本发明属于测量技术领域，更具体地，涉及用于农田水层测量的水位传感器。
背景技术：
在现代化智慧农业中，需要实时有效地获取水田的水层厚度信息，帮助用户进行水田水层管理，水位传感器逐渐广泛应用于农田水位监测。
水位传感器种类繁多，例如超声波、雷达、浮子式、电容式、电阻式、电感式等等，在水文测量、油罐油箱的油位测量、危化品液位测量等都有应用。但农田环境较为复杂，且水层厚度小，水位极低，并不是所有液位传感器都可直接应用于农田，例如超声波和雷达只能测传感器距水面的距离，且成本较高；浮子式液位传感器在农田中浮子容易被淤泥黏住，易导致误判。
技术实现要素：
针对现有技术的上述不足或缺陷，本发明提供了一种水位传感器和农田水层厚度的检测方法，以低成本、高效地测量农田水位。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种水位传感器，包括：
立柱；
沉降基板，滑动套装于所述立柱并能够沿所述立柱沉降；以及
检测模块，安装在所述沉降基板上以跟随沉降基板沉降；
其中，所述沉降基板的顶面为所述检测模块的水位检测零点。
在一些实施方式中，所述沉降基板的材料密度大于水密度。
在一些实施方式中，所述沉降基板的底面向下伸出有插接柱脚。
在一些实施方式中，所述沉降基板为设有中心孔的圆盘板，所述沉降基板与所述立柱同轴设置。
进一步地，所述沉降基板的半径不小于所述立柱的半径的三倍。
在一些实施方式中，所述立柱的底端为插接尖端，所述立柱的顶端安装有供电与通信模块。
在一些实施方式中，所述水位传感器为电阻式水位传感器。
在一些实施方式中，所述检测模块呈中空柱筒状从所述沉降基板的顶面向上伸出，所述检测模块的外周壁上设有竖向间隔的多个检测触点，所述检测模块的内周壁与所述立柱的外周壁之间形成有竖向的滑动键槽结构。
在一些实施方式中，所述水位传感器为电容式水位传感器。
在一些实施方式中，所述检测模块包括径向间隔嵌套的内电极安装筒和外电极安装筒，所述外电极安装筒的筒壁上设有竖向进水槽，所述沉降基板作为筒底壁封盖式连接于所述内电极安装筒和外电极安装筒的底端。
在一些实施方式中，所述检测模块还包括封盖式连接于所述内电极安装筒和外电极安装筒的顶端的筒顶壁，所述筒顶壁上设有顶壁透气孔。
在一些实施方式中，所述内电极安装筒的内周壁与所述立柱的外周壁之间形成有竖向的滑动键槽结构，和/或，所述沉降基板和所述筒顶壁与所述立柱的外周壁之间形成有竖向的滑动键槽结构。
根据本发明的另一个方面，提供了一种农田水层厚度的检测方法，采用根据本发明上述的水位传感器并包括：
将所述立柱固定插入农田土壤层中；
所述沉降基板带动所述检测模块沉降至所述农田土壤层与农田水层之间的土水交界面上；
以所述沉降基板的顶面为水位检测零点检测所述农田水层的水位高度。
本发明的水位传感器的组成部件少，结构简单，立柱可直插在农田土壤层上，沉降基板沿立柱升降滑动，沉降基板带动检测模块下沉至农田土壤层与农田水层的土水交界面上，检测模块以沉降基板的上表面为水位检测零点，从而在零点定位准确的基础上，可简单但精确地检测出水层厚度，即水位，本发明的水位传感器及其检测方法适于大多数水田使用，可大范围广泛推广。
有关本发明的其他优点以及优选实施方式的技术效果，将在下文的具体实施方式中进一步说明。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1为根据本发明的第一实施方式的水位传感器的立体图；
图2为图1的装配爆炸图；
图3为图1的主视图；
图4为图3的a-a剖面图；
图5为图1的水位传感器应用于农田水位测量时的安装示意图；
图6为根据本发明的第二实施方式的水位传感器的立体图；
图7为图6的中带沉降基板和插接柱脚的检测模块的立体图；
图8为根据本发明的第三实施方式的水位传感器的立体图；
图9为图8的装配爆炸图；
图10为图8的主视图；
图11为图8中的检测模块的立体图；
图12为图11的检测模块的主视图；
图13为图12的b-b剖面图；
图14、图15分别为图12的检测模块的俯视图和仰视图；
图16为图8的水位传感器应用于农田水位测量时的安装示意图；
