專利名稱：埋置式土壤含水量傳感器及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土壤墑情信息采集系統(tǒng)中用于測(cè)試土壤含水量的一種傳感器及其設(shè) 置方法，具體的說是埋置式土壤含水量傳感器及設(shè)置方法。
背景技術(shù)：
目前，土壤墑情信息采集系統(tǒng)的儀器設(shè)備中，采用的烘干法、張力計(jì)法、中子水分 儀法、時(shí)域反射法或頻域法等來測(cè)試土壤含水量，存在著自動(dòng)化程度低、測(cè)試深度淺、人為 因素干擾大、環(huán)境要求高等不同的問題，對(duì)土壤墑情信息的采集帶來不便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種埋置式土壤含水量傳感器及其應(yīng)用，以便靈活地測(cè)出距 地表面以下不同深度的土壤含水量數(shù)據(jù)，并能遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)信息。本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案本發(fā)明埋置式土壤含水量傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是設(shè)置傳感器為圓筒體，所述圓筒體 是由多個(gè)單元測(cè)試筒沿著圓筒體的軸線方向串插組裝形成，圓筒體的上端有頂蓋，下端有 底座，中央以貫穿的螺桿串接固定。本發(fā)明埋置式土壤含水量傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于所述單元測(cè)試筒在其筒體的上端是承插頭，在筒體的下端是承插座；筒體的上端 筒口內(nèi)有上支承架，筒體的下端筒口內(nèi)有下支承架；所述上支承架和下支承架上各有處在 中央的一個(gè)螺桿通孔、等距對(duì)稱的四個(gè)通氣孔和靠近筒體側(cè)壁的一個(gè)導(dǎo)線通孔；濕敏元件 覆于筒體的整個(gè)外側(cè)筒壁，濕敏元件的連接導(dǎo)線從筒體內(nèi)上支承架的導(dǎo)線孔中引出。所述單元測(cè)試筒外徑為10cm，高度為10. 5cm。在所述筒體的外表面以噴涂的方式形成濕敏元件的基底層，在所述基底層上，以 相互間為平行、間隔且繞筒體呈螺旋形布置的金屬電極片a和金屬電極片b粘貼于基底層 上，感濕材料填充滿兩金屬電極片之間的間隙并覆蓋在金屬電極片的表面。所述頂蓋和底座均與筒體等外徑；所述螺桿通孔、等距對(duì)稱的四個(gè)通氣孔和靠近 筒體側(cè)壁的一個(gè)導(dǎo)線通孔共同貫穿頂蓋和底座。本發(fā)明埋置式土壤含水量傳感器的設(shè)置方式的特點(diǎn)是按如下過程進(jìn)行a、在土壤含水量測(cè)試點(diǎn)的地面上，清除地表雜物，畫出測(cè)試坑的開挖范圍；b、用鐵鍬按每IOcm厚的水平層面進(jìn)行分層挖土，不同水平層面的原質(zhì)土分別編 號(hào)裝入塑料袋，挖至設(shè)計(jì)深度；C、將傳感器鉛直放置于測(cè)試坑的中心，其傳感器的頂面與地面平齊，在傳感器的 兩側(cè)對(duì)稱地分層回填并夯實(shí)對(duì)應(yīng)水平層面上的原質(zhì)土至地面；d、在土壤含水量測(cè)試點(diǎn)的地面上，鋪筑2 3cm厚直徑為IOOcm的圓形砂礫層，在 砂礫層的周圍挖出排水溝，圍上保護(hù)柵欄，完成傳感器的設(shè)置。本發(fā)明的埋置式土壤含水量傳感器基于以下工作原理
