賈維兵，楊啟良，李加念，劉小剛，楊具瑞

（昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，昆明 650500）

土柱入滲性能自動(dòng)檢測(cè)裝置研制與試驗(yàn)

賈維兵，楊啟良※，李加念，劉小剛，楊具瑞

（昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，昆明 650500）

為實(shí)現(xiàn)室內(nèi)豎直土柱入滲性能的自動(dòng)檢測(cè)，研制了一種土柱入滲性能自動(dòng)檢測(cè)裝置。該裝置主要由傳感器位置調(diào)節(jié)裝置、土樣盛放裝置、供水裝置、檢測(cè)和控制模塊、電源模塊和上位機(jī)顯示存儲(chǔ)模塊組成，采用壓力應(yīng)變式傳感器檢測(cè)入滲過(guò)程的累積入滲量，采用介電常數(shù)土壤水分傳感器檢測(cè)土壤含水率的變化，進(jìn)而推斷濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移位置。基于這2種傳感器，實(shí)現(xiàn)土柱入滲過(guò)程自動(dòng)檢測(cè)。采用水頭為10 mm，容重為1.15、1.20和1.25 g/cm3的紅壤土進(jìn)行室內(nèi)土柱入滲試驗(yàn)，檢驗(yàn)該裝置的性能。結(jié)果表明：1）9個(gè)試驗(yàn)和18個(gè)檢測(cè)位置，土壤水分傳感器進(jìn)出土柱成功率為100%，表明該裝置運(yùn)行可靠；2）與烘干法相比，土壤水分傳感器檢測(cè)得到土壤含水率的最大相對(duì)誤差為-4.4 %，檢測(cè)結(jié)果比較準(zhǔn)確；3）與人工觀測(cè)濕潤(rùn)鋒位置相比，土壤水分傳感器推算出的濕潤(rùn)鋒位置最大相對(duì)誤差為-12.9 %，說(shuō)明土壤水分傳感器檢測(cè)濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移效果比較明顯；4）壓力應(yīng)變式傳感器檢測(cè)累積入滲量與人工實(shí)測(cè)得到的數(shù)據(jù)對(duì)比，最大相對(duì)誤差為2.27%。該裝置可作為土柱入滲自動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)。

入滲；土壤；含水率；土柱；濕潤(rùn)鋒；自動(dòng)檢測(cè)；裝置研制

賈維兵，楊啟良，李加念，劉小剛，楊具瑞. 土柱入滲性能自動(dòng)檢測(cè)裝置研制與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(7)：91－99.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.012 http://www.tcsae.org

Jia Weibing, Yang Qiliang, Li Jianian, Liu Xiaogang, Yang Jurui. Design and experiment of automatic detection device for soil column infiltration capacity[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(7): 91－99. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.012 http://www.tcsae.org

0 引 言

土壤入滲過(guò)程是田間土壤水分循環(huán)的重要組成部分[1]。土壤入滲研究能為地表、地下水資源的綜合評(píng)價(jià)，農(nóng)田灌溉技術(shù)參數(shù)的合理確定提供科學(xué)依據(jù)[2]。大量有關(guān)土壤入滲性能的研究表明，土壤入滲能力主要受土壤機(jī)械組成、容重及入滲水頭等的影響[3-5]。

累積入滲量、濕潤(rùn)鋒運(yùn)移和土壤水分變化量是土壤入滲性能的重要指標(biāo)。通常，在進(jìn)行土壤入滲性能試驗(yàn)時(shí)，供試土樣裝在圓柱型有機(jī)玻璃筒（箱）內(nèi)，采用馬氏瓶或量筒供水，人工觀測(cè)馬氏瓶或量筒的水位下降高度來(lái)計(jì)算累積入滲量，人工觀測(cè)濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離[6-15]。試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)為60～500 min，甚至可達(dá)6 h之久，試驗(yàn)過(guò)程中需人工讀取秒表記錄時(shí)間，然后觀測(cè)和記錄數(shù)據(jù)，該過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，工作量大，對(duì)試驗(yàn)人員是體力和耐心的極大考驗(yàn)。近年來(lái)，管瑤等[16-18]將可控?cái)?shù)碼相機(jī)和圖像識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于土壤入滲試驗(yàn)研究，提高了試驗(yàn)效率；圖像識(shí)別技術(shù)可以直接獲得濕潤(rùn)鋒的位置計(jì)算濕潤(rùn)體的體積，但不能直接檢測(cè)得到濕潤(rùn)體土壤的水分動(dòng)態(tài)變化，后期的計(jì)算比較復(fù)雜。其中管瑤等[16-18]采用蠕動(dòng)泵和馬氏瓶提供恒定流量，然后基于流速與時(shí)間人工計(jì)算累積入滲量；劉芳芳等[19]采用電子秤讀取馬氏瓶質(zhì)量的變化獲得累積入滲量，這 2種方法自動(dòng)化程度低。呂華芳等[20]設(shè)計(jì)了應(yīng)用于教學(xué)試驗(yàn)裝置，使用數(shù)量較多的土壤水分傳感器，導(dǎo)致整個(gè)裝置成本較高，累積入滲量也是人工觀測(cè)。

