一种综合型土壤水分检测装置的制作方法

本发明涉及土壤检测设备技术领域，具体为一种综合型土壤水分检测装置。

背景技术：

土壤由岩石风化而成的矿物质、动植物，微生物残体腐解产生的有机质、土壤生物(固相物质)以及水分(液相物质)、空气(气相物质)，氧化的腐殖质等组成。固体物质包括土壤矿物质、有机质和微生物通过光照抑菌灭菌后得到的养料等。液体物质主要指土壤水分。气体是存在于土壤孔隙中的空气。土壤中这三类物质构成了一个矛盾的统一体。它们互相联系，互相制约，为作物提供必需的生活条件，是土壤肥力的物质基础。土壤水是植物吸收水分的主要来源(水培植物除外)，另外植物也可以直接吸收少量落在叶片上的水分。土壤水的主要来源是降水和灌溉水，参与岩石圈-生物圈-大气圈-圈-水圈的水分大循环，而土壤中富含的钾元素也是养分的主要成分，在土壤水分运动研究中，采用非破损定点测量土壤含水量的方法很多,但利用核物理的方法即中子仪与γ透射法仍是目前研究人员常常采用的量测手段。其中γ透射法由于可在瞬时状态下较为准确地测定土壤水分剖面的变化，且具有层间分辨率高等特点，因而愈来愈受到国内研究者的重视，土壤含水率既是研究农业及林业作物干旱的重要指标，也是农林灌溉管理、区域水文条件研究和流域水分平衡计算的重要参量，土壤含水率的变化直接影响农林作物产量以及土壤发育演变，高盐碱土壤(含盐量超过千分之六)和高有机土壤(含有机质20％以上)水分实时检测一直是一个难题。常用土壤水分测量方法分为烘干法、瓶桶法等直接法和电阻法、介电法、中子法、近红外法等间接法,其中介电法又分为时域反射法(tdr)、频域反射法(fdr)、驻波比法(swr)等。

申请号为201610194101.6，名称为一种适用不同土壤深度的土壤水分检测仪的发明专利，包括土壤水分传感器和与土壤水分传感器通讯连接的数据采集显示仪表，土壤水分传感器包括外壳，外壳分为通过环氧树脂密封的前壳体和后壳体两部分，外壳内部设有电子线路器件板和屏蔽电缆，电子线路器件板上集成有通过时钟电路产生震荡的无源晶振，无源晶振依次连接有施密特触发器、信号衰减器、探针、真有效值检测器以及用于提供稳定、无纹波工作电压的电源滤波电路，该发明成本低、结构简单、能实时测量且适用不同土壤深度的土壤水分。

在各类有关土壤水分运动的数学问题求解中,土壤水分运动参数——即导水率k(θ)、比水容量c(θ)及扩散率d(θ)的确定是一项非常重要的工作。一般这些参数均需通过实测的方法才能确定，由于这三个参数都是土壤含水量的函数,因此目前无论是在室内或在大田进行实测,几乎所有的方法都离不开测量土壤含水量或水分剖面变化的问题，但是目前很多的土壤检测装置在对于不同坡度的土壤检测效果差，而且对于土壤内吸力以及渗入速率的检测没有很好的对比，在对导水率k(θ)、比水容量c(θ)及扩散率d(θ)的测量时，很多的时候都是单独进行的，无法获得相互有关系的数据，因此设计了一种综合型土壤水分检测装置。

技术实现要素：

为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种综合型土壤水分检测装置，通过测量容器将待检测的土壤放入其中，进行室内土壤处理，方便快捷，只需要现场采集土壤样本后，就可以不用进行实地检测，通过可调节支撑架可以调节土壤层的坡度，进行不同坡度的土壤渗透检测，采用土壤水吸力检测装置有效的检测了土壤内的吸力，便于了解土壤对于水分的吸收能力，而通过多个tdt检测装置测量电磁波信号在传感器探头中的单程传输延迟时间，来实现待测土壤内的介质水分测定，通过运用γ透射法结合可移动的装置来检测不同入渗时刻的土壤含水量分布曲线，方便快捷的检测了土壤内的含水量以及渗入速率，值得推广。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种综合型土壤水分检测装置，包括工作平台，所述工作平台上端设置有两个可调节支撑架，所述可调节支撑架上端设置有测量容器，所述测量容器左端插入土壤水吸力检测装置，所述测量容器上端等间距设置有若干个tdt检测装置，所述测量容器下端设置有γ透射法检测装置，所述测量容器右端设置有进水管道，所述进水管道上端设置有供水阀门，所述进水管道右端连接有马氏瓶；

