土壤剖面水分線性尺度測(cè)量方法.docx

1、doi：i0.6041/j.issn.1000-1298.2017.04.033土壤剖面水分線性尺度測(cè)量方法高志濤心田昊趙燕東撰(1.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083；2.北京林業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實(shí)驗(yàn)室，北京100083)摘要：針對(duì)現(xiàn)有土壤水分點(diǎn)尺度下測(cè)成的局限性，提出了一種線性尺度下的土壤削面水分測(cè)址方法，并設(shè)計(jì)了一種基于駐波比法的土壤剖面水分信息測(cè)量傳感系統(tǒng)。借助HFSS高頻電磁場(chǎng)仿JX軟件與網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀對(duì)傳感器環(huán)形探頭的電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況與阻抗特性進(jìn)行了分析研究，確定了環(huán)形探頭適成性與敏感區(qū)域。以2種不同質(zhì)地的土壤作為試驗(yàn)樣本，對(duì)土壤水分傳感器的輸出與對(duì)應(yīng)的測(cè)鼠值進(jìn)行了多項(xiàng)式擬合

2、，決定系數(shù)均達(dá)到了0.99以上，傳感器的稀態(tài)與動(dòng)態(tài)性能均能滿足土壤剖面水分的測(cè)fit要求。通過(guò)多層水分上柱穿層試貌與對(duì)比試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠滿足線性尺度下土壤剖面水分的實(shí)時(shí)測(cè)最需求，耳有較高的測(cè)成精度與穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)的土壤削面水分線性測(cè)量系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的需求，具有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。關(guān)鍵詞：土壤水分；線性尺度；實(shí)時(shí)測(cè)髭系統(tǒng)中圖分類號(hào)：S237文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章絹號(hào)：1000-1298(2017)04-0257-08LinearScaleMeasurementMethodforSoilProfileMoistureGAOZhitao'2TIANHao*2ZHAOYandong

3、12(1.SchoolofTechnology,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China2.BeijinglaboratoryofUrbanandRuralEcologicalEnvironment,BeijingForestryUniversitytBeijing100083,China)Abstract：Pointingatthemainproblemsexistingintheutilizationofpointscaleinsoilmoisturemeasurement,alinearscalemeasurementmethodwasp

4、utforwardandasensorsystemofsoilprofilemoistureinformationmeasurementwasdesignedbasedonstandingwaveratiomethod.WiththehelpofahighfrequencyelectromagneticfieldsimulationsoftwareHFSSandvectornetworkanalyzer,electricfielddistributionandimpedancecharacteristicsofsensorringprobewereanalyzedandstudiedtodet

5、erminetheadaptationandsensitiveareasoftheringprobe.Twokindsofsoilindifferenttexturesweretakenasexperimentalsamples,theoutputandthecorrespondingmeasuredvalueofsoilmoisturesensorswereexecutedpolynomialfitting,andtheresultsshowedthatthedeterminationcoefficientwasabove0.99andthesteadyanddynamicperforman

6、cesofsensorscouldsatisfytherequirementofsoilprofilemoisturemeasurement.Theexperimentsofmuhi-layermoisturethroughthesoilcolumnshowedlhesystemcouldmeetthesoilprofilemoisturereal-timemeasurementsdemandinlinearscaleandithadhighmeasurementprecisionandstability.Meanwhile,thesystemwassatisfiedwithneedsofpr

7、acticalapplicationandithadhighapplicationpromotionvalue.Keywords：soilmoisture;linearscale；real-timemeasurementsystem收稿日期：2016-07-22修回日期：2016-09-28基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31371537)、北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目(Zi16100000916012)和北京市共比項(xiàng)目專項(xiàng)作者簡(jiǎn)介：高志濤(1989).男，博士生，主要從事生態(tài)信息智能檢測(cè)與控制研究.E-mail：c228319通信作者：趙燕東(1965-),女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從步生態(tài)信息智能檢

