介電溶液測(cè)試土壤水分傳感器性能的實(shí)證研究*

李加念， 洪添勝， 倪慧娜

(1.昆明理工大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

0 引 言

利用土壤水分傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)田土壤水分，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)精量灌溉自動(dòng)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。土壤水分測(cè)定的方法有電阻法、射線法、張力計(jì)法、介電法、近紅外反射法、遙感法和探地雷達(dá)法等[1]，其中利用土壤介電特性進(jìn)行間接測(cè)量的介電法是最具潛力的一類方法之一[2]，并在此方法的基礎(chǔ)上研制了多種土壤水分傳感器[3,4]。

由于土壤本身的復(fù)雜性，不同地區(qū)、類型的土壤，即使土壤含水量相同，其介電特性也可能存在差異，為精確地測(cè)定土壤水分，在研制或應(yīng)用土壤水分傳感器時(shí)，需對(duì)其進(jìn)行性能評(píng)價(jià)分析或?qū)嶋H測(cè)試與校正。目前，大多數(shù)研究采取配制待測(cè)土樣或農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)取樣的方式，對(duì)土壤水分傳感器進(jìn)行標(biāo)定、校準(zhǔn)以及性能測(cè)試與評(píng)價(jià)[5,6]。此種方式可以直接建立土壤水分傳感器與土壤含水量之間的關(guān)系，并能準(zhǔn)確衡量土壤水分傳感器在該土壤中的測(cè)試性能，但土樣的配制需經(jīng)過風(fēng)干、搗碎、除雜、過篩、烘干、兌水等環(huán)節(jié)，土樣的壓實(shí)度一致性和含水均勻性不易控制；從農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)取樣得到的土樣，其土壤結(jié)構(gòu)與實(shí)際土壤一致，但其含水量不能控制，難以在短期內(nèi)得到一系列不同含水率的土樣。為能以一種簡(jiǎn)便快捷的方式對(duì)土壤水分傳感器進(jìn)行標(biāo)定與性能評(píng)估，有學(xué)者采用配制介電常數(shù)ε為已知的介電溶液替代土樣進(jìn)行試驗(yàn)[3,7]。但介電溶液中的測(cè)試結(jié)果是否與實(shí)際土樣的測(cè)試結(jié)果一致，目前未研究報(bào)道。

本文分別將土壤水分傳感器置于介電溶液和土樣中進(jìn)行試驗(yàn)，以驗(yàn)證2種待測(cè)介質(zhì)中的測(cè)試結(jié)果是否一致。

1 材料與方法

1.1 土壤水分傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理

試驗(yàn)所用土壤水分傳感器為一高頻電容式傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由探針電極、電子電路和接線電纜3部分組成[3]。該傳感器的工作電壓為2.7～5.0 V，其測(cè)量原理是：當(dāng)土壤含水量變化時(shí)，土壤介電常數(shù)隨之相應(yīng)變化，從而使置于土壤中的探針的等效電容也隨之改變，然后利用信號(hào)轉(zhuǎn)換電路將探針上的信號(hào)轉(zhuǎn)換成等效的直流電壓，作為傳感器的輸出；傳感器的輸出隨著土壤含水率的增加而減小。

圖1 土壤水分傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

首先，利用去離子水和二氧六環(huán)(dioxane)或2—異丙氧基乙醇(2-isoproxyethanol)2種溶液兩兩混合，配制一系列介電常數(shù)ε不同即等效體積含水率不同的待測(cè)溶液，分別從傳感器的電氣特性、傳感器輸出與土壤體積含水率的關(guān)系、溫度變異性以及穩(wěn)定性等4個(gè)方面，對(duì)土壤水分傳感器進(jìn)行性能測(cè)試。各個(gè)等效體積含水率待測(cè)溶液的配制比例如表1所示[9]，其中介電常數(shù)為ε的溶液的等效土壤體積含水率可通過如式(1)所示的Topp經(jīng)驗(yàn)式[9]計(jì)算得出

θv=-5.3×10-2+2.92×10-2ε-5.5×10-4ε2+

4.3×10-6ε3,

(1)