所述测量容器包括透明石英管，所述透明石英管上端设置有若干个检测插孔，所述检测插孔内部设置有密封塞，所述密封塞内部设置有检测穿孔，所述透明石英管内部设置有透水石层，所述透水石层右端设置有水室，所述水室右端设置有水室开口；

所述土壤水吸力检测装置包括玻璃管，所述玻璃管下端设置有陶土头，所述陶土头上端设置有集气管道，所述集气管道上端设置有集气管道密封塞，所述集气管道密封塞为圆台形结构，所述集气管道上端设置有毛细排气管，所述毛细排气管连接有硅胶接头，所述硅胶接头内部设置有压力传感器，所述压力传感器连接有恒流源与数字电压表；

所述tdt检测装置包括tdt机壳，所述tdt机壳上设置有四个接触点，所述接触点之间设置有两个u型探针，所述接触点通过导线连接有网络分析仪与示波器，其中上端的接触点分别连接网络分析仪的rfout接口与示波器的ch1接口，中间两个接触点接地，下端的接触点连接示波器ch2接口；

所述γ透射法检测装置包括滑动板，所述滑动板两端设置有滑动轮，所述滑动板上设置有放射源，所述放射源上端平行设置有射线探头，所述射线探头外侧设置有铅屏蔽罩，所述射线探头连接有定标器。

作为本发明一种优选的技术方案，所述可调节支撑架包括支撑架底座，所述支撑架底座为梯形结构，所述支撑架底座上端设置有套筒，所述套筒内设置有设置有活塞杆，所述活塞杆上端设置有固定套，所述固定套内部设置有橡胶圈，所述橡胶圈上设置有开口。

作为本发明一种优选的技术方案，所述透水石层两端设置有金属网层，所述金属网层采用不锈钢材料制成，所述金属网层内部网孔采用菱形网孔，所述水室开口内部设置有过滤网层，所述过滤网层采用pp棉材料制成。

作为本发明一种优选的技术方案，所述u型探针直径为2.0mm，其中相邻的两个u型探针间距为10mm，所述u型探针采用波导不锈钢材料制成。

作为本发明一种优选的技术方案，所述滑动板外侧设置有金属泡沫层，所述金属泡沫层内部填充有钨树脂颗粒。

作为本发明一种优选的技术方案，所述工作平台两端通过合页连接有遮光板，所述遮光板上设置有限位角铁。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过测量容器将待检测的土壤放入其中，进行室内土壤处理，方便快捷，只需要现场采集土壤样本后，就可以不用进行实地检测，通过可调节支撑架可以调节土壤层的坡度，进行不同坡度的土壤渗透检测，采用土壤水吸力检测装置有效的检测了土壤内的吸力，便于了解土壤对于水分的吸收能力，而通过多个tdt检测装置测量电磁波信号在传感器探头中的单程传输延迟时间，来实现待测土壤内的介质水分测定，通过运用γ透射法结合可移动的装置来检测不同入渗时刻的土壤含水量分布曲线，方便快捷的检测了土壤内的含水量以及渗入速率，值得推广。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明测量容器结构示意图；

