土壤紧实及水分复合测量方法研究及装置开发

发布时间：2020-11-05 20:34

　　 土壤是植物赖以生存的基础,在农林业中具有重要作用,土壤的含水率和土壤的紧实程度对于植物的生长发育有直接影响,现有的传感器或者仪器大多是对土壤含水率或者土壤紧实度的单一测量,由于土壤含水率和土壤紧实度之间具有较大的耦合作用,单一测量会存在较大偏差。针对于基于圆锥指数法的土壤紧实度测量中,由于无法消除摩擦力在圆锥仪贯入土壤过程中造成贯入速度不均匀而导致的测量精度不高的难题,论文在基于圆锥指数法的基础上,创新性的加入加速度的同步测量,从而消除圆锥仪在使用过程中由于贯入的快慢不一引起的误差,提高测量精度。在上述的基础上,进一步研究基于驻波率法的双金属环式土壤水分测量,并设计了一种土壤紧实度及水分复合测量装置。论文开始介绍了土壤的紧实度及水分测量的相关研究,并从测量原理出发,分别介绍其测量方法。针对于土壤紧实度测量选择得到业内普遍认可的圆锥指数法,在此基础上创新性的加入加速度同步测量。针对于土壤水分测量,在前人研究基础上采用驻波率法的金属双环式结构,并进行改进和优化设计。然后,本文根据已经选择的测量方法,分别对土壤紧实度及土壤水分测量进行硬件电路的设计,完成各部分的硬件设计之后,将所有的硬件集合起来完成整个电路板并进行结构兼容性的设计,形成整个复合传感器。之后对复合传感器的整体机械结构进行设计,按照ASAE(American Society for Acoustic Ecology,美国农业工程师学会标准),采用12.83mm的圆锥直径,用CATIA软件进行建模并绘制工程图纸加工。最后开展了一系列试验用于检测复合传感器的性能,包括标定试验、静态特性试验、动态特性试验、对比试验等,试验结果表明复合传感器线性拟合决定系数在0.96以上,测量精度误差在±2%以内,动态响应时间小于1s,测量准确度和稳定性和相关仪器性能一致,但使用更方便,价格更低廉,为农林业发展及生态的检测保护提供了一种有效手段。
【学位单位】：北京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TP212;S152;S237
【部分图文】：

目前国际上广泛采用土壤圆锥指数法对土壤的紧实度进行量化。从原始的手动贯??入到如今的电子测量，圆锥仪得到了快速发展。目前商业化的手持式圆锥仪主要以美??国的Ｓｐｅｃｔｕｒｍ公司的ＳＣ－９００型（图１－１）、澳大利亚的ＭｉｃｒｏＣＰ型（图１－２）系列产??品最为常见，并有相应软件做数据处理。??＾?＇气??图１－１?ＳＣ－９００紧实度仪?图１－２?ＭｉｃｒｏＣＰ紧实度仪??Ｆｉｇ．?１－１?ＳＣ－９００?Ｃｏｍｐａｃｔｎｅｓｓ?ｍｅｔｅｒ?Ｆｉｇ．?１－２?Ｍｉｃｒｏ?ＣＰ?Ｃｏｍｐａｃｔｎｅｓｓ?ｍｅｔｅｒ??国内最初使用先获取样本再进行试验测量的方法。７０年代初期研究设计了型号??为ＳＲ－２的用于测量土壤紧实的仪器。１９８１年，第一代工兵圆锥仪在南京工程兵学院??设计制造并命名为Ｉ型，并于１９８４年推出第二代。之后的一年，华南农业大学研宄??设计了新式圆锥仪，并在１９８７年进行了进一步的改进优化，对比于以前的土壤圆锥??仪，其使用单板计算机获取和处理数据，可是手动贯入的方式仍旧影响测量精度，而??且记录的数据需要大量时间进行整理（苏显添，１９８５）。罗锡文等于１９９６年研制了可??匀速的电动机式电测圆锥仪，提高了测量精度，该仪器采用逐个点测量，而不是连续??测量（罗锡文

目前国际上广泛采用土壤圆锥指数法对土壤的紧实度进行量化。从原始的手动贯??入到如今的电子测量，圆锥仪得到了快速发展。目前商业化的手持式圆锥仪主要以美??国的Ｓｐｅｃｔｕｒｍ公司的ＳＣ－９００型（图１－１）、澳大利亚的ＭｉｃｒｏＣＰ型（图１－２）系列产??品最为常见，并有相应软件做数据处理。??＾?＇气??图１－１?ＳＣ－９００紧实度仪?图１－２?ＭｉｃｒｏＣＰ紧实度仪??Ｆｉｇ．?１－１?ＳＣ－９００?Ｃｏｍｐａｃｔｎｅｓｓ?ｍｅｔｅｒ?Ｆｉｇ．?１－２?Ｍｉｃｒｏ?ＣＰ?Ｃｏｍｐａｃｔｎｅｓｓ?ｍｅｔｅｒ??国内最初使用先获取样本再进行试验测量的方法。７０年代初期研究设计了型号??为ＳＲ－２的用于测量土壤紧实的仪器。１９８１年，第一代工兵圆锥仪在南京工程兵学院??设计制造并命名为Ｉ型，并于１９８４年推出第二代。之后的一年，华南农业大学研宄??设计了新式圆锥仪，并在１９８７年进行了进一步的改进优化，对比于以前的土壤圆锥??仪，其使用单板计算机获取和处理数据，可是手动贯入的方式仍旧影响测量精度，而??且记录的数据需要大量时间进行整理（苏显添，１９８５）。罗锡文等于１９９６年研制了可??匀速的电动机式电测圆锥仪，提高了测量精度，该仪器采用逐个点测量，而不是连续??测量（罗锡文

１９９９年赵燕东和孙宇瑞两人共同研制了以传输线阻抗变换理论为基础的土壤含水率??测量传感器（孙宇瑞，１９９９）；?２００２年，赵燕东等提出的基于驻波原理的土壤含水率??测量及研发的ＢＤ型土壤水分传感器（图１－３），并得到广泛推广应用（赵燕东，２００２）；??２００３年周凌云等研制了?ＴＤＲ法土壤含水率传感器（周凌云，２００３）；?２０１１年张宪等??研制的以ＦＤＲ技术为基础的土壤含水率测量装置（张宪，２０１１）；?２０１２年郭晨等研??制的以微波谐振为基础的土壤含水率测量装置（郭晨，２０１２）；?２０１６年高志涛等研制??的基于电容法的非接触管式土壤水分传感器（图卜４）（高志涛，２０１６）。??顯??图１－３?ＢＤ型土壤水分传感器?图１－４管式水分传感器??Ｆｉｇ．?１－３?ＢＤ?Ｓｏｉｌ?ｍｏｉｓｔｕｒｅ?ｓｅｎｓｏｒｓ?Ｆｉｇ．?１－４?Ｔｕｂｕｌａｒ?ｓｏｉｌ?ｍｏｉｓｔｕｒｅ?ｓｅｎｓｏｒｓ??３??
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本文编号：2872153