用于插针式土壤水分传感器的双工位自动检测装置及方法技术领域
本发明涉及一种自动检测装置，具体是一种用于插针式土壤水分传感器的双工位
自动检测装置及方法。
背景技术
土壤水分传感器应用在气象、农业、生态及水文环境等领域，主要是用来检测土壤
含水量测量仪器。基于FDR（Frequency Domain Reflectometry）频域反射技术测量土壤介
电常数。土壤内水分变化导致介电常数变化，土壤的体积含水率与介电常数存在函数关系。
目前，对插针式土壤水分传感器的快速检测，国内存在空白，现阶段传感器的标定
主要采用中国气象局《农业气象观测规范》规定的烘干称重法。采用烘干称重法测量土壤含
水量的主要优点是精度较高、测量范围宽，但是存在着以下缺点：一，烘干称重法是全程由
人工完成的，它必须将所安装地点土样由田间取回实验室进行烘干、称重，最后通过计算求
出土壤的含水量，因此工作量大、效率低。二，测量周期长，从土壤采样到烘干、称重、计算往
往需要较长的时间，通常需要24小时，较快也需要5~12小时，给快速测量带来很大的不便。
三，采样土壤时破坏土壤结构，不宜定点长期观察。
由于烘干称重法主要是用来给传感器标定使用，平时测量主要用来测量传感器有
无数据输出，数据是否正常，不作为定点长期观察使用。
发明内容
为了解决传统检测方法人工工作量大、效率低、测量周期长、破坏土壤结构、不宜
定点长期观察的缺点，本发明提供了用于插针式土壤水分传感器的双工位自动检测装置及
方法。该装置，能够快速测量插针式土壤水分传感器是否故障、不破坏土壤结构，是能够定
点长期观察的自动化装置。
本发明为实现上述目的，是采用如下技术方案实现的：一种用于插针式土壤水分
传感器的双工位自动检测装置，包括升降杆、智能液晶模块、步进电机，其特征在于：还包括
传感器固定支架、土壤水分环境模拟装置、旋转支架、外壳、光电开关、水平泡、调平螺栓、底
座、连接块；
四个所述调节调平螺栓分别固定在底座的下面，所述光电开关、步进电机、连接块分别
固定在底座上面，所述智能液晶模块、水平泡分别安装在外壳上，智能液晶模块的电阻触摸
屏显露出外壳的前面板上，水平泡显露出外壳的上面板上，所述外壳固定在底座上，光电开
关的发光二极管及步进电机的轴分别伸出外壳上面板外，所述旋转支架固定在步进电机的
轴上，旋转支架上的两个圆孔中分别安装一个土壤水分环境模拟装置，所述升降杆的底端
固定在连接块上，升降杆的上端与传感器固定支架相固定；
电路连接为，智能液晶模块分别与升降杆、光电开关、步进电机连接，升降杆可根据智
能液晶模块指令，带动传感器固定支架提升或下降。
一种用于插针式土壤水分传感器的双工位自动检测装置的检测方法，步骤如下，
升降机构，包括固定支架、升降杆，旋转机构，包括旋转支架、步进电机；
第一步、准备工作，
将装置置于稳定桌面上，通过四个调节调平螺栓使时水平泡中心对准中心点，调节水
平工作完成；
土壤水分环境模拟装置共有2个工位，均为内部直径65mm的圆筒，一个圆筒工位Ⅰ内部
装有使用天平称取标准克重的水，另一个圆筒工位Ⅱ装有使用天平称取另一个标准克重的
纯净水及设定好克重的玻璃球，玻璃球用来模拟土壤，通过计算玻璃球总体积占整个圆筒
容积比例用来模拟土壤的不同含水率，保证了土壤环境模拟的真实性；
然后将土壤水分传感器卡在传感器固定支架半圆形槽和半圆环内的上下半圆形凸台
之间，装置开机，智能液晶模块自动进行程序和升降机构、旋转机构复位工作；
第二步骤、工作时，智能液晶模块识别上位机发送来的操作命令，首先控制旋转机构，
通过步进电机驱动旋转支架带动土壤水分环境模拟装置圆筒工位Ⅰ旋转至光电开关位置
