专利名称：土壤冻融过程的测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及测量领域，特别涉及一种土壤冻融过程的测量方法及装置。
背景技术：
土壤冻融是指由于土壤温度降到零度以下和升至零度以上而产生冻结和融化的 一种物理地质作用和现象。土壤冻融是地质灾害的种类之一，它可产生一系列灾害作用，在 我国高纬度，高海拔地区这种现象尤为突出。在农业领域，土壤冻融的危害主要表现在首先春耕时未完全融化的冻结土壤增加农业耕作时机械的能耗及磨损程度；其次 冻结土壤具有减渗特性，导致土壤导水率减小，降雨或者灌溉时期产生地表径流，造成水土 流失；而且冻结土壤达一定深度会影响地下管道与电缆的正常工作，给生产建设和人民生 活造成危害。现有技术的冻融土壤的测量方法是采用温度指示剂对土壤剖面冻结情况进行定 性测量，该方法测量周期较长，而测量结果只是定性反映土壤剖面的冻结状况。目前，最常 用的测量方法是采用TDR插入式定点测量，通过测量土壤剖面液态水含量的变化来反映土 壤冻结情况，这种测量方法需要在不同深度埋入多个TDR水分传感器，存在的缺点包括(1) TDR水分传感器成本过高，(2)埋入过程耗时费力，又会对土壤结构产生破坏，影响测量结 果的准确性。现有技术的测量方法都不能快速、有效地获取土壤剖面冻结状况，无法解决土 壤冻融危害。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是提供一种土壤冻融过程的测量方法及装置，以解决现 有技术对冻融土壤的测量方法测量周期过长、成本高、测量结果不够准确等缺陷。
发明内容
为此，本发明提供的一种土壤冻融过程的测量装置，包括操作杆；固定于所述操作杆底端的冰水介电传感模块，用于实时测量土壤剖面的冰水介电
常数；嵌于所述操作杆内部的深度传感模块，用于测量当前到达的深度数据；埋在测量土壤中，用作所述深度传感模块的运行导轨的聚氯乙烯 (Polyvinylchloride，简称 PVC)塑料管；数据传输线，用于将所述冰水介电常数和深度数据传输至数据采集模块；所述数据采集模块，用于根据接收到的数据判断当前土壤冻融情况。其中，所述冰水介电传感模块包括PVC塑料单元，嵌入所述PVC塑料单元中的电极，介电信号处理单元以及连接所述 电极和介电信号处理单元的信号线，其中所述电极用于产生冰水介电信号，所述介电信号处理单元用于将所述介电信号转换为数字化的信号并输出。所述介电信号处理单元包括与所示电极相连接的高频振荡器，与所示高频振荡 器相连接的模数分频模块，与所述模数分频模块相连接的二次分频模块，以及与所述二次 分频模块相连接的单片机芯片。还包括顶盖，套设于所述操作杆的外部，用于保护所述PVC塑料模块。所述深度传感模块为磁敏霍尔开关阵列，以相同间隔嵌于所述操作杆内部。本发明还提供了一种土壤冻融过程的测量方法，包括以下步骤
步骤101、将PVC塑料管埋入测量地点的土壤中；步骤103、在数据采集模块上设定测量参数，所述测量参数包括深度、采样间隔以 及测量速度；步骤105、将操作杆置于PVC塑料管顶端，使得管式冰水介电传感模块进入PVC塑 料管；步骤107、保持操作杆稳速向下滑动，管式冰水介电传感器随着操作杆的滑动实时 测量土壤剖面的冰水介电常数，并将测得的所述冰水介电常数发送至数据采集模块；所述 操作杆内的深度传感器按步骤103设定的参数采集测量深度数据，达到设定的最大测量深 度后停止测量，并将测得的深度数据传输至数据采集模块；步骤109、数据采集模块将接收到的深度数据和冰水介电常数保存。所述步骤105之后还包括用顶盖将PVC塑料管的上端密封。(三)有益效果本发明的技术方案具有如下有益效果通过采用基于介电测量原理的冰水介电传 感模块可快速方便、准确高效地获取土壤冰水含量，为土壤冻融情况的分析带来准确的数 据；所采用的深度传感模块可同步记录测量点的深度数据，可根据实际情况设定不同的采 样间隔，采集数据方式灵活，准确，且本发明装置的成本较现有技术的成本大大降低。