8、測(cè)與控制研究.E-mail：yandonnzh引言土壤含水率對(duì)植物生K與農(nóng)作物產(chǎn)量:起到關(guān)鍵性作用。在水資源匱乏地區(qū)，實(shí)時(shí)檢測(cè)植物根區(qū)水分的垂直分布狀態(tài)，能為制定最優(yōu)的灌溉策略提供基本的數(shù)據(jù)支持。目前，常規(guī)的土壤剖面水分檢測(cè)多采用介電型傳感器分層埋設(shè)定點(diǎn)測(cè)量的方式f2-31o因埋入傳感器的單點(diǎn)測(cè)址空間僅局限于立方分米數(shù)量級(jí)上刃，所以在檢測(cè)過(guò)程中，為獲取土壤剖面水分的分布狀況，往往需要埋設(shè)多個(gè)傳感器。這種做法會(huì)增加測(cè)最系統(tǒng)成本且難以真實(shí)、有效地反映土壤剖面水分的分布狀況。并且在傳感器安裝過(guò)程中對(duì)土壤環(huán)境的破壞與傳感器發(fā)生故障后進(jìn)行更換過(guò)程中引入的誤差，對(duì)優(yōu)化灌溉決策也是不能忽略的5-刃。國(guó)內(nèi)外相

9、關(guān)學(xué)者基于頻域反射法（FDR）設(shè)計(jì)了一種非接觸式的土壤水分傳感器°-，比較典型的產(chǎn)品有澳大利亞Sentek公司的Diviner200（）型土壤水分廓線儀。因其采用非接觸測(cè)最技術(shù)旦測(cè)量過(guò)程中只使用一個(gè)檢測(cè)探頭，所以該系統(tǒng)在一定程度上減小了安裝與更換引入誤差。但是它在檢測(cè)過(guò)程中需要手動(dòng)測(cè)量，且采樣間距過(guò)長(zhǎng)（10cm）,所以它并不適合高精度的土壤剖面水分實(shí)時(shí)線性測(cè)量?；趯?duì)常規(guī)土壤水分測(cè)量方法3-掙的比較，本文探討采用駐波法（SWR）測(cè)址土壤剖面水分的可行性，通過(guò)對(duì)傳感器探頭結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)，降低傳感器的采樣步長(zhǎng)，設(shè)計(jì)一種可在土壤內(nèi)自動(dòng)垂直移動(dòng)掃描的土壤剖面水分測(cè)危系統(tǒng)。1系統(tǒng)簡(jiǎn)述設(shè)計(jì)的測(cè)量

10、:系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由水分傳感器探頭、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繞線導(dǎo)輪、導(dǎo)電滑環(huán)、拉線位移傳感器、PVC管與數(shù)據(jù)采集器等組成。圖1測(cè)噠系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Configurationofmeasurementsystem2.繞線導(dǎo)輪3.導(dǎo)電滑環(huán)4.數(shù)據(jù)采集器6.配重塊7.防水堵頭8.PVC套筒探頭Fig.1I.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)5.水分傳感器9.拉線位移傳感器為實(shí)現(xiàn)水分傳感器探頭在土壤中進(jìn)行線性掃描測(cè)量，首先需要利用專用工具將一段PVC套管（管K170cm、外徑5.6cm、壁厚0.2cm）插入土壤中，根據(jù)農(nóng)作物的種類與根系特點(diǎn)，調(diào)整PVC套管氏度決定插入深度。土壤水分傳感器探頭通過(guò)線纜牽引至PVC管體內(nèi)，讓其在

11、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)牽引下做垂直向上移動(dòng)，移動(dòng)的同時(shí)傳感器根據(jù)采樣步長(zhǎng)檢測(cè)探頭周圍土體的體積含水率。采集完成后，水分傳感器探頭在配重塊的重力作用卜配合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將傳感器移動(dòng)至PVC管底初始點(diǎn)°為保證對(duì)傳感器探頭的供電與數(shù)據(jù)傳輸，統(tǒng)線導(dǎo)輪內(nèi)部采用中空結(jié)構(gòu)與外部的導(dǎo)電滑環(huán)連接，導(dǎo)電滑環(huán)的引出線纜與采集器連接，進(jìn)而對(duì)水分傳感器探頭進(jìn)行控制而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。為提高傳感器的定位精度，傳感器探頭在PVC管中的實(shí)時(shí)位置通過(guò)拉線位移傳感器進(jìn)行測(cè)量。2傳感器結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理土壤由水、空氣、土壤固體三態(tài)組成，屬于典型的多孔介質(zhì)：口。其中水的相對(duì)介電常數(shù)（81）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣（1）與土壤固體（35）的介電常數(shù)。所以當(dāng)土壤