把埋置式土壤含水量傳感器埋置于測(cè)試坑內(nèi)，其每個(gè)單元測(cè)試筒外側(cè)的濕敏元件 與測(cè)試坑的土壤緊密接觸，土壤含水量感濕于濕敏元件，且土壤中含水量大小與感濕于濕 敏元件的濕度成正比。濕敏元件是由粘貼于絕緣基底上的兩條平行間隔且繞筒體螺旋布置 電極片，其間隙與表面涂覆氯化鋰感濕材料做成的。由于氯化鋰是典型的離子晶體，屬于非 親合型電解質(zhì)，對(duì)極性水分子的吸引力極強(qiáng)，離子水分程度相當(dāng)高的材料。由氯化鋰制成的 感濕材料，有穩(wěn)定性、耐溫性、滯后誤差小和使用壽命長(zhǎng)等特性。當(dāng)土壤中的水份吸附在感 濕材料上時(shí)，濕敏元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測(cè)得濕度數(shù)據(jù)，再 通過土壤含水量測(cè)試儀處理，得出測(cè)試點(diǎn)每IOcm測(cè)試層的土壤含水量數(shù)據(jù)。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在本發(fā)明的一種埋置式土壤含水量傳感器及設(shè)置方法，在測(cè)試點(diǎn)挖坑埋置傳感器 后，附近安裝土壤含水量測(cè)試儀和太陽能電池板，能自動(dòng)按時(shí)無線發(fā)射出距地表面以下10、 20,30……200cm不同深度土壤含水量的測(cè)試數(shù)據(jù)。具有精度高、分辨率好、響應(yīng)速度快、壽 命長(zhǎng)、造價(jià)低、占地少、安裝簡(jiǎn)便、對(duì)環(huán)境要求小、實(shí)時(shí)遠(yuǎn)距離采集數(shù)據(jù)等特點(diǎn)，滿足自動(dòng)化、 標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化及通用的要求，是一種先進(jìn)的土壤墑情信息采集系統(tǒng)的儀器設(shè)備。


圖1為本發(fā)明中設(shè)置的埋置式土壤含水量傳感器正視結(jié)構(gòu)示意圖。圖2A為本發(fā)明中單元測(cè)試筒俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖2B為本發(fā)明中單元測(cè)試筒正剖視結(jié)構(gòu)示意圖。圖2C為本發(fā)明中單元測(cè)試筒仰視結(jié)構(gòu)示意圖。圖3A為本發(fā)明中頂蓋正剖視結(jié)構(gòu)示意圖。圖3B為本發(fā)明中頂蓋仰視結(jié)構(gòu)示意圖。圖4A為本發(fā)明中底座正剖視結(jié)構(gòu)示意圖。圖4B為本發(fā)明中底座俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號(hào)1地面、2測(cè)試坑、3砂礫層、4傳感器、5螺桿、11單元測(cè)試筒、12筒體、 13承插頭、14承插座、15上支承架、16下支承架、21基底層、22感濕材料、23金屬電極片a、 24金屬電極片b、31頂蓋、32通氣孔、33螺桿孔、34導(dǎo)線孔、41底座。
具體實(shí)施例方式參見圖1A、圖1B，本實(shí)施例中使用埋置式土壤含水量傳感器的設(shè)置方法，具體是 按如下工序進(jìn)行a、在土壤含水量測(cè)試點(diǎn)的地面1上，清除地表雜物，畫出測(cè)試坑2的開挖范圍；b、用鐵鍬按每IOcm厚的水平層面進(jìn)行分層挖土，不同水平層面的原質(zhì)土分別編 號(hào)裝入塑料袋，挖至設(shè)計(jì)深度；C、將傳感器4鉛直放置于測(cè)試坑2的中心，傳感器4的頂面與地面1平齊，在傳感 器4的兩側(cè)對(duì)稱地分層回填并夯實(shí)原質(zhì)土至地面1 ；d、在傳感器4所在位置的地面1上，鋪筑2 3cm厚、直徑為IOOcm的圓形砂礫層 3，在砂礫層3的周圍挖出排水溝，圍上保護(hù)柵欄，完成傳感器的設(shè)置；e、在距傳感器4 一米以外的磚臺(tái)上，安裝土壤含水量測(cè)試儀、太陽能電池板和無
