用于土壤水分的检测装置和土壤水分的检测方法与流程

1.本发明涉及土壤水分测试设备技术领域，特别地涉及一种用于土壤水分的检测装置和土壤水分的检测方法。


背景技术：

2.目前，随着人们对环保行业越来越重视，同时，人们生活和工农业生产对土壤水分的依赖性逐渐增强，然而，面对大量的土壤水分检测工作，如何快速检测土壤的水分一直是许多专家、学者面临比较难以解决的问题。
3.现有技术中，多采用烘干检测的方法，但这种方法需要耗费大量的能源，耗时较长，无法快速高效地检测出待测试土壤的水分。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术中的问题，本技术提出了一种用于土壤水分的检测装置和土壤水分的检测方法，具有快速高效地检测出待测试土壤的水分的功能。
5.本发明的用于土壤水分的检测装置，包括：测试平台，用于放置待测试土壤；照射光源，能够将光源信号照射在待测试土壤上并发生反射；光学检测器，用于收集不同反射角度的光源信号；控制系统，与光学检测器电连接；其中，控制系统能够对收集到的不同反射角度的光源信号进行处理分析，并得到待测试土壤的含水率。
6.在一个实施方式中，照射光源为近红外线光源，和/或照射光源的波长可调。通过本实施方式，能够照射光源的参数，以满足检测装置的检测要求。
7.在一个实施方式中，光学检测器的检测角度可调。通过本实施方式，确保光学检测器的位置可调，从而实现对不同反射角度的光源信号进行收集，进而满足检测装置的测试要求。
8.在一个实施方式中，测试平台上设置有样品安置槽。通过本实施方式，便于固定待测试土壤，避免其在测试时发生抖动和偏移，从而确保检测装置的测试精度。
9.在一个实施方式中，控制系统包括：工作电路，与光学检测器电连接；数据分析处理装置，与工作电路电连接；显示装置，与工作电路和数据分析处理装置电连接。通过本实施方式，数据分析处理装置用于处理和分析光学检测器收集到的光源信号，并将分析结果传输至显示装置以数值和图形信息进行显示，进而确保检测装置能够正常地工作。
10.在一个实施方式中，还包括基座，测试平台、照射光源、光学检测器和控制系统的显示装置间隔设置在基座上，控制系统的工作电路设置在基座内。通过本实施方式，基座作为支撑结构，用于支撑和固定照射光源、光学检测器、显示装置和工作电路，进而确保检测装置能够正常地工作。
11.在一个实施方式中，基座上设置有与工作电路电连接的数据插口和/或工作按钮。通过本实施方式，设置数据插口便于与智能终端连接，设置工作按钮方便控制检测装置的启停，进而提高了检测装置使用的便利性。
12.在一个实施方式中，基座上设置有插槽，光学检测器至少部分插设在插槽内。
13.在一个实施方式中，基座包括斜面板，显示装置嵌设于斜面板，和/或工作按钮设置在斜面板上。通过本实施方式，设置斜面板便于工作人员观察显示装置上的显示数据，同时方便其操作工作按钮。进而提高了检测装置使用的便利性，同时满足了人机操作便利化要求。
14.本发明的另一个方面，还提供了一种土壤水分的检测方法，检测方法采用上述检测装置，包括：向一系列不同含水率的土壤发出特定波长的光源信号；收集土壤在规定反射角度的光源信号；对光源信号进行分析处理，得到标准反馈表；向待测试土壤发出特定波长的光源信号；收集待测试土壤在规定反射角度的光源信号；将测试结果与标准反馈表进行分析比对，得出待测试土壤的含水率。
15.上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
16.本发明提供的一种用于土壤水分的检测装置和土壤水分的检测方法，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：
17.检测装置能够收集不同反射角度的光源信号并对其进行分析处理，这样利用土壤在光源的照射下反射出光源信号的原理，通过检测装置收集和分析处理光源信号，得出土壤的含水率，从而快速高效地检测出待测试土壤的水分。另外，为了提高检测装置的检测精度，利用检测装置对一系列不同含水率的土壤进行测试，即特定波长照射光源的照射型下，对一系列不同含水率的土壤在规定反射角度下的光源信号进行收集、分析和处理，建立标准反馈表。将待测试土壤的测试结果与标准反馈表上的数据进行对比，即可得出待测试土壤的含水率。这样进一步地提高了检测装置的测试效率。
附图说明