图3为本发明土壤水吸力检测装置结构示意图；

图4为本发明tdt检测装置结构示意图；

图5为本发明γ透射法检测装置结构示意图；

图6为本发明可调节支撑架结构示意图。

图中：1-工作平台，2-可调节支撑架，3-测量容器，4-土壤水吸力检测装置，5-tdt检测装置，6-γ透射法检测装置，7-进水管道，8-供水阀门，9-马氏瓶，10-透明石英管，11-检测插孔，12-密封塞，13-检测穿孔，14-透水石层，15-水室，16-水室开口，17-玻璃管，18-陶土头，19-集气管道，20-集气管道密封塞，21-毛细排气管，22-硅胶接头，23-压力传感器，24-恒流源，25-数字电压表，26-tdt机壳，27-接触点，28-u型探针，29-导线，30-网络分析仪，31-示波器，32-滑动板，33-滑动轮，34-放射源，35-射线探头，36-铅屏蔽罩，37-定标器，38-支撑架底座，39-套筒，40-活塞杆，41-固定套，42-橡胶圈，43-开口，44-金属网层，45-过滤网层，46-金属泡沫层，47-钨树脂颗粒，48-合页，49-遮光板，50-限位角铁。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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做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。

实施例：

如图1至图6所示，本发明提供了一种综合型土壤水分检测装置，包括工作平台1，所述工作平台1上端设置有两个可调节支撑架2，所述两个可调节支撑架2之间设置有测量容器3，所述测量容器3左端插入土壤水吸力检测装置4，所述测量容器3上端等间距设置有若干个tdt检测装置5，所述测量容器3下端设置有γ透射法检测装置6，所述测量容器3右端设置有进水管道7，所述进水管道7上端设置有供水阀门8，所述进水管道7右端连接有马氏瓶9，马氏瓶9通过硬质的进水管道7进行连接，并且通过硬质的进水管道7支撑，马氏瓶9的重量远小于工作平台1的重量，不会出现翻倒的情况。

如图2所示，本发明中所述测量容器3包括透明石英管10，所述透明石英管10上端设置有若干个检测插孔11，所述检测插孔11内部设置有密封塞12，所述密封塞12内部设置有检测穿孔13，所述透明石英管10内部设置有透水石层14，所述透水石层14右端设置有水室15，所述水室15右端设置有水室开口16，水室开口16与进水管道7连接，如此将马氏瓶9与测量容器3连接在一起，马氏瓶9向测量容器3内注入渗透用的水。

如图3所示，本发明中所述土壤水吸力检测装置4包括玻璃管17，所述玻璃管17下端设置有陶土头18，所述陶土头18上端设置有集气管道19，所述集气管道19上端设置有集气管道密封塞20，所述集气管道密封塞20为圆台形结构，所述集气管道19上端设置有毛细排气管21，所述毛细排气管21连接有硅胶接头22，所述硅胶接头22内部设置有压力传感器23，所述压力传感器23连接有恒流源24与数字电压表25。

如图4所示，本发明中所述tdt检测装置5包括tdt机壳26，所述tdt机壳26上设置有四个接触点27，所述接触点27之间设置有两个u型探针28，u型探针28内部与接触点27电气连接，为导通状态，所述接触点27通过导线29连接有网络分析仪30与示波器31，网络分析仪30上具有rfin和rfout两个接头，分别连接输入信号和输出信号；示波器31上具有ch1和ch2两个端头。其中tdt机壳26上端的接触点27分别连接网络分析仪30的rfout接口与示波器31的ch1接口，tdt机壳26中间两个接触点27接地，中间两个接触点27接地，将中间较小的u型探针28，用于与外侧较大的u型探针28进行对比，使得两个u型探针28之间形成电磁波，并通过示波器31来显示出两个u型探针28之间的波形，来进行参数的测定，下端的接触点27连接示波器31的ch2接口。

如图5所示，本发明中所述γ透射法检测装置6包括滑动板32，所述滑动板32两端设置有滑动轮33，所述滑动板32上设置有放射源34，所述放射源34上端平行设置有射线探头35，所述射线探头35外侧设置有铅屏蔽罩36，所述射线探头35连接有定标器37。