4線發(fā)射天線；f、經(jīng)連線與調(diào)試，土壤含水量測(cè)試儀自動(dòng)按時(shí)無線傳輸出測(cè)試點(diǎn)處，距地表面以 下10、20、30……200cm不同深度土壤的含水量數(shù)據(jù)。參見圖2A、圖2B、圖2C、圖3A、圖3B、圖4A、圖4B，本實(shí)施例中的埋置式土壤含水量 傳感器4的結(jié)構(gòu)形式為埋置式土壤含水量傳感器4為圓筒體，由多個(gè)單元測(cè)試筒11沿著圓筒體的軸線方 向串插組裝形成，圓筒體的上端有頂蓋31，下端有底座41，中央以貫穿的螺桿5串接固定。單元測(cè)試筒11在其筒體12的上端是承插頭13，在筒體12的下端是承插座14 ；筒 體12的上端筒口內(nèi)有上支承架15，筒體12的下端筒口內(nèi)有下支承架16 ；上支承架15和下 支承架16上各有處在中央的一個(gè)螺桿通孔33、等距對(duì)稱的四個(gè)通氣孔32和靠近筒體側(cè)壁 的一個(gè)導(dǎo)線通孔34 ；濕敏元件覆于筒體12的整個(gè)外側(cè)筒壁，濕敏元件的連接導(dǎo)線從筒體12 內(nèi)上支承架15的導(dǎo)線孔34中引出。單元測(cè)試筒11外徑為10cm，高度為10. 5cm。在筒體12的外表面，是以環(huán)氧樹脂為材質(zhì)、以噴涂的方式形成濕敏元件的基底層 21，在基底層21上，以相互間為平行、間隔且繞筒體12呈螺旋形布置的金屬電極片a23和 金屬電極片b24粘貼于基底層21上，感濕材料22填充滿兩金屬電極片之間的間隙并覆蓋 在金屬電極片的表面。頂蓋31和底座41均與筒體12等外徑；螺桿通孔33、等距對(duì)稱的四個(gè)通氣孔32和 靠近筒體側(cè)壁的一個(gè)導(dǎo)線通孔34共同貫穿頂蓋31和底座41。測(cè)試坑2的作用是埋置埋置式土壤含水量傳感器4 ；砂礫層3的作用是為測(cè)試點(diǎn) 地表面透氣，防止生長(zhǎng)根系長(zhǎng)的植物；埋置式土壤含水量傳感器4的作用是傳感出距地表 面以下每IOcm厚土層的含水量；螺桿5的作用是組裝埋置式土壤含水量傳感器4時(shí)固定單 元測(cè)試筒11 ；單元測(cè)試筒11的作用是傳感出IOcm厚土層的含水量；筒體12的作用是粘貼 濕敏元件；承插頭13的作用是組裝成傳感器時(shí)，插入上個(gè)單元測(cè)試筒11的承插座14 ；承插 座14的作用是組裝成傳感器時(shí)，讓下個(gè)單元測(cè)試筒11的承插頭13插入；上支承架15和下 支承架16的作用是固定筒體12，將筒體12支承于螺桿5 ；基底層21的作用是粘貼金屬電 極片a23、金屬電極片b24和感濕材料22，并起絕緣作用；感濕材料22的作用是其電阻值受 濕度變化而改變；金屬電極片a23、金屬電極片b24的作用是濕敏元件的電極；頂蓋31的作 用是組裝固定單元測(cè)試筒11 ；通氣孔32的作用是為單元測(cè)試筒11內(nèi)通氣；螺桿孔33的作 用是固定單元測(cè)試筒11 ；導(dǎo)線孔34的作用是引出感濕元件的導(dǎo)線；底座41的作用是組裝 固定單元測(cè)試筒11。埋置式土壤含水量傳感器性能1.量程5% 100% RH ；2.精度士5% RH;3.分辨率0. OlRH ；4.響應(yīng)時(shí)間吸濕≤20S ；脫濕≤40S ；5.單元測(cè)試層厚度10cm;6.測(cè)試深度2m ；7.工作溫度0°C 60°C ；
8.穩(wěn)定性彡2% RH/年;9.電源:+12v ；10.單元測(cè)試筒尺寸Φ 100 X 105mm (直徑X高)。
權(quán)利要求