12、含水率發(fā)生變化后，會(huì)導(dǎo)致土壤介電常數(shù)的變化。因此通過(guò)測(cè)量土壤介電常數(shù)就可間接測(cè)地出土壤含水率。土壤水分傳感器探頭采用雙銅環(huán)電極結(jié)構(gòu)，其主要由銅環(huán)電極（外徑5cm、厚0.1cm、高1.5cm）、PVC殼體、配重塊、防水堵頭、連接線纜與檢測(cè)電路組成，實(shí)物如圖2所示。采樣過(guò)程中高頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生100MHz的正弦信號(hào)經(jīng)由1/4波長(zhǎng)的同軸傳輸線傳輸至環(huán)形電極。環(huán)形電極釋放的電磁波穿過(guò)PVC管體進(jìn)入土壤，并在環(huán)形電極間形成一個(gè)曲面場(chǎng)，感應(yīng)PVC管體周圍土體含水率的變化。圖2傳感器實(shí)物圖Fig.2SoilmoisturesensorI.牽引線纜2.防水端于3.PVC殼體4.環(huán)形電極5.配成塊可以認(rèn)為水分傳

13、感器環(huán)形電極與周圍填充介質(zhì)組成一個(gè)電容器,2個(gè)環(huán)形電極相當(dāng)于電容器的2個(gè)極板，當(dāng)曲面場(chǎng)區(qū)域內(nèi)土壤含水率發(fā)生變化時(shí)（即電容填充介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化），會(huì)引起探頭阻抗的變化。環(huán)形探頭的阻抗特性與探頭間填充介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，即'jwC,jw（g£r0）式中Z,探頭的阻抗w傳感器的測(cè)試角頻率C,探頭感應(yīng)電容g與形狀尺寸有關(guān)的常數(shù)£,探頭周圍填充介質(zhì)的介電常數(shù)%真空中的介電常數(shù)本文采用駐波比法-”】，利用水分變化導(dǎo)致傳輸線與探頭阻抗不匹配產(chǎn)生的駐波.通過(guò)檢測(cè)傳輸線兩端在波引起的電壓差來(lái)狹取傳感器探頭阻抗.進(jìn)一步計(jì)算土壤體積含水率的變化。根據(jù)傳輸線理論”可求得傳感器探頭阻抗

14、，即式中U傳輸線兩端電勢(shì)差A(yù)高頻信兮發(fā)生器的振蕩幅伉X,傳輸線阻抗因?yàn)橥寥赖慕殡姵?shù)與=&'-j是一個(gè)夏介變ht.根據(jù)目前的研究結(jié)果.當(dāng)測(cè)試頻率足夠大（大于30MHz）、土壤汶出液電導(dǎo)率很低的情況下，可以忽略介電常數(shù)煤部/對(duì)土壤介電常數(shù)的影響m。3測(cè)量與控制單元系統(tǒng)框圖如圖3所示，主要:包括土壤水分檢澳I單元與數(shù)據(jù)采集控制主板。土壤水分檢測(cè)單元中,2個(gè)檢波芯片同時(shí)檢測(cè)傳輸線兩端電壓并傳輸給差分運(yùn)算放大器，差分運(yùn)算放大器對(duì)輸人信號(hào)進(jìn)行減法操作，并將獲得的電壓信號(hào)進(jìn)行放大。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，電壓電流轉(zhuǎn)換位元將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的420mA電流信號(hào)進(jìn)行傳輸。水分STM32

15、徵控制器實(shí)時(shí)時(shí)鐘皿元TISDIK&機(jī)元丁-電源轉(zhuǎn)換機(jī)元丁步迎步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電動(dòng)磐動(dòng)他兀機(jī)位移檢泌的無(wú)RS-232接II圖3系統(tǒng)哌理樞圖Fig.3S<Ji<-muticdiagramofinraununrntsysMm數(shù)據(jù)采集控制主板由主控制器、電壓轉(zhuǎn)電流單元、電源轉(zhuǎn)換單元、SD卡存儲(chǔ)單元、實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)單元與RS-232接口等部分組成。系統(tǒng)以意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32E103RBT6型單片機(jī)作為主控制器.實(shí)時(shí)時(shí)仲單元根據(jù)設(shè)定的時(shí)間定時(shí)喚酸單片機(jī)進(jìn)行土壤水分采集工作。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)氓元在單片機(jī)PWM脈沖的控制下驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)傳感器移動(dòng)測(cè)ht。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中.