式中θv為溶液的等效土壤體積含水率，ε為待測(cè)溶液的介電常數(shù)。

表1 不同ε的待測(cè)溶液的配制比例及其等效土壤體積含水率

然后，取廣州地區(qū)的典型紅壤和雷州半島的典型磚紅壤，將其風(fēng)干、搗碎、除雜及1 mm過篩后，通過兌水配制成一系列相應(yīng)含水率的待測(cè)土樣，分別從4個(gè)方面對(duì)傳感器的性能進(jìn)行測(cè)試與驗(yàn)證，并將測(cè)試結(jié)果與在土壤等效溶液中的測(cè)試結(jié)果比較，分析3種待測(cè)介質(zhì)中的測(cè)試結(jié)果是否具有一致性。試驗(yàn)時(shí)，對(duì)于每個(gè)配制的土樣需先密封靜置48 h，以使水分在土樣中滲透均勻；而且對(duì)于每個(gè)土樣，將傳感器置于土樣中的3個(gè)不同方位進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)方位測(cè)量3次，取其平均值作為該土樣中的最終測(cè)試結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 傳感器的電氣特性

以等效土壤體積含水率為25.6 %的介電溶液、含水率為25.6 %的紅壤土樣和磚紅壤土樣作為待測(cè)介質(zhì)，分別在2.7,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0 V工作電壓下對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同工作電壓下土壤水分傳感器的電氣特性

由圖2知，傳感器在介電溶液中的測(cè)試結(jié)果，與在紅壤和磚紅壤中的測(cè)試結(jié)果是一致的，3種介質(zhì)中的測(cè)試結(jié)果均表明:其輸出電壓和工作電流對(duì)工作電壓有顯著的依賴性，與工作電壓呈線性正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99；在相同工作電壓下，3種介質(zhì)中測(cè)試的傳感器輸出電壓、工作電流略有差異。

2.2 傳感器輸出與土壤含水率的關(guān)系

以3.0 V為工作電壓，分別在土壤(等效)體積含水率為0.9 %～51.8 %的待測(cè)介電溶液、紅壤土樣和磚紅壤土樣中，測(cè)試傳感器輸出電壓與土壤含水率的關(guān)系。試驗(yàn)過程中，用離心管盛裝待測(cè)溶液，用玻璃燒杯盛裝待測(cè)土樣，并分別將它們置于25 ℃的恒溫水浴鍋(恒溫精度為±0.2 ℃)內(nèi)，同時(shí)用數(shù)字溫度計(jì)(精度為±0.1 ℃)監(jiān)測(cè)待測(cè)介質(zhì)的溫度，當(dāng)其溫度維持在(25±0.2)℃時(shí)，將傳感器置于待測(cè)介質(zhì)中進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 傳感器輸出電壓與土壤體積含水率的關(guān)系

從圖3可以看出：在介電溶液、紅壤和磚紅壤3種待測(cè)介質(zhì)中測(cè)試時(shí)，傳感器的輸出電壓均與土壤體積含水率呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)R2分別為0.979,0.96和0.981；土壤體積含水率相同時(shí)，3種待測(cè)介質(zhì)中測(cè)試的傳感器輸出電壓略有差異，介電溶液略小于紅壤(最大相差0.119 V)，紅壤中略小于磚紅壤(最大相差0.192 V)，出現(xiàn)差異現(xiàn)象的主要原因?yàn)?，傳感器依?jù)待測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)進(jìn)行測(cè)量，而土壤顆粒的成分較為復(fù)雜，即使含水率相同其介電常數(shù)也可能不盡相同。

由上述可知，可以用土壤等效介電溶液替代土樣，測(cè)試傳感器輸出電壓與土壤體積含水率的關(guān)系。但將傳感器應(yīng)用于實(shí)際土壤時(shí)，為提高其檢測(cè)精度，需用該土壤重新對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

2.3 傳感器的溫度變異性

溫度變異性是指土壤水分傳感器檢測(cè)同一待測(cè)土壤時(shí)，由于溫度變化而引起其輸出電壓的變化。本文以25 ℃時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)衡量傳感器的溫度變異性，其溫度變異性可用式(2)計(jì)算