18.在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
19.图1显示了本发明的用于土壤水分的检测装置立体结构示意图。
20.在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
21.附图标记：
22.10、照射光源；20、测试平台；21、样品安置槽；30、光学检测器；41、显示装置；50、基座；51、插口；52、斜面板。
具体实施方式
23.下面将结合附图对本发明作进一步说明。
24.需要说明的是，土壤水分是反映农田环境的重要参数之一，测量农田土壤水分参数是科学管理农田种植的重要环节。目前，土壤水分的测量方法有：烘干法、中子法、tdr法(时域反射法)和遥感法。其中烘干法是一种经典、可靠的方法，但它不能实现实时检测，同时会破坏了土壤结构。中子法的设备价格昂贵，高达近数万元一台。遥感法适合大范围监测。tdr法(时域反射法)在国际上比较流行，有较好的测量效果，目前市场已有的产品精度高，功能强大，但缺点是系统复杂、体积大、价格贵、使用不方便，适合于专业人士。
25.如图1所示，本发明提供了一种用于土壤水分的检测装置，包括测试平台20、照射
光源10、光学检测器30和控制系统。
26.其中，测试平台20用于放置待测试土壤，照射光源10能够照射在待测试土壤上并产生光源信号，光学检测器30用于收集不同反射角度的光源信号。控制系统与光学检测器30电连接，控制系统能够对收集到的不同反射角度的光源信号进行分析，并得到待测试土壤的含水率。
27.上述设置中，检测装置能够收集不同反射角度的光源信号并对其进行分析处理，这样利用土壤在光源的照射下反射出不同的光源信号的原理，通过检测装置收集和分析处理光源信号，得出土壤的含水率，从而快速高效地检测出待测试土壤的水分。
28.另外，为了提高检测装置的检测精度，利用检测装置对一系列不同含水率的土壤进行测试，即特定波长照射光源10的照射型下，对一系列不同含水率的土壤在规定反射角度下的光源信号进行收集、分析和处理，建立标准反馈表。将待测试土壤的测试结果与标准反馈表上的数据进行对比，即可得出待测试土壤的含水率。这样进一步地提高了检测装置的测试效率。
29.具体地，如图1所示，在一个实施例中，照射光源10为近红外线光源，照射光源10的波长可调。这样能够照射光源10的参数，以满足检测装置的检测要求。
30.进一步地，照射光源10包括支撑杆和灯源，支撑杆的底部与检测装置的基座50连接，支撑杆的顶部设置有灯源。灯源位于测试平台20的上方。
31.具体地，如图1所示，在一个实施例中，光学检测器30的检测角度可调。这样确保光学检测器30的位置可调，从而实现对不同反射角度的光源信号进行收集，进而满足检测装置的测试要求。
32.进一步地，光学检测器30内部集成有位置调节机构，用于调节光学检测器30的检测位置。
33.具体地，如图1所示，在一个实施例中，测试平台20上设置有样品安置槽21。这样便于固定待测试土壤，避免其在测试时发生抖动和偏移，从而确保检测装置的测试精度。
34.进一步地，样品安置槽21的形状与待测试土壤的形状相适配。
35.具体地，如图1所示，在一个实施例中，控制系统包括工作电路、数据分析处理装置和显示装置41。
36.其中，工作电路与光学检测器30电连接，数据分析处理装置与工作电路电连接，显示装置41与工作电路和数据分析处理装置电连接。
37.上述设置中，数据分析处理装置用于处理和分析光学检测器30收集到的光源信号，并将分析结果传输至显示装置41以数值和图形信息进行显示，进而确保检测装置能够正常地工作。
38.进一步地，显示装置41为液晶显示面板，数据分析处理装置包括智能终端，比如台式电脑或笔记本电脑或平板电脑。
39.具体地，如图1所示，在一个实施例中，检测装置还包括基座50，测试平台20、照射光源10、光学检测器30和控制系统的显示装置41间隔设置在基座50上，控制系统的工作电路设置在基座50内。这样基座50作为支撑结构，用于支撑和固定照射光源10、光学检测器30、显示装置41和工作电路，进而确保检测装置能够正常地工作。
40.具体地，如图1所示，在一个实施例中，基座50上设置有与工作电路电连接的数据
插口51和工作按钮。
41.上述设置中，设置数据插口51便于与智能终端连接，设置工作按钮方便控制检测装置的启停，进而提高了检测装置使用的便利性。