16、傳感器探頭以5cm步長(zhǎng)行進(jìn)，步間停200ms,此時(shí)單片機(jī)對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行連續(xù)10次的A1）采樣.將采集到的數(shù)據(jù)取平均值后存入SD卡存儲(chǔ)單元中，同時(shí)存入的信息還包括傳感器的位置信息與時(shí)間信息，其中時(shí)間信息通過(guò)讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元獲得.位置信息通過(guò)線性位移傳感器伏得4高頻激勵(lì)下土壤水分傳感器環(huán)形探頭的性能分析4.1環(huán)形探頭工作環(huán)境下的電場(chǎng)強(qiáng)度分布狀況傳感器探頭周圍環(huán)境的電場(chǎng)強(qiáng)度分布悄況反映的是傳感器敏感區(qū)域的分布狀況，是傳感器空間測(cè)ht范圍的一個(gè)爪要依據(jù)。本文利用HESS頻電磁場(chǎng)仿戌軟件建歸傳感器探頭的物理模型.按照M實(shí)情況模擬傳感器的I：作環(huán)境對(duì)傳感器工作時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布狀況進(jìn)行仿1%分析模型

17、采用集總端【I的激勵(lì)方式，激勵(lì)頻率為100MUz.pvc管體與PVC殼體的介電常數(shù)為4,銅環(huán)電極材質(zhì)設(shè)置成黃銅.PVC管體內(nèi)的填充介質(zhì)為空丁.共介電常數(shù)為I,設(shè)定直徑為12cm、高13cm的圓柱形測(cè)試土體包圍PVC管體，共介電常數(shù)設(shè)置為21（對(duì)應(yīng)土壤體積含水率為36%）。仿真結(jié)果如圖4所示。電場(chǎng)嘵度伯l.OtXMtxiO*9.2K72xl0JSS744x1VV.WSISxlO7.1487x10；6.4359xl025.723lx!O:5.OIO2XIO24.2O74xl0J3.5K4AxlO22.8718x10：2.W0：1.4461x10：7.3329x102.0465x1(圖4環(huán)形探頭電場(chǎng)

18、分布側(cè)視圖勺的視圖Fig.4lateralviewandplanviruofrlrctricalfielddislribulionofaringprobe由圖4可以看出，銅環(huán)電極在高頻激勵(lì)下產(chǎn)生的電場(chǎng)能夠穿過(guò)PVC管體，并在土壤中形成一個(gè)曲面場(chǎng)，并且電場(chǎng)在環(huán)形電極兩端分布均勻，并沒(méi)有出現(xiàn)分肉現(xiàn)象。所以該探頭能夠滿足土壤水分測(cè)ht的要:求。伉得注意的是由于PVC管體對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的衰減作用.探頭內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度要:高于土壤中的電場(chǎng)強(qiáng)度。為減小電磁t擾對(duì)管內(nèi)電路的影響，本文對(duì)傳感器內(nèi)部的檢測(cè)電路進(jìn)行金屈外殼屏蔽。4.2土壤體積含水率對(duì)探頭阻抗特性的影響為分析本文所設(shè)計(jì)的環(huán)形探頭在實(shí)際土壤測(cè)訴中的阻抗特性，

19、利用網(wǎng)絡(luò)矢»|1：分析儀（天津德力電子儀器公司NA73OO型、500、掃描頻率300kHz3000MHz、頻率分辨率為10Hz）分別獲取環(huán)形探頭在100MHz頻率下的阻抗。測(cè)ht方法采用反射法.試驗(yàn)環(huán)境溫度為20Y。試驗(yàn)土樣為2種不同質(zhì)地的土壤：粘壤上與砂土.其成分構(gòu)成如表I所示。±填從田間取回后首先自然風(fēng)F過(guò)篩（孔徑0.4mm）,然后利用干燥箱（105Y、24h）干燥。計(jì)算不同梯度含水率土壤所需水分，按照1.6g/cm，的土壤容重均勻裝入7個(gè)高20cm、直徑30cm,中心固定有高20cm、直徑5.6cm的PVC管的PVC測(cè)試桶中。使用保鮮膜密封靜置48h,使水分充分運(yùn)移。

20、利用體積為100cm，的環(huán)刀取土，每個(gè)測(cè)試桶取4個(gè)土樣，干燥后取平均值，最后測(cè)得粘壤土7個(gè)梯度的含水率分別為2.1%.9.5%、14.2%.21.5%、26.0%、31.0%與39.5%（飽和）。砂土7個(gè)梯度的含水率分別為2.0%、8.2%、14.3%.18.6%、22.5%、26.3%與30.0%（飽和）。測(cè)試環(huán)境如圖5所示。表1試驗(yàn)土壤的成分構(gòu)成Tab.1Texturalcompositionofsoilsamples%土壤類型-成分構(gòu)成砂粒粉粒粘粒粘壤上117118砂土9235試驗(yàn)土壤制備完成后，使用SMA連接頭將矢危網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試電纜與環(huán)形探頭相連，矢成網(wǎng)絡(luò)分圖5環(huán)形探頭阻抗測(cè)試圖Fi