图1是本发明土壤冻融过程的测量装置结构示意图；图2是图1中的冰水介电传感模块结构示意图；图3是图2中的介电信号处理单元结构示意图；图4是本发明土壤冻融过程的测量方法流程图；图5是本发明某一时间段得到的土壤冰冻深度变化曲线示意图。其中，1 操作杆；2 冰水介电传感模块；3 深度传感模块；4 =PVC塑料管；5 数据 传输线；6 数据采集模块；7 顶盖；21 =PVC塑料单元；22 电极；23 信号线；24 介电信号 处理单元；241 电感；242 高频振荡器；243 模数分频模块；245 二次分频模块；246 单 片机芯片。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。图1是本发明土壤冻融过程的测量装置结构示意图，如图1所示，本实施例包括操作杆1，固定于操作杆ι底端的冰水介电传感模块2，嵌于操作杆1内部的深度传感模块3，埋在测量土壤中的PVC塑料管4，数据传输线5以及数据采集模块6。其中冰水介电传感模块2用于实时测量土壤剖面的冰水介电常数，深度传感模块 3用于测量当前的深度数据，PVC塑料管4用作深度传感模块3的运行导轨，数据传输线5 用于将冰水介电传感模块2测得的冰水介电常数和深度传感模块3测得的深度数据传输至 数据采集模块6。本实施例还可以包括套于操作杆1上并可以上下移动的顶盖7，该顶盖7由PVC 材料制作，用于密封PVC塑料管4，防止PVC塑料管4内进异物，保持干燥。其中，操作杆1为空心不锈钢管，长度在50cm-500cm之间；深度传感模块3为磁敏 霍尔开关阵列，其按照相等间隔嵌于操作杆1内；PVC塑料管4为市场通用PVC材料制作的 塑料管，长期埋于测量的土壤中，不与其他部件固定连接；数据传输线5为RS232数字信号 传输线；数据采集模块6为PDA掌上电脑。如图2所示，为图1中的冰水介电传感模块结构示意图，本实施例的冰水介电传感 模块包括PVC塑料单元21，嵌入在PVC塑料单元21中的电极22，介电信号处理单元24以 及连接电极22和介电信号处理单元24的信号线23。其中PVC塑料单元21的外径与PVC 塑料管4的内径相同，使得冰水介电传感模块2可以套入到PVC塑料管4中；电极22由三 片宽度相等的铜片组成，嵌入在PVC塑料单元21中，能够产生介电信号，信号线23将电极 22产生的信号传输至介电信号处理单元24，介电信号处理单元24将接收到的介电信号转 化为数字化的信号，即介电常数，并将该介电常数通过数据传输线5输出至数据采集模块 6。再如图3所示，为图2中的介电信号处理单元结构示意图，本实施例的介电信号处 理单元包括与电极22相连接的电感241，与电感241相连接的高频振荡器242，与高频振 荡器242相连接的模数分频模块243，与模数分频模块243相连接的二次分频模块245，以 及与二次分频模块245相连接的单片机芯片246。其中，本实施例的高频振荡器242采用MC1648芯片；模数分频模块243采用 MC12017模数分频芯片；二次分频模块245采用计数器HEF4040芯片；单片机芯片246采用 自带A/D转换的MSP430F149芯片。本发明提供的土壤冻融过程的测量装置具有以下有益效果本发明通过采用基于 介电测量原理的冰水介电传感模块可快速方便、准确高效地获取土壤冰水含量，为土壤冻 融情况的分析带来准确的数据；所采用的深度传感模块可同步记录测量点的深度数据，可 根据实际情况设定不同的采样间隔，采集数据方式灵活，准确，且本发明装置的成本较现有 技术的成本大大降低。如图4所示，为本发明土壤冻融过程的测量方法流程图，本方法采用前述土壤冻 融过程的测量装置，包含以下步骤步骤101、选择测量地点，将PVC塑料管竖直埋入测量地点的土壤中；本实施例选用2m长的PVC塑料管，该长度也可以根据实际情况具体选择，埋置过 程需要注意保持PVC塑料管的管壁与土壤的紧密接触，以减少测量误差；步骤103、在数据采集模块上设定测量参数，包括测量深度、采样间隔以及测量速 度；
