本發(fā)明屬于土壤基質(zhì)勢(shì)測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種電容式土壤基質(zhì)勢(shì)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：土壤基質(zhì)勢(shì)是指在非飽和條件下，由土壤基質(zhì)的吸附力和毛管力造成的勢(shì)能，是土壤水勢(shì)主要組成部分，對(duì)非飽和土壤的水分運(yùn)動(dòng)和保持具有重要作用。土壤基質(zhì)勢(shì)是研究土壤中水體流動(dòng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，通常通過測(cè)量土壤含水量間接反映土壤基質(zhì)勢(shì)的情況?，F(xiàn)有的土壤基質(zhì)勢(shì)測(cè)量通常采用直接測(cè)量法、各向異性測(cè)量法、頻(時(shí))域反射法，上述三種方法各有優(yōu)劣：直接測(cè)量法以水銀負(fù)壓計(jì)為主，例如公開號(hào)為cn204832185u，名為“一種刻度式水勢(shì)測(cè)定儀”的發(fā)明專利，土壤基質(zhì)勢(shì)的大小通過水量的刻度來表示，這種方法雖然直觀，但是必須人工進(jìn)行讀數(shù)，測(cè)量作業(yè)量達(dá)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且讀數(shù)存在誤差，不利于高精度的測(cè)量研究。各向異性測(cè)量法需要對(duì)土壤進(jìn)行取樣，例如公開號(hào)為cn103822845a，名為“一種非飽和土體水力特性的各向異性測(cè)量裝置及測(cè)量方法”的發(fā)明專利，該方法可以測(cè)量多種土壤參數(shù)，但是需要對(duì)土壤進(jìn)行采樣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，數(shù)據(jù)不具有實(shí)時(shí)性和連續(xù)性，該方法會(huì)對(duì)土壤的原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響進(jìn)而影響到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；該方法因必須采樣，所以對(duì)深層土壤情況的監(jiān)測(cè)難度較大。頻(時(shí))域反射法(fdr/tdr)是利用高頻電磁波在不同介電常數(shù)物質(zhì)中傳播的頻率不同的原理，通過測(cè)量土壤中高頻電磁波的頻率測(cè)量土壤含水量，例如公開號(hào)為cn103592338a，名為“一種基于頻域反射法的管針式土壤含水率檢測(cè)方法和裝置”的發(fā)明專利，該方法測(cè)量精度較高但是只能測(cè)量淺層土壤，并且由于使用有線傳輸，所以難以大規(guī)模使用。因此，我們迫切需要一種測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、能既能對(duì)淺層土壤，又能對(duì)深層土壤進(jìn)行土壤基質(zhì)勢(shì)測(cè)量的裝置。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種電容式土壤基質(zhì)勢(shì)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)能確保測(cè)量數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性、連續(xù)性和準(zhǔn)確性，且該測(cè)量系統(tǒng)能既能對(duì)淺層土壤進(jìn)行土壤基質(zhì)勢(shì)測(cè)量，又能對(duì)深層土壤進(jìn)行土壤基質(zhì)勢(shì)測(cè)量。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種電容式土壤基質(zhì)勢(shì)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，包括電容式測(cè)量單元、測(cè)量處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、終端；所述電容式測(cè)量單元，測(cè)量處理單元，數(shù)據(jù)傳輸單元、終端依次連接；所述電容式測(cè)量單元包括箭型金屬前端和電容式傳感器，所述電容式傳感器包括金屬連接桿和從上往下依次設(shè)置的上極板、第一陶瓷介質(zhì)、金屬導(dǎo)體、第二多孔陶瓷介質(zhì)、下極板，所述金屬連接桿將上極板、第一陶瓷介質(zhì)、金屬導(dǎo)體、第二多孔陶瓷介質(zhì)、下極板貫穿連接，且所述金屬連接桿將上下極板短接，金屬連接桿與金屬導(dǎo)體絕緣；所述箭型金屬前端與金屬導(dǎo)體連接，箭型金屬前端與上極板、下極板絕緣；電容式測(cè)量單元將土壤基質(zhì)勢(shì)轉(zhuǎn)化為電容值，當(dāng)土壤基質(zhì)勢(shì)發(fā)生改變時(shí)，陶瓷片(第一陶瓷介質(zhì)、第二多孔陶瓷介質(zhì))內(nèi)部的含水量也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，從而電容式傳感器的電容值也會(huì)發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)土壤基質(zhì)勢(shì)變化與電容變化之間的關(guān)聯(lián)。