的内部，所述第二固定板设于所述壳体的内部且位于所述第一固定板的上方，所述第二固定板朝向所述第一固定板的侧面与若干个传感器的一端相连，所述传感器的另一端穿过所述第一固定板，所述升降驱动机构与所述第二固定板相连、用于驱动所述第二固定板升降移动，所述第一固定板上朝下设有光源和探测器，所述壳体的底座上与所述光源的光线方向对应位置处设有透镜，所述壳体的底座上与所述传感器的位置对应处设有通孔，所述底座的下方可拆卸连接有校正板。

2.根据权利要求1所述的土壤多参数测量仪，其特征在于，所述升降驱动机构包括弹簧以及相匹配的磁铁和线圈；所述弹簧套设于所述传感器且两端分别和所述第一固定板和所述第二固定板对应相连，所述磁铁设于所述第二固定板，所述线圈设于所述第一固定板。

3.根据权利要求2所述的土壤多参数测量仪，其特征在于，所述第一固定板和/或所述第二固定板与所述弹簧的对应位置处设有固定槽，所述弹簧的端部插入所述固定槽中，所述弹簧的外侧套设有套筒，所述套筒的一端与所述第一固定板相连，且所述套筒的长度小于所述弹簧处于自然状态下的长度。

4.根据权利要求1所述的土壤多参数测量仪，其特征在于，若干个所述传感器至少包括温度传感器、pH值传感器和电导率传感器。

5.根据权利要求1所述的土壤多参数测量仪，其特征在于，所述光源的光线方向与所述第一固定板呈45°夹角设置。

6.根据权利要求1所述的土壤多参数测量仪，其特征在于，所述光源包括多个LED灯，多个所述LED灯的波长不同，多个所述LED灯沿所述第一固定板的周向分布在所述第一固定板的边缘部位，所述探测器设于所述第一固定板的中间部位。

7.根据权利要求2所述的土壤多参数测量仪，其特征在于，还包括设于所述第一固定板上的主控板以及设于所述壳体上的显示单元；所述主控板分别与所述显示单元、传感器、线圈和光源相连，所述主控板上设有数据存储单元、线圈驱动电路、光源驱动电路、信号处理电路和AD转换电单元。

8.一种基于上述权利要求1-7任一所述土壤多参数测量仪的土壤多参数测量方法，其特征在于，包括：

根据测量指令，驱动若干个传感器向下移动穿过底座插入待测土壤中，获取待测土壤的温度、pH值和电导率信息；

启动光源照射土壤，探测器接收土壤反射光，获得土壤反射信号；

根据土壤反射信号以及基准信号，获得土壤的水分含量和氮含量。

9.根据权利要求8所述的土壤多参数测量方法，其特征在于，还包括：

将校正板与底座相连，启动光源照射校正板；

探测器接收校正板反射光；

根据校正板反射光，获得基准信号。

10.根据权利要求8所述的土壤多参数测量方法，其特征在于，根据土壤反射信号以及基准信号，获得土壤的水分含量和氮含量具体包括：

根据波长分别为1450nm和1920nm的两种光源下、土壤反射信号和基准信号的比例关系，以及土壤的温度，pH值和电导率，获得土壤的水分含量；

根据波长分别为1375nm、1520nm、2100nm和2387nm的四种光源下、土壤反射信号和基准信号的比例关系，以及土壤的水分含量，获得土壤的氮含量。