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原文传递一种非侵入式土壤水分声波检测装置及方法

专利名称：	一种非侵入式土壤水分声波检测装置及方法
摘要：	本发明公开了一种非侵入式土壤水分声波检测装置及方法，装置包括声波激励及监测主机、底座支架、滑动固定装置以及换能器安装控制装置；所述声波激励及监测主机包括主控开关、触摸式显示屏、声波发射通道、声波接收通道以及红外感知端口；所述声波激励及监测主机还内置有激励及监测模块，所述激励及监测模块包括MCU主控模块、声波激励模块、红外感知模块、压力控制模块、显示模块以及电源模块；本发明的装置无需将声波探头埋入土层中，可以直接压在土壤表面进行检测，且红外温度探测器可实时获取检测温度，基于此可对检测结果进行温度修正，具有重复性好、实时性强及无损检测的特点。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	广东;44
申请人：	华南农业大学
发明人：	李君;潘丽敏;陆华忠;程颖;袁谋青;徐岩
专利状态：	有效
申请日期：	2019-09-18T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-22T00:00:00+0800
申请号：	CN201910881482.9
公开号：	CN110487909A
代理机构：	广州市华学知识产权代理有限公司
代理人：	李斌
分类号：	G01N29/07(2006.01);G;G01;G01N;G01N29
申请人地址：	510642 广东省广州市天河区五山路483号
主权项：	1.一种非侵入式土壤水分声波检测装置，其特征在于，包括声波激励及监测主机(1)、底座支架(2)、滑动固定装置(3)以及换能器安装控制装置(4)，所述声波激励及监测主机(1)设置在底座支架(2)顶部，所述滑动固定装置(3)设置在底座支架(2)中部，所述换能器安装控制装置(4)设置在滑动固定装置(3)上；所述声波激励及监测主机(1)包括主控开关(5)、触摸式显示屏(6)、声波发射通道(7)、声波接收通道(8)以及红外感知端口(9)，所述主控开关(5)与所述触摸式显示屏(6)安装在所述声波激励及监测主机(1)顶面，其中所述主控开关(5)安装在所述触摸式显示屏(6)上；所述声波发射通道(7)与所述红外感知端口(9)设置在所述声波激励及监测主机(1)右侧面；所述声波接收通道(8)设置在所述声波激励及监测主机(1)左侧面；声波激励及监测主机(1)通过螺栓固定在底座支架上方；所述声波激励及监测主机(1)还内置有激励及监测模块，所述激励及监测模块包括MCU主控模块、声波激励模块、红外感知模块、压力控制模块、显示模块以及电源模块，所述声波激励模块、红外感知模块、压力控制模块、显示模块以及电源模块均与MCU主控模块连接；所述MCU主控模块，用于接收所述声波激励模块的模拟声波信号并转换为数字信号显示在所述显示模块；用于接收所述红外感知模块采集到的温度信息并将其用于土壤含水量声速模型修正；用于所述控制压力控制模块对压力值进行采集；用于控制所述显示模块对声波信号、温度及所测量土壤含水量值的显示；用于控制电源模块的正常供电；所述声波激励模块，用于激励声波探头发射声波信号穿过土壤并在另一端接收声波信号将模拟声波信号发送给所述MCU主控模块；所述红外感知模块，用于通过控制所述微型温度探头(17)采集检测环境的温度并记录采集到的温度数据发送到所述MCU主控模块用于土壤含水量声速模型的修正；所述压力控制模块，用于通过所述薄膜压力传感器(25)采集到的压力值控制所述螺杆(22)对换能器安装盒下降高度的调节；所述显示模块，用于显示所述声波激励模块采集到的声波波形信息、所述红外感知模块检测到的温度，所述压力控制模块检测到的压力值。 2.根据权利要求1所述非侵入式土壤水分声波检测装置，其特征在于，所述底座支架(2)包括四个竖直支撑杆(10)和两个横向支撑板(11)，其中在横向支撑板(11)两侧开有滑动固定装置安装孔(12)。 3.根据权利要求1所述非侵入式土壤水分声波检测装置，其特征在于，所述滑动固定装置(3)包括左滑动杆(13)、右滑动杆(14)、左右固定旋钮(15)，换能器安装板(16)、换能器安装孔(18)、清洁刀安装板(19)、清洁刀滑动板扶手(20)以及清洁刀(21)，所述左右固定旋钮(15)分别通过松紧弹簧安装于左滑动杆(13)和右滑动杆(14)，所述换能器安装板(16)和清洁刀安装板(19)通过滚珠轴承与左滑动杆(13)和右滑动杆(14)连接。 4.根据权利要求3所述非侵入式土壤水分声波检测装置，其特征在于，还包括微型温度探头(17)，所述微型温度探头(17)安装在换能器安装板(16)上。 5.根据权利要求3所述非侵入式土壤水分声波检测装置，其特征在于，所述换能器安装控制装置(4)包括螺杆(22)、螺栓固定法兰(23)、换能器安装盒(24)、薄膜压力传感器(25)以及距离探测头(26)，所述螺杆(22)穿过换能器安装孔(18)并通过螺栓固定法兰(23)与换能器安装盒(24)连接，所述换能器(26)安装在换能器安装盒(24)内，所述薄膜压力传感器(25)安装在所述换能器安装盒(24)底端。 6.根据权利要求1-5中任一项所述一种非侵入式土壤水分声波检测装置的检测方法，其特征在于，包括下述步骤：分别取不同质地的土壤样本，根据农田实测紧实度分别将土样压实，测定压实后土样容重，分别对不同质地的土样加水，配制不同梯度的含水量样本，密封保存设定时间，使土样充分湿润；采用所述的非侵入式土壤水分声波检测装置将声波探头分别放置到土样表面，对不同含水量的土样进行声波测试，获取土壤含水量与声波速度及主频率相位关系数据，建立土壤含水量与声波速度间的含水量声速模型，并利用声波主频率相位与土壤温度间的关系对含水量声速模型进行修正；将建立的含水量声速模型输入到声波激励及监测主机，对农田实际土壤进行声波检测，获得与土壤含水量信息相关声波速度及主频率相位信息，结合含水量声速模型获得土壤含水量信息。 7.根据权利要求6所述非侵入式土壤水分声波检测装置的检测方法，其特征在于，所述含水量声速模型的建立方法为：首先获取不同含水量土样的声速信息，将含水量与声速信息分为训练集与验证集，利用神经网络技术建立含水量与声速间的关系模型；然后将各含水量的土壤样本分别放置到不同的温度梯度下进行声波检测获取测量温度对所建立数值模型的影响程度，利用时频分析方法对所获取的声波信息进行分析得到温度对声波主频相位的影响关系，利用因子分析法得出检测温度对声波主频相位的影响度，进而对土壤水分-声速模型进行修正；建立环境适应能力较强的土壤水分-声速的反演模型。 8.根据权利要求6所述非侵入式土壤水分声波检测装置的检测方法，其特征在于，密封保存设定时间为24小时。
所属类别：	发明专利