42.具体地，如图1所示，在一个实施例中，基座50上设置有插槽，光学检测器30部分插设在插槽内。
43.具体地，如图1所示，在一个实施例中，基座50包括斜面板52，显示装置41嵌设于斜面板52，工作按钮设置在斜面板52上。
44.上述设置中，设置斜面板52便于工作人员观察显示装置41上的显示数据，同时方便其操作工作按钮。进而提高了检测装置使用的便利性，同时满足了人机操作便利化要求。
45.本技术还提供了一种土壤水分的检测方法，利用上述检测装置进行检测。具体步骤如下：
46.步骤一：通过照射光源向一系列不同含水率的土壤照射特定波长的光源信号；
47.步骤二：通过光学检测器收集土壤在规定反射角度的光源信号(检测信号)；
48.步骤三：通过控制系统对光源信号进行分析处理，得到标准反馈表；
49.步骤四：通过照射光源向待测试土壤发出特定波长的光；
50.步骤五：通过光学检测器收集待测试土壤在规定反射角度的光源信号；
51.步骤六：通过控制系统将测试结果(待测试土壤的检测角度和检测信号)与标准反馈表进行分析比对，得出待测试土壤的含水率。
52.本发明利用不同含水率的土壤在光源的照射下反射出不同的光波信号(光源信号)，通过接收光波信号并对比分析，测定土壤的水分。利用本方法能够快速、高效地检测土壤水分，能够实现在线检测。检测土壤的含水率在0.1％-20％之间(含固率为99.9％-80％之间)的土壤水分，检测精度为0.1％，完全符合国家相关标准。
53.下面为本技术的一个完整的检测方法的实施例：
54.被测土壤为一系列已知不同水分值的土壤(前述的一系列不同含水率的土壤)，用于制备标准反馈表，待测土壤(前述的待测试土壤)为实际环境土壤在线检测时的需要测定的未知水分的土壤，检测放置的位置同被测土壤。
55.用光学检测器30对不同反射角度的光源信号进行分析处理，再通过含水率分析仪表，把检测接收到的光源信号转换成土壤水分(或含固率)反馈给用户。光源为至少一组、每组至少一个近红外光源和/或led光源，光学检测器30与近红外光源和/或led光源一一对应匹配。特定波长的光源信号为波长800μm-900μm之间的光波信号，特定波长的光源信号为单一波长的光源信号或者为连续波长的光源信号。光源信号经污泥反射后成为光学检测器30的检测信号。
56.对不同反射角度、不同含水率土壤反射的检测信号进行分析处理，得到特定波长的光源信号和不同角度下，检测信号与被测土壤水分的标准反馈表。该方法中检测的土壤的温度范围为-10℃至40℃。该方法还包括根据温度补偿法对土壤水分数值进行补偿的步骤，温度补偿法为水的密度补偿法，包括如下计算方法：单一光学折射每升水中的土壤水分的计算方法：土壤含固率＝光折射检测所得的土壤固含量
×
不同温度下密度系数；
57.用光源向待测未知水分的土壤发出特定波长的光源信号，使用光学检测器30在规定反射角度的位置收集待测土壤反射的光源信号；
58.通过将待测土壤的检测角度和检测信号与标准反馈表进行分析比对，得出所测的土壤水分。
59.表1温度补偿对照表
60.温度(℃)系数(g/cm3)温度(℃)系数(g/cm3)温度(℃)系数(g/cm3)温度(℃)系数(g/cm3)-10-00.99984
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
10.99990110.99961210.99799310.9953420.99994120.99950220.99777320.9950330.99996130.99938230.99754330.9947140.99997140.99925240.99730340.9943850.99996150.99910250.99705350.9940460.99994160.99894260.99679360.9936970.99990170.99878270.99652370.9933380.99985180.99860280.99624380.9929790.99979190.99841290.99595390.99260100.99970200.99821300.99565400.99222