所述箭型金屬前端的最大直徑與電容式傳感器的外圓直徑相等；所述測(cè)量處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元置于外殼內(nèi)，所述外殼的最大直徑與電容式傳感器的外圓直徑相等。按上述方案，所述上極板和下極板上均設(shè)有鏤空，以增加土壤與第一陶瓷介質(zhì)、第二多孔陶瓷介質(zhì)接觸面積，使其適應(yīng)不同土壤硬度，提高測(cè)量準(zhǔn)確率。按上述方案，所述第一陶瓷介質(zhì)、第二多孔陶瓷介質(zhì)均為透水不透氣的陶瓷片，避免了不同土壤間差異造成的影響，提高了整個(gè)裝置的測(cè)量精度。按上述方案，所述電容式土壤基質(zhì)勢(shì)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)還包括電路保護(hù)單元，所述電路保護(hù)單元與測(cè)量處理單元連接；電路保護(hù)單元包括依次連接的檢測(cè)電阻、放大電路、峰值檢波和比較電路，所述檢測(cè)電阻與頻率振蕩電路連接，所述峰值檢波和比較電路與嵌入式mcu處理器連接。檢測(cè)電阻的阻值很小，放大電路對(duì)檢測(cè)電阻兩端的電壓進(jìn)行采樣放大，并利用峰值檢波和比較電路獲得其電壓幅值，該電壓幅值與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，比較結(jié)果輸入到嵌入式mcu處理器中，當(dāng)測(cè)量處理單元短路時(shí)，嵌入式mcu處理器切斷整個(gè)系統(tǒng)供電，以保證整個(gè)裝置的安全和使用壽命。按上述方案，所述測(cè)量處理單元包括頻率振蕩電路和嵌入式mcu處理器，所述頻率振蕩電路的輸入端與電容式傳感器連接，頻率振蕩電路的輸出端與嵌入式mcu處理器連接，嵌入式mcu處理器與數(shù)據(jù)傳輸單元連接。頻率振蕩電路根據(jù)電容式傳感器電容值的不同輸出不同頻率的方波，從而建立土壤基質(zhì)勢(shì)-電容-頻率之間的聯(lián)系，頻率振蕩電路實(shí)現(xiàn)電容到頻率的轉(zhuǎn)化，嵌入式mcu處理器根據(jù)頻率振蕩電路實(shí)時(shí)得出頻率數(shù)據(jù)，以使整個(gè)測(cè)量變得簡單、準(zhǔn)確。按上述方案，所述數(shù)據(jù)傳輸單元包括無線傳輸模塊，無線傳輸模塊將測(cè)量處理單元的數(shù)據(jù)傳遞給終端進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。所述無線傳輸模塊為藍(lán)牙模塊。嵌入式mcu處理器處理完的數(shù)據(jù)先保存在自身的ram之中，每經(jīng)過一段時(shí)間便將ram內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至rom內(nèi)；同時(shí)嵌入式mcu處理器通過無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸終端進(jìn)行顯示和處理。采用無線傳輸模塊避免了大規(guī)模走線對(duì)土壤原結(jié)構(gòu)的影響，確保了測(cè)量的準(zhǔn)確性。按上述方案，所述嵌入式mcu處理器與存儲(chǔ)單元連接，以便于數(shù)據(jù)的保存。按上述方案，所述測(cè)量處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、電路保護(hù)單元置于一塊pcb板上，增加了裝置的集成程度，減小了整個(gè)裝置的體積，以便于攜帶及操作。按上述方案，金屬導(dǎo)體的后端與連接桿連接，錘擊連接桿，將電容式土壤基質(zhì)勢(shì)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)插入土壤指定深度，以使整個(gè)裝置適用于淺層土壤和深層土壤。按上述方案，金屬導(dǎo)體與箭型金屬前端一體成型，以方便制作和確保整個(gè)裝置的穩(wěn)定性。本發(fā)明的有益效果在于：箭型金屬前端減小了整個(gè)裝置插入土壤時(shí)的阻力，可適用于淺層土壤和深層土壤的土壤基質(zhì)勢(shì)測(cè)量；電容式傳感器的外圓直徑與箭型金屬前端的最大直徑相等，以便于土壤與電容式傳感器接觸，增加測(cè)量準(zhǔn)確性；電容式傳感器由金屬連接桿、上極板、第一陶瓷介質(zhì)、金屬導(dǎo)體、第二多孔陶瓷介質(zhì)、下極板組成，其結(jié)構(gòu)簡單、制作方便；結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，測(cè)量數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性和連續(xù)性；測(cè)量結(jié)果直接發(fā)送到終端，避免了人工讀數(shù)，既準(zhǔn)確又省力；以陶瓷作為極間介質(zhì)，避免了每次使用前的校準(zhǔn)，同時(shí)提高了精度；能適用于各種類型土壤并且對(duì)土壤原結(jié)構(gòu)無大的改變，確保了測(cè)量的準(zhǔn)確性。