时，光电开关位置光被遮挡后输出信号到智能液晶模块，控制步进电机停止转动，然后智能
液晶模块控制升降机构将升降杆带动传感器固定支架拖动土壤水分传感器向下移动，当升
降杆下降到设定位置时，内部行程开关动作，升降杆停止，此时正好传感器插针进入土壤水
分环境模拟装置是圆筒工位Ⅰ内，通过智能液晶模块读取传感器输出的土壤水分数据，数据
保存在智能液晶模块中；
第三步骤：控制升降机构，将升降杆带动传感器固定支架拖动土壤水分传感器向上移
动，当升降杆上升到设定位置时，内部行程开关动作，升降杆停止，此时正好土壤水分传感
器插针离开土壤水分环境模拟装置圆筒工位Ⅰ内，然后控制旋转机构，通过步进电机驱动旋
转支架带动土壤水分环境模拟装置圆筒工位Ⅱ旋转至光电开关位置时，光电开关位置光被
遮挡后输出信号到智能液晶模块，然后控制升降机构，将升降杆带动传感器固定支架拖动
土壤水分传感器向下移动，然后智能液晶模块控制升降机构，将升降杆带动传感器固定支
架拖动土壤水分传感器向下移动，当升降杆下降到设定位置时，内部行程开关动作，升降杆
停止，此时正好传感器插针进入土壤水分环境模拟装置圆筒工位Ⅱ内，通过智能液晶模块
读取此时土壤水分传感器输出的土壤水分数据，数据保存在智能液晶模块中；
第四步骤、智能液晶模块将两次土壤水分传感器插针插入不同工位的土壤水分环境模
拟装置的数据通过与当初人工设定标准值误差范围作对比，实际测定值在人工设定的标准
值误差范围内，则判断土壤水分传感器正常，否则判断土壤水分传感器故障，将最终判定结
果显示在触摸屏上，同时数据储存在智能液晶模块中，以便操作人员查阅，从而实现土壤水
分传感器的全自动检测。
与传统技术相比，本发明具有以下优点：
采用土壤水分环境模拟装置代替传统方法中的采样土壤，大幅减少了检测的工作量，
缩短了测量周期，测量过程全程自动化运行，减少人员操作过程中的不稳定因素，模拟装置
可在实验室随时制作，节省了人力、物力，提高了检测的工作效率，可定点长期观察。该装置
使用方便，全程不需要人工参与，时间效率高， 提高了工作效率，利于大批量快速测试使
用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的结构分解示意图；
图3为本发明传感器固定支架的结构示意图；
图4为本发明使用状态的半剖视示意图。
具体实施方式
为了更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，下面结合优选实施例及其
附图对本发明作进一步详细描述。
如图1、2、3所示，用于插针式土壤水分传感器的双工位自动检测装置，包括升降杆
2、智能液晶模块6、步进电机11，还包括传感器固定支架1、土壤水分环境模拟装置3、旋转支
架4、外壳5、光电开关7、水平泡8、调平螺栓9、底座10、连接块12。
传感器固定支架1一侧为垂直状的半圆形体，半圆形体的面为半圆形槽1-1，对应
半圆形槽1-1设有一个半圆环1-2，在半圆形体的上下面上分别固定一片半圆形挡片1-3，使
半圆形槽1-1内上下端形成了对称的半圆形凸台1-1-1，传感器固定支架1另一侧上端，固定
有T形状连接件1-4，在T形状连接件1-4的凸起面上设有连接孔1-4-1。
四个调节调平螺栓9分别固定在底座10的下面，光电开关7、步进电机11、连接块12
分别通过螺栓固定在底座10上面，智能液晶模块6、水平泡8分别安装在外壳5上，智能液晶
模块6的电阻触摸屏6-1通过外壳矩形框5-1显露出外壳5的前面板上，水平泡8显露出外壳5
的上面板上，外壳5螺装在底座10上，光电开关7的发光组件及步进电机11的轴分别伸出外