61.本发明的测定土壤的温度为20摄氏度。使用近红外光源向一系列已知含水量的被测土壤发出波长870μm的光波信号，使用光学检测器(接收600～900μm波长信号)在45度、90度和135度的反射角度的位置收集被测土壤反射的光源信号；对不同反射角度、不同含水率土壤反射的检测信号进行分析处理，得到870μm的光波信号和45度、90度和135度反射角度下，检测信号与被测土壤水分的标准反馈表，使用智能终端统计处理，参考表1和表2；
62.表2标准反馈表
63.角度波长含固率角度波长含固率角度波长含固率458701009087010013587010045869.9499.8890869.9099.85135869.8799.8145869.8899.1290869.8199.07135869.7599.0545869.7098.7890869.6198.74135869.5398.7245869.5898.5290869.4998.50135869.4298.4845869.4198.3190869.3298.29135869.2898.2745869.1698.1490869.0198.12135868.9398.1045869.0497.9190868.9197.90135868.8797.8145868.9297.6390868.8897.61135868.8197.6045868.8097.3790868.7297.35135868.6597.3245868.7497.1690868.6397.14135868.5397.1345868.6296.9290868.5296.91135868.4696.8945868.4496.7190868.4296.68135868.3796.6145868.2696.5690868.1896.52135868.1196.4945868.1296.3290868.0396.29135867.9596.2745867.9796.1590867.9296.15135867.8696.1345867.6496.0190867.6195.98135867.5495.9645867.4695.7990867.3795.77135867.3095.73
45867.3195.5290867.2395.51135867.1595.4745867.1495.3890867.0295.35135866.9395.3345866.9395.2190866.8395.19135866.8095.17
64.根据表2可以的得到相关的检测信号与被测土壤水分的标准反馈表，进一步使用光源向待测未知水分的土壤(样品0)发出870μm的光源信号，使用光学检测器30在45度、90度和135度反射角度的位置收集待测土壤反射的光源信号；得到的检测器信号值分别为868.62、868.52、868.46。通过将待测土壤的检测角度和检测信号与标准反馈表进行分析比对，得出土壤的含固率分别为96.92％、96.91％、96.89％。计算土壤的含固率并进行温度补偿：土壤含固率＝(96.92％+96.91％+96.89％)/3
×
0.99821＝96.73％.土壤水分为3.27％。
65.接下来对样品1至3进行测试：
66.测定土壤的温度为20摄氏度。
67.使用光源向待测未知水分的土壤1-3发出870μm的光源信号，使用光学检测器30在45度、90度和135度反射角度的位置收集待测土壤反射的光源信号，见表3；
68.表3：样品1至3测试表
69.样品45度90度135度1869.40869.12869.282868.51868.47867.423868.12868.10867.95
70.由上可知：通过将待测土壤的检测角度和检测信号与标准反馈表进行分析比对，得出土壤的含固率分别为98.31％、98.27％、98.27％；96.81％、96.79％、96.78％；96.32％、96.29％、96.27％。
71.计算土壤的含固率并进行温度补偿：
72.样品1的土壤含固率＝(98.31％+98.27％+98.27％)/3
×
0.99821＝98.11％；
73.样品2的土壤含固率＝(96.81％+96.79％+96.78％)/3
×
0.99821＝96.62％
74.样品3的土壤含固率＝(96.32％+96.29％+96.27％)/3
×
0.99821＝96.12％
75.样品1至3的土壤水分为1.89％、3.38％、3.88％。
76.需要说明的是，为了验证本发明方法的优势与准确性，采用了传统的烘干法对待测土壤进行水分检测。