附圖說明下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：圖1是本發(fā)明電容式土壤基質(zhì)勢(shì)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是電容式土壤基質(zhì)勢(shì)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的主視圖；圖3是電容式土壤基質(zhì)勢(shì)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的俯視圖；圖4是電容式土壤基質(zhì)勢(shì)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的仰視圖；圖5是電容式土壤基質(zhì)勢(shì)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的使用框圖；圖6是電容式土壤基質(zhì)勢(shì)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)物示意圖；其中：1、箭型金屬前端，2、電容式傳感器，3、金屬連接桿，4、上極板，5、第一陶瓷介質(zhì)，6、金屬導(dǎo)體，7、第二多孔陶瓷介質(zhì)，8、下極板，9、頻率振蕩電路，10、嵌入式mcu處理器，11、連接桿，12、藍(lán)牙模塊，13、終端，14、存儲(chǔ)單元，15、防腐蝕合金外殼，16、鏤空，17、電路保護(hù)單元。具體實(shí)施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。參見圖1-圖6，一種電容式土壤基質(zhì)勢(shì)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，包括電容式測(cè)量單元、測(cè)量處理單元、電路保護(hù)單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和終端，測(cè)量處理單元、電路保護(hù)單元、數(shù)據(jù)傳輸單元置于防腐蝕合金外殼15內(nèi)。測(cè)量處理單元通過處理極間電容變化將測(cè)量轉(zhuǎn)化為不同頻率的電信號(hào)；數(shù)據(jù)傳輸單元向用戶實(shí)時(shí)傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)。電容式測(cè)量單元包括箭型金屬前端1和電容式傳感器2，電容式傳感器2包括金屬連接桿3和從上往下依次設(shè)置的上極板4、第一陶瓷介質(zhì)5、金屬導(dǎo)體6、第二多孔陶瓷介質(zhì)7、下極板8，金屬連接桿3將上極板4、第一陶瓷介質(zhì)5、金屬導(dǎo)體6、第二多孔陶瓷介質(zhì)7、下極板8貫穿連接，且金屬連接桿3將上下極板短接，金屬連接桿3與金屬導(dǎo)體6絕緣；箭型金屬前端1與上極板4、下極板8絕緣，且箭型金屬前端1與金屬導(dǎo)體2一體成型。為了便于電容式傳感器2與土壤良好接觸，箭型金屬前端1的最大直徑與電容式傳感器2的外圓直徑相等。為了便于將整個(gè)裝置插入土壤中，防腐蝕合金外殼15的最大直徑與電容式傳感器2的外圓直徑相等。電容式測(cè)量單元將土壤基質(zhì)勢(shì)轉(zhuǎn)化為電容值，當(dāng)土壤基質(zhì)勢(shì)發(fā)生改變時(shí)，陶瓷片(第一陶瓷介質(zhì)5、第二多孔陶瓷介質(zhì)7)內(nèi)部的含水量也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，從而電容式傳感器的電容值也會(huì)發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)土壤基質(zhì)勢(shì)變化與電容變化之間的關(guān)聯(lián)。測(cè)量處理單元包括頻率振蕩電路9和嵌入式mcu處理器10，頻率振蕩電路9的輸入端與電容式傳感器2連接，頻率振蕩電路9的輸出端與嵌入式mcu處理器10連接，嵌入式mcu處理器10與數(shù)據(jù)傳輸單元連接。頻率振蕩電路9根據(jù)電容式傳感器2電容值的不同輸出不同頻率的方波，從而建立土壤基質(zhì)勢(shì)-電容-頻率之間的聯(lián)系，頻率振蕩電路9實(shí)現(xiàn)電容到頻率的轉(zhuǎn)化，嵌入式mcu處理器10根據(jù)頻率振蕩電路9實(shí)時(shí)得出頻率數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸單元實(shí)時(shí)傳遞給終端13。為了保證低功耗特性，數(shù)據(jù)傳輸采用的是藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊將測(cè)量處理單元的數(shù)據(jù)傳遞給終端進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。電路保護(hù)單元包括依次連接的檢測(cè)電阻、放大電路、峰值檢波和比較電路，檢測(cè)電阻與頻率振蕩電路9連接，峰值檢波和比較電路與嵌入式mcu處理器10連接。檢測(cè)電阻的阻值很小，放大電路對(duì)檢測(cè)電阻兩端的電壓進(jìn)行采樣放大，并利用峰值檢波和比較電路獲得其電壓幅值，該電壓幅值與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，比較結(jié)果輸入到嵌入式mcu處理器10中，當(dāng)測(cè)量處理單元短路時(shí)，嵌入式mcu處理器10切斷整個(gè)系統(tǒng)供電，以保證整個(gè)裝置的安全和使用壽命。