图17为根据本发明的第四实施方式的水位传感器的主视图；
图18为图17中的检测模块的立体图；
图19展示了图6、图17的水位传感器并行应用于农田水位测量时的状态；以及
图20为根据本发明的具体实施方式的农田水层厚度的检测方法的流程图。
附图标记说明
1立柱2沉降基板
3检测模块4供电与通信模块
5滑键6键槽
11插接尖端21插接柱脚
31检测触点32内电极安装筒
33外电极安装筒331竖向进水槽
34筒顶壁341顶壁透气孔
100农田土壤层200农田水层
l土水交界面
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置关系描述用词。
下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
承前所述，各种传感器在农田水位测量时都有各自缺陷性。发明人经过不断测试、总结后，综合考虑，提出电容式、电阻式等依据水位浸没的高度引起的电容或电阻值的变化从而转换成水位值来测量水位的液位传感器更适于农田水位测量使用。主要是由于电容式、电阻式等传感器的价格低，测量不依靠滑动部件，响应速度快，且可以直接获取水层厚度，因此在改善测量的方便性和准确性的基础上，更适于应用在水田水位测量。
为此，本发明提供了一种水位传感器。如图1至图4所示的一种具体实施方式中，该水位传感器包括：
立柱1；
沉降基板2，滑动套装于立柱1并能够沿立柱1沉降；以及
检测模块3，安装在沉降基板2上以跟随沉降基板2沉降；
其中，沉降基板2的顶面为检测模块3的水位检测零点。
为了方便安装在农田中，水位传感器通常是做成杆式结构(即立柱1)插立于水田中，由于电容式或电阻式水位传感器主要是依据水位浸没的高度引起的电容或电阻值的变化而转换成水位值来测量水位的，因此下田安装时需要把握好立杆插入的深度，把握好电容、电阻触点安装深度，甚至需要手动调零或校准，操作较为复杂且耗时耗力不方便。
电容或电阻式水位传感器安装于农田中时，关键是外露的电容或电阻检测触点的插入深度。最佳安装状态是垂直方向上检测触点的最低点(即水位检测零点)位于农田土壤层100与农田水层200的交界面，即土水交界面l。这样，安装后触点的零点即水位的零点，不需要再进行调零或校准；若安装时水位检测零点高于水田的土水交界面l，低于水位检测零点的水位检测不到，需要再校准；若安装时水位检测零点位于水层以下的泥土中，则需要手动调零；而在安装水位传感器时，人工难以精确把握好安装深度，使水位检测零点刚好位于土水交界面l，且安装时可能水田本身已经有水，无法清晰观察到水位检测零点是否安装在最佳位置。
本发明的水位传感器采用了自动沉降式设计，通过沉降基板2带动检测模块3在农田水层200中自动沉降，同时利用沉降基板2的大平面，可靠附着于土水交界面l上。
其中，立柱1作为定位柱，沉降基板2沿立柱1能够顺畅滑移以实现在水中依赖自重的沉降。立柱1穿过农田水层200插立于农田土壤层100中，立柱1优选为沿竖直方向固定，但在与沉降基板2之间滑移顺畅的情况下，立柱1也可以沿竖直方向略带偏斜摆置。
沉降基板2的材料密度应大于水密度，或者带有配重块(例如图6所示的插接柱脚21也可作为配置块)。沉降基板2一般可以是金属板，例如铁板、不锈钢板等，可依赖自身重力沉降，重量上应确保平稳降落在土水交界面l上，但又不至于在土水交界面l上形成一定的压深，以确保测量精度。因此，沉降基板2优选为金属薄板，具有一定的重量和底面积。通常的，沉降基板2的底面积至少须保证基板能平稳沉降于土水交界面l，而不易受水流影响，以及不轻易被淤泥淹没，更好地与土水分界面l齐平，避免掉落在农田土壤层100的表面小坑中，导致测量不准确。在图1至图4的实施方式中，沉降基板2优选为设有中心孔的圆盘板，沉降基板2与立柱1同轴设置，以实现平稳均衡沉降。此时，一般要求沉降基板2的半径不小于立柱1的半径的三倍，但也不限于此。
在图1至图4的实施方式中，为能够更稳定地插入农田土壤层100中，立柱1的底端形成为插接尖端11。同时，立柱1的顶端安装有供电与通信模块4，为检测模块3供电，同时对外发出检测信号。