一種埋置式土壤含水量傳感器，其特征是設(shè)置傳感器(4)為圓筒體，所述圓筒體是由多個(gè)單元測(cè)試筒(11)沿著圓筒體的軸線方向串插組裝形成，圓筒體的上端有頂蓋(31)，下端有底座(41)，中央以貫穿的螺桿(5)串接固定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的埋置式土壤含水量傳感器，其特征是所述單元測(cè)試筒(11)在 其筒體(12)的上端是承插頭(13)，在筒體(12)的下端是承插座(14)；筒體(12)的上端筒 口內(nèi)有上支承架(15)，筒體(12)的下端筒口內(nèi)有下支承架(16)；所述上支承架(15)和下 支承架(16)上各有處在中央的一個(gè)螺桿通孔(33)、等距對(duì)稱的四個(gè)通氣孔(32)和靠近筒 體側(cè)壁的一個(gè)導(dǎo)線通孔(34)；濕敏元件覆于筒體(12)的整個(gè)外側(cè)筒壁，濕敏元件的連接導(dǎo) 線從筒體(12)內(nèi)上支承架(15)的導(dǎo)線孔(34)中引出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的埋置式土壤含水量傳感器，其特征是所述單元測(cè)試筒(11)外 徑為10cm，高度為10. 5cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的埋置式土壤含水量傳感器(4)，其特征是在所述筒體(12) 的外表面以噴涂的方式形成濕敏元件的基底層(21)，在所述基底層(21)上，以相互間為平 行、間隔且繞筒體(12)呈螺旋形布置的金屬電極片a (23)和金屬電極片b (24)粘貼于基底 層(21)上，感濕材料(22)填充滿兩金屬電極片之間的間隙并覆蓋在金屬電極片的表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的埋置式土壤含水量傳感器，其特征在于所述頂蓋(31)和底 座(41)均與筒體(12)等外徑；所述螺桿通孔(33)、等距對(duì)稱的四個(gè)通氣孔(32)和靠近筒 體側(cè)壁的一個(gè)導(dǎo)線通孔(34)共同貫穿頂蓋(31)和底座(41)。
6.一種使用權(quán)利要求1所述埋置式土壤含水量傳感器的設(shè)置方式，其特征是按如下過 程進(jìn)行a、在土壤含水量測(cè)試點(diǎn)的地面(1)上，清除地表雜物，畫出測(cè)試坑(2)的開挖范圍；b、用鐵鍬按每IOcm厚的水平層面進(jìn)行分層挖土，不同水平層面的原質(zhì)土分別編號(hào)裝 入塑料袋，挖至設(shè)計(jì)深度；c、將傳感器(4)鉛直放置于測(cè)試坑(2)的中心，其傳感器(4)的頂面與地面(1)平齊， 在傳感器(4)的兩側(cè)對(duì)稱地分層回填并夯實(shí)對(duì)應(yīng)水平層面上的原質(zhì)土至地面(1)；d、在土壤含水量測(cè)試點(diǎn)的地面(1)上，鋪筑2 3cm厚直徑為IOOcm的圓形砂礫層(3)， 在砂礫層(3)的周圍挖出排水溝，圍上保護(hù)柵欄，完成傳感器的設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種埋置式土壤含水量傳感器及其應(yīng)用，其特征是設(shè)置傳感器為圓筒體，圓筒體是由多個(gè)單元測(cè)試筒沿著圓筒體的軸線方向串插組裝形成，圓筒體的上端有頂蓋，下端有底座，中央以貫穿的螺桿串接固定。本發(fā)明與配合設(shè)置的土壤含水量測(cè)試儀和太陽能電池板，能夠自動(dòng)按時(shí)無線發(fā)射出距地表面以下不同深度土壤含水量的測(cè)試數(shù)據(jù)。具有精度高、分辨率好、響應(yīng)速度快、造價(jià)低、占地少、實(shí)時(shí)遠(yuǎn)距離采集數(shù)據(jù)等特點(diǎn)，是一種先進(jìn)的土壤墑情信息采集系統(tǒng)的儀器設(shè)備。
文檔編號(hào)G01N27/04GK101975802SQ20101053042
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月3日
發(fā)明者劉麗, 周玉良, 張禮兵, 汪哲蓀, 酈建強(qiáng), 金菊良 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)