本发明的工作原理：在使用之前，通过采集设备将待测土壤采集并放入测量容器3内，打开透明石英管10右端的水室15，水室15与透明石英管10之间通过螺纹连接在一起，将待测的土壤样本填满透明石英管10内部，一端垫上透水石层14，并将水室15与透明石英管10重新连接在一起，将土壤水吸力检测装置4与tdt检测装置5通过检测插孔11插入，密封塞12将土壤水吸力检测装置4与tdt检测装置5密封住，避免检测的时候外接环境影响检测结果，马氏瓶9顶端的塞子打开后，通过顶端的穿孔向马氏瓶9内注入水，打开进水管道7上的供水阀门，水在重力的作用下，进入透明石英管10内部，即可开始进行测量。

本发明中土壤水吸力检测装置4以玻璃管17为主要结构，当下端设置的陶土头18接触到土壤中的水分之后，将水分吸收，使得玻璃管17内部的集气管道19内空气被吸收，导致内部气压变大，集气管道19连接的毛细排气管21在气压减少的时候产生吸力，吸力使得压力传感器23检测弹片发生形变，导致电阻发生变化，从而在数字电压表25上显示出不同的电压数值，根据电压数值可换算出内部土壤水吸力的大小。

本发明中值得说明的是时域传输(timedomaintransmisson，tdt)原理，其工作过程是通过测量电磁波信号在嵌入土壤介质波导中的传播时间来测量土壤介质的介电常数,tdt技术是一种新兴的电磁技术，该方法近些年被引入介质水分测定研究领域，tdt检测装置5在机壳26上安装多个接触点27，接触点27上设置有两个u型探针28，可以看作一段传输线，其周围填充的是介电常数为εr的土壤介质，其等效电路模型为平行双导线传输线，测试步骤为：

(1)将网络分析仪30的信号输出端接在tdt探头的一端(tdt探头指的是两个u型探针28构成的探头结构)，同时将示波器31的ch1信号输入端并联在接口处，tdt探头的另一端连接示波器31的ch2，同时信号输出端短接一只47ω的无感电阻，用来吸收传导过来的信号，以免发生反射，影响示波器的信号观测；

(2)打开仪器，将网络分析仪30的输出信号频率调成20mhz，此时缓慢地将tdt探头伸入透明石英管10中，观察波形变化，并记录；

(3)增加信号源频率，观察波形变化并记录；

通过该步骤即可通过波形观察出本发明中，不同位置的土壤内的水分含量；

本发明中γ透射法检测装置6通过滑动板32配合滑动轮33在工作平台1上滑动，滑动轮33为固定设置，当进行测量的时候，将透明石英管10设置在放射源34与射线探头35之间，放射源34与射线探头35均和透明石英管10保持一定间隙，放射源34与射线探头35之间的连线与透明石英管10中轴线相互垂直，推动滑动板32，使得放射源34与射线探头35的连线经过透明石英管10，照射透明石英管10内部的土壤，可由马氏瓶9的入渗供水量对γ透射法所检测到不同入渗时刻ti的土壤水分剖面θ(ti)进行检验与筛选，以取得具有足够量测精度的土壤水分剖面做为计算参数的可靠依据，该法的基本思路是：在水平土柱入渗试验过程中，利用γ透射法可在瞬时状态下较为准确检测到不同入渗时刻ti的土壤含水量分布曲线θ(ti),并且在入渗试验结束后，又可利用土壤水分再分布的缓慢过程，在湿润锋前端采用γ透射法与张力计定点同步测量土壤含水量θ与吸力s的变化关系，从而实现在一个水平土柱入渗试验过程中，同时测定3个非饱和土壤水分运动参数(导水率k(θ)、比水容量c(θ)及扩散率d(θ))的目的，根据水平土柱入渗法测定扩散率的原理，可由任一筛选后的土壤水分剖面θ(ti)计算得出扩散率d(ti)，也可由多个筛选后的土壤水分剖面计算出多个扩散率，再取其平均值，以保证取值的可靠性，由于3个土壤水分运动参数(导水率k(θ)、比水容量c(θ)及扩散率d(θ))均在同一水平土柱入渗试验中取得，不仅大大减小了试验工作量，而且也避免了在分别测定各参数试验中，因土样制备的不尽相同所带来的困扰，设置铅屏蔽罩36对防止周边环境射线的影响及提高测量精度与层间分辨率，射线探头35采集到的信号传输给定标器37采集。