图1至图7所示的水位传感器为触点形式的电阻式水位传感器。待测量水面触及某个触点时，即代表该待测量水面的水位值。在第一、第二实施方式中，检测模块3都呈中空柱筒状从沉降基板2的顶面向上伸出，检测模块3的外周壁上设有竖向间隔的多个检测触点31，检测模块3的内周壁与立柱1的外周壁之间形成有竖向的滑动键槽结构。具体地，参见图2、图4，竖向的滑动键槽结构包括形成在立杆1上的竖条型键槽6和形成在检测模块3的内周壁上的竖向滑键5。键槽6和滑键5都包括沿周向等间隔布置的多个，以实现平稳顺畅滑降。当然，键槽6和滑键5也可反向设置在内外周壁上。
根据本发明的电阻式水位传感器包括立柱1、沉降基板2和检测模块3共三部分简单构成，成本低，操作简单、实用。参见图5，检测模块3安装于沉降基板2上并固定连接，检测模块3上的触点零点与沉降基板2的上表面接触，即以沉降基板2的上表面为水位检测零点。沉降基板2套装于立柱1上，可沿立柱1上下滑动，沉降基板2所使用材料密度大于水，使沉降基板2能够沉至水层底部，且沉降基板2的面积应足够大，使沉降基板2的底面能够贴在水田的淤泥层表面而不下沉。
实际使用时，只需将立柱1稳固插立于农田土壤层100中，检测模块3最下方的触点即随沉降基板2一起沉于农田水层200的底部，处于土水分界面l处。立柱1在继续往下深入下插时，由于沉降基板2与立柱1之间是可相对滑动的滑动键槽结构，因此沉降基板2和检测模块3不会再移位，安装时无需把握立柱1的安插深度，也不需再调零校准，只要保证安插稳固即可，参见图5。
在图8至图15所示的另一种实施方式中，提供了一种电容式水位传感器。电容式水位传感器主要由两个电极组成，当两个电极之间的液体的液位发生升降时，两极板间的电容量改变，从而转换成液位值变化，获得液位高度。
因此，与图1至图4的电阻式水位传感器不同之处在于检测模块3的设计上。参见图11，作为示例，采用双筒型结构，内筒、外筒分别作为一个电极，二者径向间隔设置。具体地，检测模块3包括径向间隔嵌套的内电极安装筒32和外电极安装筒33。为使得电极间的水位与测量水层的水位齐平，在外电极安装筒的筒壁上设有竖向进水槽331作为水位连通道。在图11中，沿周向间隔设置了多道的竖向进水槽331，以平衡进水，快速测量。双筒型结构的检测模块3可固定安装在沉降基板2上，但在本实施方式中，如图11所示，由于双筒型结构的径向尺寸够大，因而双筒结构的筒底壁可作为沉降基板2封盖式连接于内电极安装筒32和外电极安装筒33的底端，即固定连接双筒的底端并封盖双筒的底端开口。
进一步地，为防止杂物掉入，排空气体以利于进水槽331进水，检测模块3还可包括封盖式连接于内电极安装筒32和外电极安装筒33的顶端的筒顶壁34，筒顶壁34上设有顶壁透气孔341。参见图14，顶壁透气孔341可连通双筒夹层腔和内筒内腔。
同样的，内电极安装筒32的内周壁与立柱1的外周壁之间形成有竖向的滑动键槽结构，和/或，沉降基板2和筒顶壁34与立柱1的外周壁之间形成有竖向的滑动键槽结构。在图示的实施方式中，参见图13至图15，竖向滑键5一体形成在内电极安装筒32的内周壁上、筒底壁上和筒顶壁上，参见图9，立柱1上相应地设有竖向键槽6。当然，在内电极安装筒32的直径较大时，竖向的滑键5或键槽6也可仅形成在筒底壁上和/或筒顶壁上。或者，也可仅形成在内电极安装筒32的内周壁上。
参见图16，双筒结构的电容式水位传感器在检测使用时，双筒结构的筒底壁同样是位于农田土壤层100与农田水层200的交界面，即土水交界面l上，筒底壁的底面为水位测量的零点。
在图6至图7以及图17至图19所示的具体实施方式中，沉降基板2的底面向下伸出有插接柱脚21，稳定保持在土水分界面。插接柱脚21可以是多个且沿周向间隔分布。其中，对于电阻式等触点型传感器和双筒电容式传感器，保证传感器的检测零点与实际水位零点一致是保证测量准确性的第一步，因此为了让其检测零点能够稳固的处于实际水位零点上，可将沉降基板2的底部加装设置插接柱脚21，在沉降基板2自然下沉时能够插入农田土壤层100中，确保检测零点紧贴于实际水位零点。作为参考，图19展示了电阻式和电容式水位传感器应用于农田水位测量时的状态。
