[发明专利]一种陶土介质电容式土壤基质势测量方法

权利要求书

1.一种陶土介质电容式土壤基质势测量方法，其特征在于：

所述的陶土介质电容式土壤基质势测量方法，采用了电容式土壤基质势实时测量系统，并具体包括：

将电容式土壤基质势实时测量系统中的测量端插入土壤指定深度，电容式土壤基质势实时测量系统的电容式传感器包括透水不透气的陶土材料电容介质，当土壤基质势改变时，渗入陶土材料中的水分发生改变，从而使电容式传感器的电容发生改变，电容的计算公式采用下式：

C＝kε_rε₀

式中，C为电容式传感器的电容，k为几何常数，单位为m，由电容式传感器上电容介质的面积和厚度决定，s为电容式传感器电容介质的面积，单位为m²，d为电容式传感器电容介质的厚度，单位为m，ε₀为真空中相对介电常数，为1，ε_r为陶土中按照体积比例混合的相对介电常数；

ε_r取决于渗透进陶土材料的水分含量，陶土和水分体积所占比例决定了电容介质的相对介电常数，公式为

ε_r＝∑V_iε_i

其中，V_i为陶土或水分占整体体积的比例，ε_i为陶土或水分的相对介电常数；

电容的测量基于频率震荡器的原理，在辅助电阻固定的情况下，输出方波信号频率的变化取决于电容的变化，振荡频率的计算采用以下公式：

f＝(R₁+2R₂)C ln2

其中f为频率震荡器输出方波的频率，单位Hz，R₁和R₂为固定电阻，单位为Ω，C为电容式传感器的电容，电容的变化可转化频率变化的方波信号，通过测量方波信号的频率可得电容的值；

方波信号频率的测量是在确定的闸门时间T内，利用计数器对待测信号进行计数，根据所得计数个数N，得到频率的大小，具体计算公式为

其中f_x为所得频率的大小，单位Hz；T为闸门时间，单位为s；

将测量的频率与在相同条件下由水银负压计所测得数据结合起来，经数据拟合可得到方波频率与土壤基质势的对应关系；

所述电容式土壤基质势实时测量系统，包括依次连接的电容式测量单元、测量处理单元、数据传输单元、终端；

所述电容式测量单元包括箭型金属前端(1)和电容式传感器(2)，所述电容式传感器包括金属连接杆(3)和从上往下依次设置的上极板(4)、第一陶瓷介质(5)、金属导体(6)、第二多孔陶瓷介质(7)、下极板(8)，所述金属连接杆(3)将上极板(4)、第一陶瓷介质(5)、金属导体(6)、第二多孔陶瓷介质(7)、下极板(8)贯穿连接，且所述金属连接杆(3)将上、下极板短接，金属连接杆(3)与金属导体(6)绝缘；所述箭型金属前端(1)与金属导体(6)连接；

所述箭型金属前端(1)的最大直径与电容式传感器(2)的外圆直径相等；

所述测量处理单元、数据传输单元置于外壳(15)内，所述外壳的最大直径与电容式传感器的外圆直径相等；

所述上极板和下极板上均设有镂空；上极板和下极板上的镂空各有4个，对称布设，且靠近金属连接杆的镂空面积大于远离金属连接杆的镂空面积。

2.根据权利要求1所述陶土介质电容式土壤基质势测量方法，其特征在于：

所述的陶土的相对介电常数为6，水的相对介电常数为80.4。

3.根据权利要求1所述陶土介质电容式土壤基质势测量方法，其特征在于：

所述测量处理单元包括频率振荡电路和嵌入式MCU处理器，所述频率振荡电路的输入端与电容式传感器连接，频率振荡电路的输出端与嵌入式MCU处理器连接，嵌入式MCU处理器与数据传输单元连接。

4.根据权利要求3所述陶土介质电容式土壤基质势测量方法，其特征在于：

所述数据传输单元包括无线传输模块，无线传输模块将测量处理单元的数据传递给终端进行显示和存储；嵌入式MCU处理器处理完的数据先保存在自身的RAM之中，每经过一段时间便将RAM内的数据转移至ROM内；同时嵌入式MCU处理器通过无线传输模块将数据传输终端进行显示和处理。