[发明专利]一种土壤含水率超声波测量装置及测量方法

权利要求书

1.一种土壤含水率超声波测量装置，其特征在于，包括含水率探头和动态传感机构，所述含水率探头设置在外壳上；所述外壳可拆卸地设置在安装机架上；

所述动态传感机构包括超声波发射器、超声波接收器和升降驱动机构，所述超声波发射器设置在安装机架上的顶部；

所述超声波接收器包括第一超声波接收器和第二超声波接收器，所述第一超声波接收器设置在外壳上，所述第一超声波接收器与含水率探头位于同一高度；所述第二超声波接收器设置在升降驱动机构的驱动端上；

所述升降驱动机构包括升降驱动电机和升降传动组件，所述升降驱动电机固定设置在安装机架的上端；所述升降传动组件包括丝杆和丝杆螺母，所述第二超声波接收器设置在丝杆螺母上，所述丝杆螺母构成用于携带第二超声波接收器上下移动的滑块。

2.根据权利要求1所述的土壤含水率超声波测量装置，其特征在于，所述安装机架包括竖直段和水平段，所述超声波发射器设置在水平段上，所述外壳设置在竖直段的外侧。

3.根据权利要求1所述的土壤含水率超声波测量装置，其特征在于，所述第一超声波接收器与含水率探头均设置在外壳的上端，其中，所述第一超声波接收器设置在外壳的内腔壁上，所述含水率探头位于外壳的内壁上。

4.一种应用于权利要求1所述的土壤含水率超声波测量装置的土壤含水率超声波测量方法，其特征在于，包括建立含水率对照数据库的方法和土含水率实时测量的方法：

其中，建立含水率对照数据库的方法包括以下步骤；

将含水率探头插入土壤中，对土壤进行加湿，通过含水率探头测得土壤含水率θ；由超声波发射器发出超声波信号，记得设置在外壳上的第一超声波接收器接收到超声波信号的时间；结合超声波发射器和第一超声波接收器的位置参数，通过速度模型公式计算该土壤含水率下的超声波的传播速度V_土；重复多次上述操作，获得多个不同的土壤含水率θ以及该土壤含水率下的超声波传播速度V_土；将上述获得的数据一一对应并记录到后台，建立数据库；

土壤含水率实时测量的方法包括以下步骤；

将测量装置放在待测量的土壤之上；将设置有第二超声波接收器的滑块移动至最上方；启动超声波发射器和第二超声波接收器，记录从超声波发射器发出信号到第二超声波接收器接收到信号的时间t₁；关闭超声波发射器和第二超声波接收器，结合超声波发射器、第二超声波接收器的位置参数以及t₁，通过速度模型公式计算该位置的超声波传播速度V₁；查看后台的数据库，获得与该超声波传播速度V₁对应的含水率，并在后台记录深度与土壤含水率；

将滑块往下移动Δh；启动超声波发射器和第二超声波接收器，记录从超声波发射器发出信号到第二超声波接收器接收到信号的时间t_2记录；结合超声波发射器、第二超声波接收器的位置参数、V₁以及下滑高度Δh，通过时间模型公式计算第二超声波接收器接收到信号的时间t_2计算，并判断t_2计算是否等于记录得到的时间t_2记录；

当t_2计算等于t_2记录时，继续往下移动Δh，同时启动超声波发射器和第二超声波接收器，记录从超声波发射器发出信号到滑块的超声波接收器接收到信号的时间t_3记录，并判断计算得到的t_3计算是否等于记录得到的时间t_3记录；依次类推，直到并判断计算得到的t_n计算不等于记录得到的时间t_n记录或者滑块移动到最下方为止；

当t_2计算不等于t_2记录时，则判定上一位置为上一层土壤含水率的底部，上一层土壤含水率的厚度为h₁＝(n-1)*Δh，并且将该层的厚度和含水率记录在后台；由于t_2计算不等于t_2记录，代表此位置的含水率发生变化，通过这一位置的超声波传播速度来确定这一层的土壤含水率；

通过时间模型公式计算V₂，查看后台的数据库，获得与该超声波传播速度V₂对应的含水率，并在后台记录该深度与土壤含水率；

按照上述操作继续测量，得到每一层土壤含水率以及该土壤层的厚度h₂＝(n-1)*Δh-h₁，并将对应的数据记录在后台；

通过后台收集了各层土壤的厚度和含水率，构建土壤含水率沿土壤深度方向的变化曲线。