在此基础上，本发明还提供了一种农田水层厚度的检测方法。参见图20，所述检测方法采用根据本发明上述的水位传感器并包括：
将立柱1固定插入农田土壤层100中；
沉降基板2带动检测模块3沉降至农田土壤层100与农田水层200之间的土水交界面l上；
以沉降基板2的顶面为水位检测零点检测农田水层200的水位高度。
可见，本发明提供了一种方便安装、成本低廉、适用于电阻等触点式或电容式这种依靠水位浸没来测量农田水层厚度的水位传感器，其中检测模块3与固定的立柱1之间保持相对滑动，在安装于水田时可直接固定使用，无需再校准调零，且方便安装。
需要说明的是，上述的检测模块3、沉降基板2不限于圆形，可以是方形等其他形状。本发明的水位传感器也可以是其他类型，包括但不限于电阻式电容式传感器。同样的，上述水位传感器不仅适用于农田水位检测，同样适用于有淤泥等非固定底壁的池塘、河道等的水位测量。
以上仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等改动均应包含在本发明的保护范围之内。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
1.一种水位传感器，其特征在于，所述水位传感器包括：
立柱(1)；
沉降基板(2)，滑动套装于所述立柱(1)并能够沿所述立柱(1)沉降；以及
检测模块(3)，安装在所述沉降基板(2)上以跟随所述沉降基板(2)沉降；
其中，所述沉降基板(2)的顶面为所述检测模块(3)的水位检测零点。
2.根据权利要求1所述的水位传感器，其特征在于，所述沉降基板(2)的材料密度大于水密度。
3.根据权利要求1所述的水位传感器，其特征在于，所述沉降基板(2)的底面向下伸出有插接柱脚(21)。
4.根据权利要求1所述的水位传感器，其特征在于，所述沉降基板(2)为设有中心孔的圆盘板，所述沉降基板(2)与所述立柱(1)同轴设置。
5.根据权利要求4所述的水位传感器，其特征在于，所述沉降基板(2)的半径不小于所述立柱(1)的半径的三倍。
6.根据权利要求1所述的水位传感器，其特征在于，所述立柱(1)的底端为插接尖端(11)，所述立柱(1)的顶端安装有供电与通信模块(4)。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的水位传感器，其特征在于，所述水位传感器为电阻式水位传感器。
8.根据权利要求7所述的水位传感器，其特征在于，所述检测模块(3)呈中空柱筒状从所述沉降基板(2)的顶面向上伸出，所述检测模块(3)的外周壁上设有竖向间隔的多个检测触点(31)，所述检测模块(3)的内周壁与所述立柱(1)的外周壁之间形成有竖向的滑动键槽结构。
9.根据权利要求1～6中任意一项所述的水位传感器，其特征在于，所述水位传感器为电容式水位传感器。
10.根据权利要求9所述的水位传感器，其特征在于，所述检测模块(3)包括径向间隔嵌套的内电极安装筒(32)和外电极安装筒(33)，所述外电极安装筒的筒壁上设有竖向进水槽(331)，所述沉降基板(2)作为筒底壁封盖式连接于所述内电极安装筒(32)和外电极安装筒(33)的底端。
11.根据权利要求10所述的水位传感器，其特征在于，所述检测模块(3)还包括封盖式连接于所述内电极安装筒(32)和外电极安装筒(33)的顶端的筒顶壁(34)，所述筒顶壁(34)上设有顶壁透气孔(341)。
12.根据权利要求11所述的水位传感器，其特征在于，所述内电极安装筒(32)的内周壁与所述立柱(1)的外周壁之间形成有竖向的滑动键槽结构，和/或，所述沉降基板(2)和所述筒顶壁(34)与所述立柱(1)的外周壁之间形成有竖向的滑动键槽结构。
13.一种农田水层厚度的检测方法，其特征在于，所述检测方法采用根据权利要求1～12中任意一项所述的水位传感器并包括：
将所述立柱(1)固定插入农田土壤层(100)中；
所述沉降基板(2)带动所述检测模块(3)沉降至所述农田土壤层(100)与农田水层(200)之间的土水交界面(l)上；
以所述沉降基板(2)的顶面为水位检测零点检测所述农田水层(200)的水位高度。
技术总结