21、g.5Diagramofringprobeimpedancetestl.PVCitt試管2.環(huán)形探頭3.PVC試桶4.網(wǎng)絡(luò)矢片分析儀5.同軸線纜析儀開機(jī)1h后利用開路、短路與50。負(fù)載校準(zhǔn)件進(jìn)行校準(zhǔn).然后將環(huán)形探頭置于PVC測(cè)試管中進(jìn)行阻抗的測(cè)量，針對(duì)2種類型的試驗(yàn)土壤，本文在100MHz測(cè)試頻率下檢測(cè)環(huán)形探頭的阻抗特性隨土壤含水率的變化情況。最終獲取14組數(shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，結(jié)果如圖6所示。1.廉體積含水率/%（a）粘壤上-100n-110-120-130-160-170-0y=-0.0292r+2.5553x-172.14祁=0.9926-l4°-15()上壤體積含水

22、率/%（b）砂土圖6七壤含水率對(duì)環(huán)形探頭阻抗的影響Fig.6Influenceofsoilmoisturecontentonringprobeimpedance山圖6可以看出，在砂土與粘壤土2種土質(zhì)中，水分傳感器探頭的阻抗均隨著土壤體積含水率的增加而單調(diào)增加，并沒(méi)有出現(xiàn)容性與感性的相互轉(zhuǎn)換。從多項(xiàng)式擬合結(jié)果可以看出，在粘壤土與砂土中其決定系數(shù)（廣）均大于0.98,因此該傳感器探頭能夠滿足對(duì)粘壤土與砂土含水率測(cè)量要求。4.3環(huán)形探頭敏感區(qū)域分析研究高頻激勵(lì)F的探頭敏感特性能夠直接表征傳感器在實(shí)際工作土壤中的測(cè)量范圍，是線性測(cè)量中所關(guān)注的重要指標(biāo)，同時(shí)也是決定傳感器移動(dòng)過(guò)程中采樣步長(zhǎng)的重要依據(jù)。本

23、文借助1臺(tái)網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀，以4.2節(jié)配置的試驗(yàn)土壤為對(duì)象，由低到高選取3個(gè)梯度含水率的試驗(yàn)土壤，選取的粘壤土含水率為9.5%、14.2%.21.5%,選取的砂土含水率為8.2%、14.3%、18.6%。依次測(cè)仙傳感器探頭在不同質(zhì)地與含水率情況下的敏感特性，試驗(yàn)方法如下：將本文設(shè)計(jì)的土壤水分探頭連接在網(wǎng)絡(luò)分析儀上，并,于PVC管體中，探頭中心區(qū)域距離土體上表面10cm,以1cm為步長(zhǎng)將傳感器探頭向上拖動(dòng)，記京100MHz激勵(lì)下每個(gè)步長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的阻抗。在2種土壤中的試驗(yàn)結(jié)果如圖7、8所示。由圖7、8可以看出，傳感器在粘壤土與砂土2種土壤中，其探頭的阻抗在-2.52.5cm范圍內(nèi)隨著距離的增加單調(diào)減小，

24、傳感器的測(cè)敏范圍為05cm,所以傳感器在線性移動(dòng)測(cè)量過(guò)程中，其采樣步長(zhǎng)應(yīng)設(shè)置為5cm,以實(shí)現(xiàn)土壤剖面的線性掃描測(cè)量。5試驗(yàn)土壤水分傳感器性能分析試驗(yàn)5.1.1 土壤水分傳感器靈敏性試驗(yàn)及標(biāo)定方法傳感器靈敏性表征的是當(dāng)檢測(cè)區(qū)域土壤水分發(fā)土壤空代y-含水率9.5%含水率14.2%含水率21.5%-120-130：-I40L-150-160-170：'-180：-190-200-210-22oL-10-8-6-4-20246810HP./cm圖7傳感器在粘壤土中敏感區(qū)域的試驗(yàn)結(jié)果Fig.7Experimentalresultsofsensorlocatedinsensitiveareaofc

25、layloam圖8傳感器在砂土中敏感區(qū)域的試驗(yàn)結(jié)果Fig.8Experimentalresultsofsensorlocatedinsensitiveareaofsandysoil生變化時(shí)傳感器輸出值的變化范圍，是傳感器性能的重要指標(biāo)。選取砂土與粘壤土2種不同質(zhì)地的土壤作為試驗(yàn)土壤，依據(jù)4.2節(jié)的方法對(duì)2種土壤進(jìn)行處理，依次配置成水分梯度從風(fēng)干到飽和含水率的測(cè)試土壤。粘壤土10個(gè)梯度含水率分別為2.1%、8.5%、13.2%、15.8%、19.5%、24.5%、28. 5%、32.0%、35.6%與40.5%（飽和）。砂土的10個(gè)梯度含水率分別為2.5%、7.2%、12.3%、14.3%、18

