一种基于热脉冲与频域反射法的土壤容重测量装置及方法

本发明涉及土壤检测，尤其涉及一种基于热脉冲与频域反射法的土壤容重测量装置及方法。

背景技术：

1、土壤容重或干容重，即土壤干物质的质量与其体积之比(kg/m3)，是反映土壤紧实度和孔隙状况的重要物理参数。

2、土壤不仅是农业生产活动的基本生产资料，而且是为农作物生长提供水分、养料、温度和空气的载体。土壤容重是生产过程中一个十分重要的土壤物理指标，它的大小对土壤的持水性、保肥能力、溶质迁移特征、透气性以及土壤的抗腐蚀能力有很大的影响。研究表明，一般情况下，同一质地土壤容重越大，入渗能力越低。所以土壤容重是通过影响土壤水分和透气性等，来影响作物的生长状况及产量。

3、目前测定土壤容重的方法主要有直接法和间接法。直接法按取样方式不同可分为定容法、不定容法和器测法；间接法依据测定其它土壤参数，通过换算关系而得到，比如土壤水分仪结合土钻法、贯入仪监测填土干容重等。在日常测定中，通常采用环刀法进行测定，首先将已知体积的环刀压入土壤，接着把环刀带土挖出来，之后用小刀仔细修整，并去除环刀两端多余的土，随之把环刀中的土壤在105℃条件下烘干到恒重，并称重。再根据环刀的体积和土壤的质量，计算土壤的容重。但是直接法需要较多的样品方可得到具有代表性的测量值，同时田间采样费时费力，对土壤破坏严重，并且对同一地点不可重复取样测定，难以实现实时和原位检测。

4、随着数据采集技术和计算机技术的发展，热脉冲技术越来越多地被应用于土壤热导率、热扩散率和比热容的测定；20世纪80年代的时域反射技术，实现了土壤体积含水量的实时原位监测，在土壤水分空间变异和溶质运移研究中得到了广泛应用。和其它技术相比，热脉冲技术和时域反射技术具有测定快速、对土壤结构影响轻微和自动化程度高等优点，实现了同一位置、相同体积土壤上容重的连续定位测量。然而，当前基于以上技术的装置结构复杂、成本较高且操作繁琐，在短时间内很难普遍应用于农业之中。因此，需要研究出一种结构简单、操作方便的装置来测量土壤容重，并且成本较低，更容易被使用者接受。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于热脉冲与频域反射法的土壤容重测量装置，用以解决现有技术中土壤容重测量装置结构复杂、成本较高且操作复杂的缺陷，实现土壤容重测量装置的低成本和高易用性。

2、本发明提供一种基于热脉冲与频域反射法的土壤容重测量装置，包括：输出探针、反馈探针、热脉冲模块、频域反射模块和容重计算模块，所述热脉冲模块包括加热单元和感温单元，所述加热单元与输出探针连接，所述感温单元与反馈探针连接；所述频域反射模块包括信号源单元、阻抗匹配单元和检波单元，所述信号源单元与输出探针电连接，所述阻抗匹配单元分别与输出探针和反馈探针电连接，所述检波单元与阻抗匹配单元电连接；所述容重计算模块分别与加热单元、感温单元和检波单元电连接。

3、根据本发明提供的一种基于热脉冲与频域反射法的土壤容重测量装置，所述输出探针和反馈探针均为中空，所述加热单元包括加热丝，所述加热丝设于输出探针内，所述感温单元包括热敏电阻，所述热敏电阻设于反馈探针内。

4、根据本发明提供的一种基于热脉冲与频域反射法的土壤容重测量装置，所述输出探针为1个，所述反馈探针为2个。

5、根据本发明提供的一种基于热脉冲与频域反射法的土壤容重测量装置，所述输出探针和反馈探针的内部注入环氧树脂。

6、根据本发明提供的一种基于热脉冲与频域反射法的土壤容重测量装置，所述信号源单元发出100mhz正弦波信号，所述信号源单元和输出探针之间还电连接有信号放大单元。

7、根据本发明提供的一种基于热脉冲与频域反射法的土壤容重测量装置，所述热脉冲模块还包括模数转换单元，所述模数转换单元分别与加热单元、感温单元和容重计算模块电连接。