壳5上面板外，旋转支架4固定在步进电机11的轴上，旋转支架4上的两个圆孔4-1中分别安
装一个土壤水分环境模拟装置3，升降杆2的底端凸起2-1插入连接块12U口12-1中通过螺栓
固定在连接块12上，升降杆2的上端插入固定支架1连接孔1-4-1中，通过螺栓与传感器固定
支架1相固定。
电路连接为，智能液晶模块6分别与升降杆2、光电开关7、步进电机11连接，升降杆
2可根据智能液晶模块6指令，带动传感器固定支架1提升或下降。
升降杆2型号为： XTL150-12-1000电动推杆。
智能液晶模块6型号为：IHMI43智能液晶模块。
如图4所示，一种用于插针式土壤水分传感器的双工位自动检测装置的检测方法，
步骤如下：
升降机构，包括固定支架1、升降杆2，旋转机构，包括旋转支架4安装在步进电机11。
第一步、准备工作，
将装置置于稳定桌面上，通过四个调节调平螺栓9使时水平泡8中心对准中心点，调节
水平工作完成。
土壤水分环境模拟装置3共有2个工位，均为内部直径65mm的圆筒，一个圆筒工位Ⅰ
3-1内部装有使用天平称取标准克重的水13，另一个圆筒工位Ⅱ3-2装有使用天平称取另一
个标准克重的纯净水及设定好克重的玻璃球14，玻璃球14用来模拟土壤，通过计算玻璃球
14总体积占整个圆筒容积比例用来模拟土壤的不同含水率，保证了土壤环境模拟的真实
性。
然后将土壤水分传感器15卡在传感器固定支架1半圆形槽1-1和半圆环1-2内的上
下半圆形凸台1-1-1之间，装置开机，智能液晶模块6自动进行程序和升降机构、旋转机构复
位工作。
第二步骤、工作时，智能液晶模块6识别上位机发送来的操作命令，首先控制旋转
机构，通过步进电机11驱动旋转支架4带动土壤水分环境模拟装置3圆筒工位Ⅰ3-1旋转至光
电开关7位置时，光电开关7位置光被遮挡后输出信号到智能液晶模块6，控制步进电机11停
止转动，然后智能液晶模块6控制升降机构将升降杆2带动传感器固定支架1拖动土壤水分
传感器15向下移动，当升降杆2下降到设定位置时，内部行程开关动作，升降杆2停止，此时
正好传感器插针进入土壤水分环境模拟装置3是圆筒工位Ⅰ3-1内，通过智能液晶模块6读取
传感器输出的土壤水分数据，数据保存在智能液晶模块6中。
第三步骤：控制升降机构，将升降杆2带动传感器固定支架1拖动土壤水分传感器
15向上移动，当升降杆2上升到设定位置时，内部行程开关动作，升降杆2停止，此时正好土
壤水分传感器15插针离开土壤水分环境模拟装置3圆筒工位Ⅰ3-2内，然后控制旋转机构，通
过步进电机11驱动旋转支架4带动土壤水分环境模拟装置3圆筒工位Ⅱ3-2旋转至光电开关
7位置时，光电开关7位置光被遮挡后输出信号到智能液晶模块6，然后控制升降机构，将升
降杆2带动传感器固定支架1拖动土壤水分传感器15向下移动，然后智能液晶模块6控制升
降机构，将升降杆2带动传感器固定支架1拖动土壤水分传感器15向下移动，当升降杆2下降
到设定位置时，内部行程开关动作，升降杆2停止，此时正好传感器插针进入土壤水分环境
模拟装置3圆筒工位Ⅱ3-2内，通过智能液晶模块6读取此时土壤水分传感器15输出的土壤
水分数据，数据保存在智能液晶模块6中。
第四步骤、智能液晶模块6将两次土壤水分传感器15插针插入不同工位的土壤水
分环境模拟装置3的数据通过与当初人工设定标准值误差范围作对比，实际测定值在人工
设定的标准值误差范围内，则判断土壤水分传感器15正常，否则判断土壤水分传感器15故
障，将最终判定结果显示在触摸屏上，同时数据储存在智能液晶模块6中，以便操作人员查
阅，从而实现土壤水分传感器的全自动检测。