如图6所示，本发明中所述可调节支撑架2包括支撑架底座38，所述支撑架底座38为梯形结构，所述支撑架底座38上端设置有套筒39，所述套筒39内设置有活塞杆40，所述活塞杆40上端设置有固定套41，所述固定套41内部设置有橡胶圈42，所述橡胶圈42上设置有开口43，将测量容器3插入固定套41内部，橡胶圈42紧密的和测量容器3贴合，而橡胶圈42上设置的开口43使得橡胶圈42可以张开不同的大小，避免测量容器3插入不方便，可通过活塞杆40进行支架的上下调节，实现对于检测容器3的坡度调节，可测量出不同坡度对于不同土壤的渗入速率。

如图2所示，本发明中所述透水石层14两端设置有金属网层44，所述金属网层44采用不锈钢材料制成，所述金属网层44内部网孔采用菱形网孔，通过金属网层44对于设备内部的透水石层14进行固定，所述水室开口16内部设置有过滤网层45，所述过滤网层45采用pp棉材料制成，滤除进入检测容器3内部水的杂质，避免影响γ透射检测效果。

值得说明的是，本发明中所述压力传感器23采用pxm309型压力传感器，其工作原理为电阻式压力传感器，输出电压为0-10vdc，静态精度为350mbar-700bar，工作温度为-40-85℃，将采集到的压力参数转换成电压显示出来。

值得说明的是，本发明中所述u型探针28直径为2.0mm，其中相邻的两个u型探针28间距为10mm，所述u型探针28采用波导不锈钢材料制成，所述网络分析仪30采用na7300a型网络分析仪，频率范围为0.3-3000mhz，频率稳定度为≤±5×10^－6，频率分辨率为1hz，作为可调信号源，所述示波器31采用北京普源生产的ds1302ca型示波器，测量的最大频率为300mhz，采样率范围为1sa/s-2gsa/s，获取两端u型探针28的电磁波信号的波形。

值得说明的是，本发明中所述放射源34采用铁55、钴57、钴60、硒75、铯137、铥170、铱192、钚238与镅241的一种制成，所述铅屏蔽罩36厚度为4-10mm，准直孔径为10mm，测量精度不小于3％，层间分辨率为22mm。

值得说明的是，本发明中所述射线探头35采用ren-gm-l型射线探头，测量范围为0.01μsv/h-2500μsv/h，能量响应为48kev-1.5mev≤±30％，通讯标准为rs485/rs232与modbus通信协议，工作温度为-10℃-+50℃。

值得说明的是，本发明中所述定标器37采用fh463b型定标器，阈值可调范围为0.1v-5v连续可调，线性偏差≤±0.5％，道宽可调范围为0.1-3v，输入脉冲宽度为0.1μs-100μs，高压输出范围为0v±50v连续可调。

如图5所示，本发明中所述滑动板32外侧设置有金属泡沫层46，所述金属泡沫层46内部填充有钨树脂颗粒47，使用钨树脂颗粒47能够有效屏蔽γ射线的辐射。

如图1所示，本发明中所述工作平台1两端通过合页48连接有遮光板49，所述遮光板49上设置有限位角铁50。

本发明通过测量容器将待检测的土壤放入其中，进行室内土壤处理，方便快捷，只需要现场采集土壤样本后，就可以不用进行实地检测，通过可调节支撑架可以调节土壤层的坡度，进行不同坡度的土壤渗透检测，采用土壤水吸力检测装置有效的检测了土壤内的吸力，便于了解土壤对于水分的吸收能力，而通过多个tdt检测装置测量电磁波信号在传感器探头中的单程传输延迟时间，来实现待测土壤内的介质水分测定，通过运用γ透射法结合可移动的装置来检测不同入渗时刻的土壤含水量分布曲线，方便快捷的检测了土壤内的含水量以及渗入速率，值得推广。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。