26、.9%、20.3%、23.5%、25.3%、27.5%與29. 0%（飽和）。用采集器將傳感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，每種土樣測(cè)技3次，對(duì)測(cè)量結(jié)果取平均值，采用十折交叉驗(yàn)證的方法依次選取1個(gè)梯度的水分作為驗(yàn)證集，其余9個(gè)梯度作為校正集對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式回歸，結(jié)果如表2所示。對(duì)粘壤土與砂土擬合模型系數(shù)進(jìn)行均值處理得出粘壤土的多項(xiàng)式擬合模型為y=-0.28087/+32.130x+141.623,砂土的多項(xiàng)式擬合模型為y=-0.28409/+27.6854*+106.6372。將實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)與模型進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出，傳感器的輸出電壓均隨著土壤體積含水率的增加而單調(diào)

27、增加，傳感器在砂土與粘壤土2種土壤中都具有良好的相關(guān)性，其決定系數(shù)犬2分別達(dá)到0.9974（粘壤土）與0.9917（砂土），均方根誤差RMSE分別達(dá)到12.257mV（粘壤土）與十折交叉驗(yàn)證表2Tab.210-foldcross-validation驗(yàn)證集土壤類型回歸模型（粘壤土）絕對(duì)誤差/mV模型決定系數(shù)肥第1梯度粘壤土砂土y=-0.27Jlx2+31.585x+I47.39y=-0.1235/+20.698x+162.96-7.52295-63.933100.99540.9916第2梯度粘壤土-0.2805/+32.041*+143.09-6.172370.9969砂土-0.3077/+2

28、8.453*+87.09523.994570.9925第3梯度粘壤土砂土-0.2798/+32.102x+140.21,=-0.2748/+27.J79%+97.4974.7959519.775790.99730.9930第4梯度粘壤土砂土ys-0.2805/+32.H2x+140.75y=-0.3023x2+27.913%+97.091.904420.571420.99730.9918第5梯度粘壤土砂土-0.2625/+32.561%+138.52y=-0.3382x2+29.098x+92.1-138.52000-143.600000.99820.9934第6梯度粘壤土砂土*=-0.290

29、7x2+31.585x+147.39y=-0.2986x2+27.776x+97.7743.270173.423270.99740.9919第7梯度粘壤1：砂土-0.287lx2+32.43lx+138.96y=-0.319lx2+28.691*+92.827-10.04650-30.842500.99740.9952第8梯度粘壤土砂土y=-0.286lx2+32.531x+137.77y=-0.306x2+27.902x+97.57-25.7956012.376940.99820.9917第9梯度粘填土砂土7=-0.2917/+32.300x+140.86y=-0.3108U2+28.109

30、%+96.40728.948915.645560.99820.9909第10梯度粘壤fc砂土-0.2787/+32.O53x+141.29y-0.3356x3+28.763x+93.552-2.2988214.560600.99680.991019.024mV（砂土）。由此可以說(shuō)明粘壤土與砂土的多項(xiàng)式擬合模型與傳感器的輸出特性能夠滿足測(cè)量要求，但是需要注意的是，土壤質(zhì)地對(duì)傳感器的輸出具有定影響，所以在實(shí)際應(yīng)用中需要用實(shí)際測(cè)量土壤依照以上標(biāo)定方法對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定后再進(jìn)行測(cè)最C(N(M(M(M(M(N>(X>X>X(7(6(5(4(3(2(HVW三急覆樊弟圖9模型噩延結(jié)果big.