金屬導(dǎo)體6的后端與連接桿11連接，錘擊連接桿，將電容式土壤基質(zhì)勢(shì)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)插入土壤指定深度，以使整個(gè)裝置適用于淺層土壤和深層土壤。本發(fā)明中，為了增加土壤與第一陶瓷介質(zhì)5、第二多孔陶瓷介質(zhì)7接觸面積，使電容式傳感器2適應(yīng)不同土壤硬度，提高測(cè)量準(zhǔn)確率，可在上極板4和下極板8上均設(shè)鏤空16。為了避免不同土壤間差異造成的影響，提高整個(gè)裝置的測(cè)量精度，第一陶瓷介質(zhì)5、第二多孔陶瓷介質(zhì)7均為透水不透氣的陶瓷片。為了便于數(shù)據(jù)的保存，嵌入式mcu處理器10與存儲(chǔ)單元14連接。為了增加集成程度，減小整個(gè)裝置的體積，可將測(cè)量處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、電路保護(hù)單元置于一塊pcb板上。本發(fā)明中，上極板4和下極板8上的鏤空16有4個(gè)，對(duì)稱布設(shè)，且鏤空面積從中間向外逐漸縮小，即靠近金屬連接桿3的鏤空面積的大于遠(yuǎn)離金屬連接桿3的鏤空面積。嵌入式mcu處理器10為32位嵌入式mcu處理器10，通過i/o口直接與頻率振蕩電路9連接。嵌入式mcu處理器10通過測(cè)量頻率并根據(jù)事先保存的擬合曲線公式換算出實(shí)時(shí)土壤基質(zhì)勢(shì)。測(cè)量頻率使用的是直接測(cè)頻法，直接測(cè)頻即在確定的閘門時(shí)間t內(nèi)，利用計(jì)數(shù)器對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，根據(jù)所得計(jì)數(shù)n，由公式計(jì)算出被測(cè)脈沖的頻率。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，電路部分輸出的方波頻率的量級(jí)是khz，根據(jù)嵌入式mcu處理器10測(cè)頻的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在這個(gè)頻率范圍內(nèi)誤差可控制在1％以內(nèi)，精度較高，在整個(gè)系統(tǒng)的誤差允許范圍內(nèi)。輸入頻率(khz)測(cè)得頻率(khz)誤差(％)10.9940.6054.9700.6087.9550.56109.9390.612019.880.583029.820.604039.760.585049.690.6010099.440.55使用時(shí)，將箭型金屬前端1向下，錘擊連接桿11，將測(cè)量端(電容式測(cè)量單元、測(cè)量處理單元、電路保護(hù)單元、數(shù)據(jù)傳輸單元)插入土壤指定深度，斷開安裝點(diǎn)和連接桿11的連接，拔出連接桿11，將測(cè)量端留于土壤內(nèi)部。測(cè)量端開始工作后，土壤基質(zhì)勢(shì)的改變就會(huì)引起電容式傳感器2兩極板間所夾的陶瓷材料(陶瓷片)內(nèi)部含水量的變化，從而引起電容值的改變；頻率振蕩電路9根據(jù)電容式傳感器電容值的不同，輸出不同頻率的方波。嵌入式mcu處理器10接收頻率振蕩電路9傳來的不同頻率的方波之后，通過直接測(cè)頻法測(cè)得方波頻率，然后根據(jù)事先保存在內(nèi)存中的擬合曲線的公式，由方波頻率計(jì)算出此時(shí)的土壤基質(zhì)勢(shì)。最后，嵌入式mcu處理器10通過藍(lán)牙模塊將所測(cè)得的土壤基質(zhì)勢(shì)數(shù)據(jù)發(fā)送至終端(移動(dòng)設(shè)備或計(jì)算機(jī))。終端13儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理：對(duì)于單個(gè)電容式傳感器，給出土壤基質(zhì)勢(shì)隨時(shí)間的變化曲線；對(duì)于電容式傳感器網(wǎng)絡(luò)，給出實(shí)時(shí)的土壤基質(zhì)勢(shì)三維分布圖。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了土壤基質(zhì)勢(shì)到電容再到頻率的轉(zhuǎn)化，配合外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與處理，自動(dòng)化程度高、抗干擾能力強(qiáng)，使用成本低，適合于大部分土壤測(cè)量條件；有效提高了我國水文研究方面的技術(shù)力量與設(shè)備力量。具有很高的科學(xué)價(jià)值。本發(fā)明的應(yīng)用范圍廣，適用于任何不同類型的土壤：利用透水不透氣的陶瓷材料作為電容介質(zhì)，當(dāng)土壤基質(zhì)勢(shì)發(fā)生變化時(shí)，陶瓷內(nèi)部的含水量也發(fā)生變化，進(jìn)而反映到電容的變化上，因此本系統(tǒng)可以不受土壤類型的限制，適用于任何類型的土壤。本發(fā)明采用無線通信模式，測(cè)量所得數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)發(fā)送到移動(dòng)設(shè)備或計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性和連續(xù)性。本發(fā)明的制作和使用成本較低。應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁12