土壤水分測(cè)量技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)

王中金，張振強(qiáng)，李明放，孟曉東，胡錦濤

土壤水分測(cè)量技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)

王中金，張振強(qiáng)，李明放，孟曉東，胡錦濤

（中電科信息產(chǎn)業(yè)有限公司，河南 鄭州 450047）

土壤水分和電導(dǎo)率對(duì)植物生長(zhǎng)有著重要意義，通過對(duì)土壤測(cè)量技術(shù)的研究及試驗(yàn)，提出一種水分、電導(dǎo)率同步測(cè)量的方法，進(jìn)而設(shè)計(jì)出能夠同時(shí)測(cè)量土壤水分、電導(dǎo)率、溫度等參數(shù)的傳感器，并對(duì)傳感器的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定，實(shí)現(xiàn)了土壤多參數(shù)的實(shí)時(shí)同步測(cè)量。

土壤水分；電導(dǎo)率；同步測(cè)量；多參數(shù)

土壤水分對(duì)植物生長(zhǎng)至關(guān)重要，是其進(jìn)行物質(zhì)交換的重要媒介。而中國(guó)人均占有水資源貧乏，與此并存的現(xiàn)狀是水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。中國(guó)農(nóng)業(yè)用水占社會(huì)總耗水量的80％以上，有效利用率只有40%左右，相比之下發(fā)達(dá)國(guó)家已達(dá)70%～80%[1]。此外，在干旱半干旱地區(qū)，土壤鹽漬化嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對(duì)土壤鹽分的測(cè)量也成為了土壤鹽漬化研究工作中的重要內(nèi)容，而電導(dǎo)率不僅可以反映土壤鹽分，而且與土壤鹽分相比更容易在同標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行比較，因此常常會(huì)用電導(dǎo)率直接估計(jì)土壤鹽分[2-4]。土壤水分、電導(dǎo)率的測(cè)量對(duì)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水資源管理等有著重要意義，在氣象、水利、農(nóng)業(yè)等行業(yè)得到廣泛關(guān)注。

1 測(cè)量原理

對(duì)土壤水分測(cè)量的方法主要有烘干法、中子法、FDR、TDR、電容法等，其中傳統(tǒng)的烘干法測(cè)量可信度最高，但是操作復(fù)雜，不能做到實(shí)時(shí)測(cè)量。基于介電理論的測(cè)量技術(shù)以其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，不僅操作簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高，而且能夠做到實(shí)時(shí)測(cè)量。介電理論測(cè)量土壤水分的基礎(chǔ)是水在構(gòu)成土壤的所有成分中介電常數(shù)最大，在土壤介電常數(shù)中占支配地位，可直接代表土壤介電常數(shù)。本文中測(cè)量技術(shù)基于電阻抗理論及介電理論，實(shí)現(xiàn)了土壤水分、電導(dǎo)率的同步測(cè)量，而且測(cè)量精度高、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。

1.1 物理模型

本文中測(cè)量原理是采用50 MHz的高頻信號(hào)，經(jīng)過2個(gè)精密取樣電阻，傳導(dǎo)到發(fā)射探針，再通過探針之間的土壤到接收探針，構(gòu)成回路。通過物理模型和數(shù)學(xué)建模，計(jì)算出土壤水分及電導(dǎo)率。物理模型原理如圖1所示。

圖1 物理模型示意圖

1.2 數(shù)據(jù)建模

根據(jù)基爾霍夫定律列方程組：

式（1）（2）中：1，2為取樣元件電阻；x為待求等效電阻；x為待求等效電容；3/信號(hào)電壓微分。

然后根據(jù)土壤相對(duì)介電常數(shù)εr與土壤水分的關(guān)系，通過回歸方程和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，求出土壤水分：

=×εr3+×εr2+×εr+（3）

式（3）中：為土壤水分；，，，為通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)求出的標(biāo)定系數(shù)。

此外，根據(jù)等效電阻x的值以及電阻公式，求出電阻率值：

式（4）中：為電阻率；為等效電阻長(zhǎng)度；為等效電阻面積（/整體作為電極常數(shù)，通過標(biāo)定試驗(yàn)測(cè)得）。

而電導(dǎo)率是電阻率的倒數(shù)，因此，可求出電導(dǎo)率：

式（5）中：為電導(dǎo)率；為電阻率。

根據(jù)以上的求解過程，即可做到同步測(cè)量土壤水分和電導(dǎo)率。

2 傳感器設(shè)計(jì)

根據(jù)測(cè)量原理部分內(nèi)容設(shè)計(jì)傳感器，主要包含硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面內(nèi)容。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

傳感器探頭部分采用4探針設(shè)計(jì)，如圖2所示。其中，中間探針作為發(fā)射探針，其余3根探針作為接收探針，圍繞中間探針周向均布。

圖2 探針結(jié)構(gòu)圖

傳感器電路模擬部分與物理模型部分保持一致，包含50 MHz高頻信號(hào)產(chǎn)生電路、高精度采樣電阻以及檢波電路。探頭部分作為電路一部分，和其中介質(zhì)一起構(gòu)成完整回路。

傳感器電路數(shù)字電路部分采用高精度AD對(duì)取樣點(diǎn)進(jìn)行采樣，低功耗高性能MCU計(jì)算處理采集到的數(shù)據(jù)，并通過RS485接口輸出結(jié)果。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)可分為測(cè)量模塊、算法模塊、通信模塊、參數(shù)設(shè)置模塊。測(cè)量模塊檢測(cè)硬件電路輸出的電信號(hào)；算法模塊把電信號(hào)轉(zhuǎn)化成水分、鹽分等數(shù)字信號(hào)；通信模塊負(fù)責(zé)與用戶交互，接受命令，輸出結(jié)果；參數(shù)設(shè)置模塊可對(duì)參數(shù)讀取設(shè)置，軟件自動(dòng)保存，掉電不丟失。軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件框圖

軟件一直處于等待輸入命令狀態(tài)，有命令輸入，軟件執(zhí)行相應(yīng)操作，操作完成，重新回到等待命令狀態(tài)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)土壤水分電導(dǎo)率同步測(cè)量技術(shù)，本文使用傳感器分別做土壤水分和電導(dǎo)率兩個(gè)實(shí)驗(yàn)來測(cè)定正確性及性能。

3.1 土壤水分實(shí)驗(yàn)

依據(jù)自動(dòng)土壤水分觀測(cè)規(guī)范，土壤水分實(shí)驗(yàn)通過烘干稱重法測(cè)量真實(shí)值，然后與機(jī)測(cè)值做標(biāo)定、對(duì)比，測(cè)量結(jié)果如圖4所示。土壤水分標(biāo)準(zhǔn)土樣在0到飽和之間取7組，做好土樣后先對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，然后再次做土樣，對(duì)其機(jī)測(cè)值進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)

電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)使用臺(tái)灣衡欣AZ86555型電導(dǎo)率儀測(cè)量值作為真實(shí)值，與傳感器機(jī)測(cè)值做標(biāo)定、對(duì)比，測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

圖4 土壤水分實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 土壤水分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖4給出了傳感器標(biāo)定的擬合曲線，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.99，直接驗(yàn)證了本文的方法測(cè)量土壤水分的可行性。此外體積含水量的擬合誤差只有1.37%，第二次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的誤差也只有1.99%，小于規(guī)范中傳感器最大絕對(duì)誤差在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)可達(dá)到2.5%的要求。

4.2 電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖5給出了傳感器電導(dǎo)率測(cè)量值與電導(dǎo)率儀的測(cè)量值之間的擬合曲線，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.97，說明土壤水分電導(dǎo)率同步測(cè)量技術(shù)中電導(dǎo)率測(cè)量也是可行的。

5 結(jié)論

本文通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，對(duì)土壤水分、電導(dǎo)率同步測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了研究、驗(yàn)證，可得出以下結(jié)論及建議：①對(duì)土壤墑情、土壤鹽分測(cè)量的需求日益增長(zhǎng)，本文提出的土壤水分電導(dǎo)率同步測(cè)量技術(shù)具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、多參數(shù)同步測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，是一種相當(dāng)實(shí)用的測(cè)量技術(shù)；②本文設(shè)計(jì)的傳感器，不僅測(cè)量準(zhǔn)確性高，而且成本低，完全能夠滿足各行業(yè)對(duì)土壤的測(cè)量需求；③為了實(shí)現(xiàn)土壤溫度測(cè)量以及對(duì)土壤水分、電導(dǎo)率等參數(shù)的校正，傳感器中加入了溫度傳感器，進(jìn)一步提升了實(shí)用性；④由于土壤水分和土壤鹽分都會(huì)對(duì)土壤電導(dǎo)率產(chǎn)生影響，本文中電導(dǎo)率測(cè)量結(jié)果雖然加入了溫度修正，但是其他影響因素修正仍需要做進(jìn)一步研究。

［1］孫宇瑞.非飽和土壤介電特性測(cè)量理論與方法的研究［D］.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2000.

［2］雷蕾.干旱區(qū)鹽漬土介電常數(shù)特性研究與模型驗(yàn)證［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（16）：125-131.

［3］孫永猛，丁建麗，瞿娟.應(yīng)用電磁感應(yīng)和遙感的新疆綠洲區(qū)域尺度鹽漬土識(shí)別［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012（20）：180-187，296.

［4］田長(zhǎng)彥，周宏飛，劉國(guó)慶.21世紀(jì)新疆土壤鹽漬化調(diào)控與農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展研究建議［J］.干旱區(qū)地理，2000（3）：177-181.

S156.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.025

2095－6835（2019）24－0063－02

〔編輯：張思楠〕