31、9Resuhsofinoihduli(hilion5.1.2傳感器精度標(biāo)定試處結(jié)果分析選取粘壤性土壤樣本6份，依據(jù)4.2方法對(duì)土壤樣本進(jìn)行處理，配置成6個(gè)含水本梯度。通過(guò)燥法測(cè)仙：6個(gè)梯度含水率分別為6.53J2.4%、16.8%,21.6%,26.8%與35.6%將本文設(shè)計(jì)的傳感器插入5樣本中進(jìn)行測(cè)lit，每種樣本測(cè)忙3次,取平均(ri作為此次傳感器的測(cè)tit結(jié)果。傳感器的測(cè)lit結(jié)果與F燥法所得的實(shí)際含水率對(duì)比如圖10所小圖10佐感器的測(cè)抵站果勺實(shí)際體枳含水率比較圖10佐感器的測(cè)抵站果勺實(shí)際體枳含水率比較Fig.10(aimparisonofvolumetricsoilwalerconlr

32、ntsiuisorH'sullsan<laetual;ilu<*s豪*留冬MM_山圖1()可以看出，傳感器所測(cè)ht的含水率與干燥法測(cè)折結(jié)果基本吻介，決定系數(shù)E到0.9977,均方根誤差KMSE為0.2242cm'/cin',說(shuō)明傳感器以仃較高的測(cè)折精度5.1.3傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能試臉作為傳感器線性移動(dòng)測(cè)fit所關(guān)iE的重要指標(biāo),動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能主要表現(xiàn)為當(dāng)傳感器檢測(cè)區(qū)域土壤水分發(fā)生變化時(shí).傳感器完全響應(yīng)所需要的時(shí)間出決定傳感器測(cè)斌停留時(shí)間試驗(yàn)設(shè)備為中間固定p(：管的測(cè)試筒將傳感器置于Pc管體中.測(cè)試筒中加滿水.使用示波器捕獲傳感器從通電到輸出穩(wěn)定及輸出電壓恒定不

33、變所需要的時(shí)間為53ms,試驗(yàn)結(jié)果如圖II所示傳感器在進(jìn)行移動(dòng)測(cè)虻時(shí)共在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)至少停留53ms.才能保證數(shù)據(jù)的直實(shí)性圖II傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能試技結(jié)果itfHVCurfi»-274*sCvr8«:AX：:.11.1t1,t.oeT)mamAAf».cFig.I1Dynamicrrsponsrrrsull<>fmoistiin*mmishf5.2多層水分土壤穿層試驗(yàn)分析5.2.1對(duì)比試驗(yàn)勺結(jié)果分析為分析本文設(shè)計(jì)的£壤削而水分實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)與國(guó)外同類土壤水分線性測(cè)砒產(chǎn)品性能的差距,本文設(shè)計(jì)r性能對(duì)比試驗(yàn)對(duì)比產(chǎn)品為澳大利亞Srntcnk公“J的l

34、)i、i“r200()型便攜式上壤水分速測(cè)儀，其土壤層間測(cè)W間隔為10<m,測(cè)魅精度為±1%試驗(yàn)土壤為粘壤上，按照4.2廿的試滴步驟配骨成體積含水率為5.5%J5.5%«j3().4缶3個(gè)梯度的上壤樣品將配置好的3種I-.壤樣品依次裝入A35cm、|*L徑30cm,中心固定(高60cm、宜徑5.6cmPVC管的PVC測(cè)試桶中,分層等體積壓實(shí),層間用I.5.nm怔的l»VC|M|板隔斷.以防止層間水分交互.靜K48h裝入的每層±壤高度為10<m.最終試驗(yàn)土柱III3個(gè)水分層構(gòu)成分別利用Divin.-i20()()型便攜式土壤水分速測(cè)儀勺木文設(shè)計(jì)

35、的上壤剖而水分實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)3層上壤樣本進(jìn)行掃描測(cè)站.其中栗樣間隔為3()min,采樣步K為10cm以上體上占而作為參號(hào)原點(diǎn)媚終伏得12h的測(cè)址結(jié)果如圖12所示由圖12可以看出.對(duì)比的2種設(shè)備均能桁確地測(cè)址3層土壤中的含水率，與燥后的含水率比較.自制系統(tǒng)的體枳含水率的絕對(duì)誤去為-0.4%9876543298765432樞、褥*虹略Mw-H.自制系統(tǒng)Diviner2000自制系統(tǒng)Diviner2000自制系統(tǒng)Diviner2000時(shí)間/h(c)30cm0123456789101112302928I2345678910II12時(shí)間/h(a)10cm*I'IT_k01234567891011

36、12時(shí)間/h(b)20cm圖12傳感器對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果12Contrastresultsofmoisturesensor270.4%,Diviner2000型便攜式土壤水分速測(cè)儀的絕對(duì)誤差范圍為-0.3%0.5%。2種被測(cè)設(shè)備的絕對(duì)誤差小于1%。試驗(yàn)結(jié)果表明,2種傳感器在此測(cè)試條件下性能相當(dāng)。5.2.2系統(tǒng)穩(wěn)定性與敏感性試驗(yàn)分析為進(jìn)一步驗(yàn)證土壤剖面水分線性測(cè)技系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的運(yùn)行穩(wěn)定性與敏感性。本文模擬系統(tǒng)在野外工作環(huán)境設(shè)計(jì)了5cm分辨尺度下的多層水分土柱穿層試驗(yàn)。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境如圖13所示。試驗(yàn)土壤為粘壤土，依據(jù)4.2節(jié)所示方法配置成體積含水率為3.5%、6.0%、10.3%、17.9%、25.