根据PVC塑料管的长度，设置最大测量深度为2m，采样间隔为每秒10次，测量速度 为 3cm/s ；步骤105、将操作杆置于PVC塑料管底端，使得管式冰水介电传感模块进入PVC塑 料管；可以用顶盖将PVC塑料管上端密封，以保持塑料管内干燥；步骤107、保持操作杆稳速向下滑动，冰水介电传感模块随着操作杆的滑动实时测 量土壤剖面的冰水介电常数，并将测得的所述冰水介电常数发送至数据采集模块；深度传 感模块按步骤103设定的参数采集测量深度数据，达到设定的最大测量深度后停止测量， 并将测得的深度数据通过数据传输线传输至数据采集模块；步骤109、数据采集模块将接收到的测量数据和冰水介电常数保存；在不同时间重复步骤101-109，可以得到某一时间段内土壤冰冻情况的变化曲线， 如图5所示，为本发明某一时间段得到的土壤冰冻深度变化曲线示意图，图5显示了 2009 年11月23日至2010年2月26日这段时间内某一实验点土壤冰冻情况，该实验点在2010 年1月22日左右达到最大冰冻深度60cm。本发明提供的土壤冻融过程的测量方法及装置具有以下有益效果本发明通过采 用基于介电测量原理的冰水介电传感模块可快速方便、准确高效地获取土壤冰水含量，为 土壤冻融情况的分析带来准确的数据；所采用的深度传感模块可同步记录测量点的深度数 据，可根据实际情况设定不同的采样间隔，采集数据方式灵活，准确，且本发明装置的成本 较现有技术的成本大大降低。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型 也应视为本发明的保护范围。
权利要求
一种土壤冻融过程的测量装置，其特征在于，包括操作杆；固定于所述操作杆底端的冰水介电传感模块，用于实时测量土壤剖面的冰水介电常数；嵌于所述操作杆内部的深度传感模块，用于测量当前的深度数据；埋在测量土壤中，用作所述深度传感模块的运行导轨的聚氯乙烯(PVC)塑料管；数据传输线，用于将所述冰水介电常数和深度数据传输至数据采集模块；所述数据采集模块，用于根据接收到的数据判断当前土壤冻融情况。
2.如权利要求1所述的土壤冻融过程的测量装置，其特征在于，所述冰水介电传感模 块包括PVC塑料单元，嵌入所述PVC塑料单元中的电极，介电信号处理单元以及连接所述电极 和介电信号处理单元的信号线，其中所述电极用于产生冰水介电信号，所述介电信号处理 单元用于将所述介电信号转换为数字化的信号并输出。
3.如权利要求2所述的土壤冻融过程的测量装置，其特征在于，所述介电信号处理单 元包括与所示电极相连接的高频振荡器，与所示高频振荡器相连接的模数分频模块，与所 述模数分频模块相连接的二次分频模块，以及与所述二次分频模块相连接的单片机芯片。
4.如权利要求1所述的土壤冻融过程的测量装置，其特征在于，还包括顶盖，套设于 所述操作杆的外部，用于保护所述PVC塑料模块。
5.如权利要求1所述的土壤冻融过程的测量装置，其特征在于，所述深度传感模块为 磁敏霍尔开关阵列，以相同间隔嵌于所述操作杆内部。
6.一种土壤冻融过程的测量方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤101、将PVC塑料管埋入测量地点的土壤中；步骤103、在数据采集模块上设定测量参数，所述测量参数包括深度、采样间隔以及测量速度；步骤105、将操作杆置于PVC塑料管底端，使得管式冰水介电传感模块进入PVC塑料管；步骤107、保持操作杆稳速向下滑动，冰水介电传感模块随着操作杆的滑动实时测量土 壤剖面的冰水介电常数，并将测得的所述冰水介电常数发送至数据采集模块；所述深度传 感模块按步骤103设定的参数采集测量深度数据，达到设定的最大测量深度后停止测量， 并将测得的深度数据传输至数据采集模块；步骤109、数据采集模块将接收到的深度数据和冰水介电常数保存。
7.如权利要求6所述的土壤冻融过程的测量方法，其特征在于，所述步骤105之后还包 括用顶盖将PVC塑料管的上端密封。
全文摘要
本发明公开了一种土壤冻融过程的测量方法及装置，该装置包括操作杆；固定于所述操作杆底端的冰水介电传感模块，用于实时测量土壤剖面的冰水介电常数；嵌于所述操作杆内部的深度传感模块，用于测量当前的深度数据；埋在测量土壤中，用作所述深度传感模块的运行导轨的PVC塑料管；数据传输线，用于将所述冰水介电常数和深度数据传输至数据采集模块；所述数据采集模块，用于根据接收到的数据判断当前土壤冻融情况。本发明能够快速方便、准确高效地获取土壤冰水含量、采集测量点的深度数据，为土壤冻融情况的分析带来准确的数据；采集数据方式灵活，准确，且成本较低。
文档编号G01N27/22GK101832962SQ20101014739
公开日2010年9月15日 申请日期2010年4月13日 优先权日2010年4月13日
发明者付磊, 孙宇瑞, 孟繁佳, 林剑辉, 柴进, 王聪颖, 盛文溢, 程强, 薛绪掌 申请人:中国农业大学