(2)

式中θT為傳感器輸出電壓的變異率，%；Vx為傳感器在某一溫度下的輸出電壓，V；V25為傳感器在25 ℃時(shí)的輸出電壓，V。

分別以土壤(等效)體積含水率為40.6 %的介電溶液、紅壤土樣和磚紅壤土樣為待測(cè)介質(zhì)，在不同的溫度下測(cè)試傳感器的輸出電壓，并計(jì)算其溫度變異性。然后，分析比較介電溶液的測(cè)試結(jié)果是否與2種土樣的測(cè)試結(jié)果一致。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，輸出電壓變異性為負(fù)值，表示此溫度下的傳感器輸出電壓小于25 ℃時(shí)的輸出電壓，為正值則表示大于25 ℃時(shí)的輸出電壓。

圖4 傳感器輸出電壓對(duì)溫度的變異性

由圖4可知,1)在5～45 ℃范圍內(nèi)，介電溶液中所測(cè)得的傳感器輸出電壓變異性與紅壤和磚紅壤2種土樣中的測(cè)試結(jié)果基本上一致，均表現(xiàn)為與溫差(試驗(yàn)溫度與25 ℃的差值)呈線性正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)R2均大于0.995，而且當(dāng)試驗(yàn)溫度大于25 ℃時(shí)為正值，小于25 ℃時(shí)為負(fù)值；2)相同溫度下，介電溶液測(cè)試的輸出電壓變異性與紅壤、磚紅壤的測(cè)試結(jié)果相差很小，其最大差值分別為0.256 %和0.164 %。這表明3種待測(cè)介質(zhì)中的輸出電壓變異性基本上一致。

2.4 傳感器的穩(wěn)定性

傳感器置于同一個(gè)待測(cè)介質(zhì)中長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)量時(shí)，其輸出電壓是隨著時(shí)間發(fā)生漂移或波動(dòng)的幅度越小則說明傳感器的穩(wěn)定性越好，反之，穩(wěn)定性越差。分別以土壤(等效)體積含水率為25.6 %的介電溶液、紅壤土樣和磚紅壤土樣作為待測(cè)介質(zhì)，在3.0 V工作電壓下，將傳感器置于其中并連續(xù)72 h監(jiān)測(cè)傳感器的輸出電壓，每5 min測(cè)量1次數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過程中，待測(cè)介質(zhì)密封置于25 ℃電子恒溫箱中，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可知，傳感器分別在3種待測(cè)介質(zhì)中的72 h連續(xù)測(cè)量過程中，輸出電壓均表現(xiàn)為很穩(wěn)定，在介電溶液、紅壤和磚紅壤中測(cè)試的輸出電壓的最大波動(dòng)比例分別為0.22 %，0.27 %和0.33 %；若考慮電源穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)量誤差對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，傳感器輸出電壓的波動(dòng)范圍會(huì)更小一些。由此可見，傳感器在土壤等效介電溶液中的穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果與2種土樣中的穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果是基本一致的。

表2 3種介質(zhì)中傳感器輸出電壓的穩(wěn)定性

3 結(jié) 論

本文對(duì)傳感器在介電溶液中的性能測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明:在介電溶液、紅壤和磚紅壤3種介質(zhì)中的測(cè)試結(jié)果基本上一致：傳感器的輸出電壓和工作電流均與工作電壓呈線性正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99；輸出電壓均與土壤體積含水率呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)R2均大于0.96；輸出電壓的變異性與溫差(試驗(yàn)溫度與25 ℃的差值)呈線性正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)R2均大于0.995；輸出電壓的最大波動(dòng)比例分別為0.22 %，0.27 %和0.33 %；相同條件下3種介質(zhì)中對(duì)同一指標(biāo)的測(cè)試值的差異很小。因此，可以利用土壤等效溶液替代土樣進(jìn)行傳感器的性能測(cè)試與評(píng)估。但土壤的成分復(fù)雜，不同類型、地區(qū)的土壤雖含水率相同但其介電常數(shù)不一定相同，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)對(duì)傳感器進(jìn)行重新標(biāo)定，以減小測(cè)量誤差。

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