37、2%與30.5%6個(gè)梯度的土壤樣本。依據(jù)5.2.1節(jié)方法將配置成的土樣裝入容器中，裝入的每層土壤高度為5cm,最終試驗(yàn)土柱由6個(gè)水分層構(gòu)成。將本文設(shè)計(jì)的線性測(cè)量系統(tǒng)安裝到PVC測(cè)試管上，通過(guò)串口設(shè)置水分傳感器的檢測(cè)范圍，使傳感器能夠在6層土壤樣本中掃描測(cè)量，設(shè)定設(shè)備采樣間隔為30min,采樣步長(zhǎng)為5cm。以土體上表面作為參考原點(diǎn)，最終獲得12h試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。圖13多層水分土柱穿層試臉現(xiàn)場(chǎng)Fig.13Experimentsiteofmulti-layermoisturethroughsoilcolumn1.線性剖面?zhèn)鞲衅鳈C(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)2.PVC測(cè)試管3.12V鉛酸電池4.采集踞5.裝有土壤

38、樣本的PVC筒6.土壤水分傳感器4035302520151055rm20cm10cm25cma15cm130cm01234567時(shí)間/h012圖14多層水分上柱穿層試驗(yàn)結(jié)果Fig.14Experimentresultofmulti-layermoisturethroughsoilcolumn由圖14可以看出，該系統(tǒng)能夠精確測(cè)量5cm范闈內(nèi)的層間土壤水分的階梯變化，其絕對(duì)誤差范圍為-0.5%0.7%。且長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行并沒(méi)有出現(xiàn)測(cè)量水分?jǐn)?shù)值的較大偏移，此結(jié)果說(shuō)明傳感器在移動(dòng)測(cè)量過(guò)程中不存在位移測(cè)量的累計(jì)誤差。因此說(shuō)明傳感器能夠有效檢測(cè)傳感器中心縱向區(qū)域內(nèi)05cm范圍內(nèi)的土壤水分變化，該現(xiàn)象也進(jìn)一

39、步驗(yàn)證了4.3節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果。因此該系統(tǒng)能夠滿足線性尺度下土壤剖面水分的實(shí)時(shí)測(cè)量需求，旦具有較高的測(cè)量精度與穩(wěn)定性。6結(jié)論(1) 提出了一種線性尺度下的土壤剖面水分測(cè)最方法，并設(shè)計(jì)了一種基于駐波比法的土壤剖面水分實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，為實(shí)時(shí)獲取土壤剖面水分垂直分布，指導(dǎo)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)灌溉奠定了基礎(chǔ)。(2) 針對(duì)傳感器的環(huán)形探頭的電場(chǎng)強(qiáng)度分布與阻抗特性進(jìn)行了深入研究，利用HFSS高頻電磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)環(huán)形探頭的仿真分析得出，本文設(shè)計(jì)的環(huán)形探頭的電場(chǎng)強(qiáng)度分布均勻，能夠滿足傳感器的設(shè)計(jì)要求。進(jìn)一步借助網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀，在砂土與粘壤土2種土壤中對(duì)環(huán)形探頭的阻抗特性與敏感區(qū)域進(jìn)行了分析，確定了該系統(tǒng)的采樣步長(zhǎng)為5cm。(3

40、) 設(shè)計(jì)了傳感器的性能分析試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果町以看出土壤水分傳感器的敏感度與動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能均能夠滿足線性尺度下土壤剖面含水率測(cè)鼠的要求。(4) 系統(tǒng)的多層水分土柱穿層試驗(yàn)表明，本文所設(shè)計(jì)的上壤剖面水分實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)能夠滿足線性尺度下的土壤剖面水分的實(shí)時(shí)測(cè)量需求，具有較高的測(cè)量精度與穩(wěn)定性。參考文獻(xiàn)1李連駿，孫宇瑞.林劍輝.一種太陽(yáng)能供電的土壤水分無(wú)線傳感器J.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2009,30(6):541-544.LILianjun,SUNYurui,LINJianhui.Awireless-sensorforsoilwatercontentpoweredbysolarenergyJ.Jou

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