李加念， 洪添勝， 倪慧娜

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

0 引 言

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

由于土壤本身的復雜性，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，為精確地測定土壤水分，在研制或應用土壤水分傳感器時，需對其進行性能評價分析或?qū)嶋H測試與校正。目前，大多數(shù)研究采取配制待測土樣或農(nóng)田現(xiàn)場取樣的方式，對土壤水分傳感器進行標定、校準以及性能測試與評價[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系，并能準確衡量土壤水分傳感器在該土壤中的測試性能，但土樣的配制需經(jīng)過風干、搗碎、除雜、過篩、烘干、兌水等環(huán)節(jié)，土樣的壓實度一致性和含水均勻性不易控制；從農(nóng)田現(xiàn)場取樣得到的土樣，其土壤結(jié)構與實際土壤一致，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。為能以一種簡便快捷的方式對土壤水分傳感器進行標定與性能評估，有學者采用配制介電常數(shù)ε為已知的介電溶液替代土樣進行試驗[3,7]。但介電溶液中的測試結(jié)果是否與實際土樣的測試結(jié)果一致，目前未研究報道。

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

1 材料與方法

1.1 土壤水分傳感器的結(jié)構與工作原理

試驗所用土壤水分傳感器為一高頻電容式傳感器，其結(jié)構如圖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，其測量原理是：當土壤含水量變化時，土壤介電常數(shù)隨之相應變化，從而使置于土壤中的探針的等效電容也隨之改變，然后利用信號轉(zhuǎn)換電路將探針上的信號轉(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)構示意圖

1.2 試驗方法

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系、溫度變異性以及穩(wěn)定性等4個方面，對土壤水分傳感器進行性能測試。各個等效體積含水率待測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)驗式[9]計算得出

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為待測溶液的介電常數(shù)。

表1 不同ε的待測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，將其風干、搗碎、除雜及1 mm過篩后，通過兌水配制成一系列相應含水率的待測土樣，分別從4個方面對傳感器的性能進行測試與驗證，并將測試結(jié)果與在土壤等效溶液中的測試結(jié)果比較，分析3種待測介質(zhì)中的測試結(jié)果是否具有一致性。試驗時，對于每個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；而且對于每個土樣，將傳感器置于土樣中的3個不同方位進行測量，每個方位測量3次，取其平均值作為該土樣中的最終測試結(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工作電壓下對傳感器進行測試，試驗結(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試結(jié)果，與在紅壤和磚紅壤中的測試結(jié)果是一致的，3種介質(zhì)中的測試結(jié)果均表明:其輸出電壓和工作電流對工作電壓有顯著的依賴性，與工作電壓呈線性正相關，且相關系數(shù)R2均大于0.99；在相同工作電壓下，3種介質(zhì)中測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 %的待測介電溶液、紅壤土樣和磚紅壤土樣中，測試傳感器輸出電壓與土壤含水率的關系。試驗過程中，用離心管盛裝待測溶液，用玻璃燒杯盛裝待測土樣，并分別將它們置于25 ℃的恒溫水浴鍋(恒溫精度為±0.2 ℃)內(nèi)，同時用數(shù)字溫度計(精度為±0.1 ℃)監(jiān)測待測介質(zhì)的溫度，當其溫度維持在(25±0.2)℃時，將傳感器置于待測介質(zhì)中進行測試。試驗結(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系

從圖3可以看出：在介電溶液、紅壤和磚紅壤3種待測介質(zhì)中測試時，傳感器的輸出電壓均與土壤體積含水率呈線性負相關關系，其相關系數(shù)R2分別為0.979,0.96和0.981；土壤體積含水率相同時，3種待測介質(zhì)中測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)象的主要原因為，傳感器依據(jù)待測介質(zhì)的介電常數(shù)進行測量，而土壤顆粒的成分較為復雜，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，測試傳感器輸出電壓與土壤體積含水率的關系。但將傳感器應用于實際土壤時，為提高其檢測精度，需用該土壤重新對傳感器進行標定。

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同一待測土壤時，由于溫度變化而引起其輸出電壓的變化。本文以25 ℃時的測量數(shù)據(jù)為基準衡量傳感器的溫度變異性，其溫度變異性可用式(2)計算

(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介質(zhì)，在不同的溫度下測試傳感器的輸出電壓，并計算其溫度變異性。然后，分析比較介電溶液的測試結(jié)果是否與2種土樣的測試結(jié)果一致。試驗結(jié)果如圖4所示，輸出電壓變異性為負值，表示此溫度下的傳感器輸出電壓小于25 ℃時的輸出電壓，為正值則表示大于25 ℃時的輸出電壓。

圖4 傳感器輸出電壓對溫度的變異性

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種土樣中的測試結(jié)果基本上一致，均表現(xiàn)為與溫差(試驗溫度與25 ℃的差值)呈線性正相關，其相關系數(shù)R2均大于0.995，而且當試驗溫度大于25 ℃時為正值，小于25 ℃時為負值；2)相同溫度下，介電溶液測試的輸出電壓變異性與紅壤、磚紅壤的測試結(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

傳感器置于同一個待測介質(zhì)中長時間連續(xù)測量時，其輸出電壓是隨著時間發(fā)生漂移或波動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)測傳感器的輸出電壓，每5 min測量1次數(shù)據(jù)。試驗過程中，待測介質(zhì)密封置于25 ℃電子恒溫箱中，試驗結(jié)果如表2所示。

由表2可知，傳感器分別在3種待測介質(zhì)中的72 h連續(xù)測量過程中，輸出電壓均表現(xiàn)為很穩(wěn)定，在介電溶液、紅壤和磚紅壤中測試的輸出電壓的最大波動比例分別為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)的測量誤差對測試結(jié)果的影響，傳感器輸出電壓的波動范圍會更小一些。由此可見，傳感器在土壤等效介電溶液中的穩(wěn)定性測試結(jié)果與2種土樣中的穩(wěn)定性測試結(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

本文對傳感器在介電溶液中的性能測試結(jié)果進行了驗證試驗，試驗結(jié)果表明:在介電溶液、紅壤和磚紅壤3種介質(zhì)中的測試結(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，且相關系數(shù)R2均大于0.99；輸出電壓均與土壤體積含水率呈線性負相關關系，其相關系數(shù)R2均大于0.96；輸出電壓的變異性與溫差(試驗溫度與25 ℃的差值)呈線性正相關，其相關系數(shù)R2均大于0.995；輸出電壓的最大波動比例分別為0.22 %，0.27 %和0.33 %；相同條件下3種介質(zhì)中對同一指標的測試值的差異很小。因此，可以利用土壤等效溶液替代土樣進行傳感器的性能測試與評估。但土壤的成分復雜，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，在實際應用時應對傳感器進行重新標定，以減小測量誤差。

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