77.一、首先取与上述测试相同的土壤样品20g，放入称量盒内，立即盖好盒盖，称质量。称量时，可在天平一端放上与该称量盒等质量的砝码，移动天平游码，平衡后称量结果减去称量质量即为湿土质量。
78.二、揭开盒盖，将试样和盒放入烘箱内，在温度105-110℃恒温下烘干。烘干时间对土壤样品不得少内于8h，干燥12-15h为好。
79.三、将烘干后的试样和盒取出，放入干燥器内冷却(一般只需0.5-1h即可)。冷却后盖好盒盖，称质量，准确至0.01g。
80.四、根据公式计算土壤水分
81.w＝(m-ms)/ms*100
82.w
‑‑‑‑
含水率(％)；
83.m
‑‑‑‑
湿土质量(g)；
84.ms
‑‑‑
干土质量(g)。
85.烘干法耗时至少9h。测得的样品土壤水分为96.67％
86.本发明方法在使用相关的检测信号与被测土壤水分的标准反馈表进行比对，光学土壤水分检测仅需0.5h，检测土壤水分结果为96.73％。设备检测精度为0.1％，完全符合国家相关标准。
87.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
88.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

技术特征：
1.一种用于土壤水分的检测装置，其特征在于，包括：测试平台，用于放置待测试土壤；照射光源，能够将光源信号照射在所述待测试土壤上并发生反射；光学检测器，用于收集不同反射角度的所述光源信号；控制系统，与所述光学检测器电连接；其中，所述控制系统能够对收集到的不同反射角度的所述光源信号进行处理分析，并得到所述待测试土壤的含水率。2.根据权利要求1所述的用于土壤水分的检测装置，其特征在于，所述照射光源为近红外线光源，和/或所述照射光源的波长可调。3.根据权利要求1所述的用于土壤水分的检测装置，其特征在于，所述光学检测器的检测角度可调。4.根据权利要求1所述的用于土壤水分的检测装置，其特征在于，所述测试平台上设置有样品安置槽。5.根据权利要求1所述的用于土壤水分的检测装置，其特征在于，所述控制系统包括：工作电路，与所述光学检测器电连接；数据分析处理装置，与所述工作电路电连接；显示装置，与所述工作电路和所述数据分析处理装置电连接。6.根据权利要求1所述的用于土壤水分的检测装置，其特征在于，还包括基座，所述测试平台、所述照射光源、所述光学检测器和所述控制系统的显示装置间隔设置在所述基座上，所述控制系统的工作电路设置在所述基座内。7.根据权利要求6所述的用于土壤水分的检测装置，其特征在于，所述基座上设置有与所述工作电路电连接的数据插口和/或工作按钮。8.根据权利要求6所述的用于土壤水分的检测装置，其特征在于，所述基座上设置有插槽，所述光学检测器至少部分插设在所述插槽内。9.根据权利要求7所述的用于土壤水分的检测装置，其特征在于，所述基座包括斜面板，所述显示装置嵌设于所述斜面板，和/或所述工作按钮设置在所述斜面板上。10.一种土壤水分的检测方法，其特征在于，所述检测方法采用权利要求1至9中任一项所述的检测装置进行检测，包括：向一系列不同含水率的土壤发出特定波长的光源信号；收集所述土壤在规定反射角度的所述光源信号；对所述光源信号进行分析处理，得到标准反馈表；向待测试土壤发出特定波长的光源信号；收集所述待测试土壤在规定反射角度的所述光源信号；将测试结果与所述标准反馈表进行分析比对，得出所述待测试土壤的含水率。

技术总结
本发明提供了一种用于土壤水分的检测装置和土壤水分的检测方法，该检测装置包括：测试平台，用于放置待测试土壤；照射光源，能够将光源信号照射在待测试土壤上并发生反射；光学检测器，用于收集不同反射角度的光源信号；控制系统，与光学检测器电连接；其中，控制系统能够对收集到的不同反射角度的光源信号进行分析，并得到待测试土壤的含水率。基于本发明的技术方案，检测装置能够收集不同反射角度的光源信号并对其进行分析处理，这样利用土壤在光源的照射下反射出光源信号的原理，通过检测装置收集和分析处理光源信号，得出土壤的含水率，从而快速高效地检测出待测试土壤的水分。从而快速高效地检测出待测试土壤的水分。从而快速高效地检测出待测试土壤的水分。


技术研发人员：张凯 王蕾 李全生 何瑞敏 邢朕国
受保护的技术使用者：北京低碳清洁能源研究院 国家能源投资集团有限责任公司
技术研发日：2022.03.16
技术公布日：2023/9/22