基于此，本研究旨在研制能夠?qū)崿F(xiàn)土柱入滲過(guò)程自動(dòng)檢測(cè)的低成本裝置，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性，以提高土柱入滲性能的試驗(yàn)效率。大多數(shù)電子秤使用壓力應(yīng)變式傳感器稱(chēng)質(zhì)量[21]。介電常數(shù)型土壤水分傳感器能夠?qū)ν寥篮蔬M(jìn)行連續(xù)測(cè)定[22-24]。本文采用壓力應(yīng)變式傳感器來(lái)檢測(cè)入滲過(guò)程的累積入滲量，采用介電常數(shù)土壤水分傳感器來(lái)檢測(cè)土壤含水率的變化，進(jìn)而推斷濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移位置?；谶@ 2種傳感器，實(shí)現(xiàn)土柱入滲過(guò)程自動(dòng)檢測(cè)。

1 土柱入滲性能自動(dòng)檢測(cè)裝置總體設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)要求

室內(nèi)土柱入滲性能自動(dòng)檢測(cè)裝置試驗(yàn)應(yīng)滿足 4點(diǎn)要求：1）裝置能夠自動(dòng)檢測(cè)土柱入滲過(guò)程中隨時(shí)間變化的累積入滲量；2）裝置能夠在入滲過(guò)程中連續(xù)測(cè)量土壤含水率的變化；3）裝置能夠根據(jù)檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)判斷濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移位置，進(jìn)行下一位置的土壤含水率檢測(cè)；4）裝置檢測(cè)得到的累積入滲量和土壤含水率的數(shù)據(jù)能夠動(dòng)態(tài)顯示和存儲(chǔ)，方便試驗(yàn)人員查看和后期分析處理。

基于上述要求，提出該裝置的原理框圖如圖1所示，由傳感器位置調(diào)節(jié)裝置（土壤水分傳感器、水平電機(jī)、豎直電機(jī)與行程開(kāi)關(guān)構(gòu)成）、土樣盛放裝置（土柱、步進(jìn)電機(jī)和行程開(kāi)關(guān)構(gòu)成）、供水裝置（馬氏瓶和壓力應(yīng)變式傳感器構(gòu)成）、檢測(cè)和控制模塊（A/D轉(zhuǎn)換、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和單片機(jī)開(kāi)發(fā)板構(gòu)成）、按鍵、數(shù)碼管顯示模塊、電源模塊和上位機(jī)顯示存儲(chǔ)軟件組成。

圖1 土柱入滲性能自動(dòng)檢測(cè)裝置的原理框圖Fig.1 Functional block diagram of automatic detection device for soil column infiltration capacity

1.2 裝置檢測(cè)工作原理

基于Green-Ampt[25-26]的4個(gè)基本假設(shè)，土柱在入滲過(guò)程中，濕潤(rùn)鋒面為水平面，濕潤(rùn)鋒后濕潤(rùn)區(qū)土壤含水率為飽和含水率，導(dǎo)水率為飽和導(dǎo)水率。

土柱體積含水量采用頻域反射（frequency domain reflectometry，F(xiàn)DR）土壤水分傳感器檢測(cè)（大連哲勤科技有限公司，檢測(cè)精度為±3%），如圖2所示，測(cè)量區(qū)域?yàn)橐灾醒胩结槥橹行?，直徑?0 mm、高為70 mm的圓柱體。

圖2 土壤水分傳感器檢測(cè)范圍示意圖Fig.2 Range diagram of soil moisture sensor detection

根據(jù)土壤水分傳感器的測(cè)量范圍和Green-Ampt的4個(gè)基本假設(shè)，當(dāng)土壤水分傳感器水平插入土柱中，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移到水分傳感器所能測(cè)量的范圍內(nèi)時(shí)，土壤水分傳感器能夠檢測(cè)得到體積含水量的動(dòng)態(tài)變化，隨著入滲的進(jìn)行，傳感器所能測(cè)的范圍達(dá)到飽和含水量，傳感器檢測(cè)范圍的體積含水量保持不變。由此可認(rèn)為土壤水分傳感器檢測(cè)值開(kāi)始逐漸增大時(shí)為濕潤(rùn)鋒到達(dá)傳感器所在高度上35 mm處的時(shí)刻，土壤水分傳感器檢測(cè)值增長(zhǎng)到一定值保持不變時(shí)，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移到傳感器所在高度下35 mm處。