8、本发明还提供一种基于热脉冲与频域反射法的土壤容重测量方法，应用于如上述任一种所述基于热脉冲与频域反射法的土壤容重测量装置，包括：

9、s1：输出探针和反馈探针与土壤接触；

10、s2：加热单元通过输出探针输出热脉冲信号，感温单元通过反馈探针接收热脉冲信号，容重计算模块根据加热单元的产生热量和感温单元的温度变化计算土壤体积比热容；

11、s3：信号源单元通过输出探针输出激励信号，检波单元检测阻抗匹配单元的峰值电压，容重计算模块根据峰值电压计算土壤体积含水量；

12、s4：容重计算模块根据土壤体积比热容和土壤体积含水量计算土壤容重。

13、根据本发明提供的一种基于热脉冲与频域反射法的土壤容重测量装方法，所述s2包括：

14、s2-1：加热单元通过输出探针输出热脉冲信号，感温单元通过反馈探针接收热脉冲信号；

15、s2-2：分别对加热单元和感温单元进行电压采样；

16、s2-3：根据加热单元的电压采样结果获取加热单元的平均电流，计算加热单元的产生热量，根据感温单元的电压采样结果计算感温单元的温度变化；

17、s2-4：根据产生热量和温度变化计算土壤体积比热容。

18、根据本发明提供的一种基于热脉冲与频域反射法的土壤容重测量装方法，所述s3包括：

19、s3-1：信号源单元通过输出探针输出激励信号；

20、s3-2：检波单元检测阻抗匹配单元的峰值电压，并将峰值电压差转换为标准电压输出；

21、s3-3：容重计算模块将标准电压带到标定曲线中得到土壤体积含水量。

22、根据本发明提供的一种基于热脉冲与频域反射法的土壤容重测量装方法，所述土壤容重的计算公式为：

23、

24、式中，ρb为土壤容重，c为土壤体积比热容，cw为水的比热容，ρw为水的密度，θ为土壤体积含水量，cs为土壤固体的比热容。

25、本发明提供的一种基于热脉冲与频域反射法的土壤容重测量装置，通过输出探针和反馈探针作为土壤测量的介质，热脉冲模块和频域反射模块采用热脉冲和频域反射的方法，分别对土壤体积比热容和土壤体积含水量进行数据采集，并通过容重计算模块进行数据处理，计算出土壤容重。本发明装置采用了频域反射法，相比时域反射法其电路实现复杂度大大降低，易于实现小型化，且对探针长度没有严格要求(时域反射法要求探针至少长于某一长度，例如5cm，才能保证土壤水分测量精度)。基于同一输出探针和反馈探针作为测量介质，将热脉冲技术和频域反射技术相结合，利用热脉冲技术得到土壤热容量和利用频域反射技术得到同体积土壤上的含水量，不用对土壤进行取样，即可快速、方便、实时和准确地获得田间土壤容重。本发明优化了土壤容重测量装置的整体结构，提高了探针的结构灵活性，相比于现有结构更简单且成本更低，使用简单、操作方便，适合农业生产和科研中普遍推广。此外测量的过程中不会破坏农田土壤的原状，如果安装多个装置，可以对农田土壤容重分布规律进行研究。

技术特征：

1.一种基于热脉冲与频域反射法的土壤容重测量装置，其特征在于，包括：输出探针、反馈探针、热脉冲模块、频域反射模块和容重计算模块，所述热脉冲模块包括加热单元和感温单元，所述加热单元与输出探针连接，所述感温单元与反馈探针连接；所述频域反射模块包括信号源单元、阻抗匹配单元和检波单元，所述信号源单元与输出探针电连接，所述阻抗匹配单元分别与输出探针和反馈探针电连接，所述检波单元与阻抗匹配单元电连接；所述容重计算模块分别与加热单元、感温单元和检波单元电连接。

2.根据权利要求1所述的基于热脉冲与频域反射法的土壤容重测量装置，其特征在于，所述输出探针和反馈探针均为中空，所述加热单元包括加热丝，所述加热丝设于输出探针内，所述感温单元包括热敏电阻，所述热敏电阻设于反馈探针内。

3.根据权利要求2所述的基于热脉冲与频域反射法的土壤容重测量装置，其特征在于，所述输出探针为1个，所述反馈探针为2个。

4.根据权利要求2所述的基于热脉冲与频域反射法的土壤容重测量装置，其特征在于，所述输出探针和反馈探针的内部注入环氧树脂。

5.根据权利要求1所述的基于热脉冲与频域反射法的土壤容重测量装置，其特征在于，所述信号源单元发出100mhz正弦波信号，所述信号源单元和输出探针之间还电连接有信号放大单元。

6.根据权利要求1所述的基于热脉冲与频域反射法的土壤容重测量装置，其特征在于，所述热脉冲模块还包括模数转换单元，所述模数转换单元分别与加热单元、感温单元和容重计算模块电连接。

7.一种基于热脉冲与频域反射法的土壤容重测量方法，应用于如权利要求1至6任一项所述基于热脉冲与频域反射法的土壤容重测量装置，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的基于热脉冲与频域反射法的土壤容重测量方法，其特征在于，所述s2包括：

9.根据权利要求8所述的基于热脉冲与频域反射法的土壤容重测量方法，其特征在于，所述s3包括：

10.根据权利要求9所述的基于热脉冲与频域反射法的土壤容重测量方法，其特征在于，所述土壤容重的计算公式为：

技术总结
本发明提供一种基于热脉冲与频域反射法的土壤容重测量装置，包括：输出探针、反馈探针、热脉冲模块、频域反射模块和容重计算模块，所述热脉冲模块包括加热单元和感温单元，所述加热单元与输出探针电连接，所述感温单元与反馈探针电连接；所述频域反射模块包括信号源单元、阻抗匹配单元和检波单元，所述信号源单元与输出探针电连接，所述阻抗匹配单元分别与输出探针和反馈探针电连接，所述检波单元与阻抗匹配单元电连接；所述容重计算模块分别与加热单元、感温单元和检波单元电连接。用以解决现有技术中土壤容重测量装置结构复杂、成本较高且操作复杂的缺陷，实现土壤容重测量装置的低成本和高易用性。

技术研发人员：盛文溢,姚向宇,孟繁佳,李通,陶毅,李民赞
受保护的技术使用者：中国农业大学烟台研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13