郭文川等[27]進(jìn)行了土壤溫度和容重對(duì)頻域反射儀FDR土壤水分傳感器測(cè)量精度的影響，得出計(jì)算含水率與實(shí)際含水率的絕對(duì)誤差為?2.638%～2.812%。本文設(shè)定FDR土壤水分傳感器檢測(cè)得到的數(shù)值變化率≤5%時(shí)，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移通過(guò)土壤水分傳感器的測(cè)量范圍，裝置進(jìn)行下一位置的土壤水分變化檢測(cè)。

選用CLZ-A壓力應(yīng)變式傳感器和HX711 24位高精度稱(chēng)質(zhì)量傳感器模塊，組成電子秤連續(xù)測(cè)量馬氏瓶的質(zhì)量變化，進(jìn)而獲得累積入滲量。

檢測(cè)得到的累積入滲量和土壤水分變化量通過(guò)數(shù)碼管顯示，并通過(guò)串口發(fā)送至上位機(jī)軟件進(jìn)行顯示存儲(chǔ)。進(jìn)行下一位置土壤水分變化檢測(cè)時(shí)，單片機(jī)向控制模塊發(fā)送信號(hào)，使土壤水分傳感器離開(kāi)土柱，下降一定高度再次進(jìn)入土柱進(jìn)行檢測(cè)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中使用行程開(kāi)關(guān)限制運(yùn)動(dòng)極限位置。

2 土柱入滲性能自動(dòng)檢測(cè)裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器位置調(diào)節(jié)裝置

傳感器位置調(diào)節(jié)裝置（圖3）用來(lái)調(diào)節(jié)土壤水分傳感器在水平和豎直方向的位置，實(shí)現(xiàn)土柱不同高度的土壤體積水分的連續(xù)檢測(cè)。

圖3 傳感器位置調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of sensor position adjustment device

如圖3所示，土壤水分傳感器安裝在傳感器夾持機(jī)構(gòu)上，傳感器夾持機(jī)構(gòu)在水平方向和豎直方向均設(shè)有絲桿螺母。在水平方向上，根據(jù)土壤水分傳感器進(jìn)出土柱的阻力，選用28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)（相電壓5 V，步距角5.6°）驅(qū)動(dòng)螺桿（螺距2 mm），螺桿與水平方向絲桿螺母配合完成傳感器水平進(jìn)出土柱；在豎直方向上，根據(jù)傳感器夾持機(jī)構(gòu)在豎直方向運(yùn)動(dòng)的受力情況，選用 2個(gè)42BYGH47步進(jìn)電機(jī)（相電壓12 V，步距角1.8°）驅(qū)動(dòng)螺桿（螺距2 mm），螺桿與豎直方向絲桿螺母配合完成水分傳感器在豎直方向高度調(diào)節(jié)。豎直方向設(shè)有2根光軸作為傳感器豎直方向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)桿。水分傳感器兩側(cè)分別設(shè)有左右行程開(kāi)關(guān)，分別用來(lái)限制傳感器進(jìn)出土柱的極限位置。水分傳感器夾持機(jī)構(gòu)上下分別設(shè)有行程開(kāi)關(guān)，分別用來(lái)限制傳感器在豎直方向運(yùn)動(dòng)的極限位置。上述行程開(kāi)關(guān)均選用德力西LXW5-11N1行程開(kāi)關(guān)。

2.2 土樣盛放裝置和供水裝置

土樣盛放裝置用來(lái)盛放試驗(yàn)土樣，供水裝置向土柱提供一定水頭的入滲水。如圖 4所示，土樣盛放裝置主要由圓柱筒體和支撐座構(gòu)成，圓柱筒體為內(nèi)徑為140 mm、外徑為150 mm、高為200 mm的亞克力筒體，安裝在下部的支撐座上。筒體上設(shè)有乳膠管安裝孔，同時(shí)徑向開(kāi)有若干與傳感器探針相配合的傳感器出入孔。

圖4 土樣盛放裝置和供水裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of soil laying and water supply device

為了保證檢測(cè)過(guò)程中，土壤水分傳感器探針能夠順利進(jìn)出土柱，在土樣盛放裝置支撐座底部設(shè)置57BYG250B步進(jìn)電機(jī)（相電壓24V，步距角1.8°），該電機(jī)驅(qū)動(dòng)圓柱筒體在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，在支撐座上部設(shè)置了行程開(kāi)關(guān)，配合電機(jī)使傳感器出入孔與傳感器探針對(duì)齊，行程開(kāi)關(guān)仍選用德力西LXW5-11N1行程開(kāi)關(guān)。

供水裝置由馬氏瓶、CZL-A壓力應(yīng)變式傳感器、乳膠管和傳感器支座組成，CZL-A壓力應(yīng)變式傳感器安裝在馬氏瓶底部，乳膠管的另一端安裝在筒體上，向土柱供水。試驗(yàn)過(guò)程中調(diào)節(jié)傳感器支座的高度來(lái)調(diào)節(jié)入滲水頭。

2.3 檢測(cè)和控制模塊

檢測(cè)和控制模塊由檢測(cè)模塊電路、控制模塊電路和單片機(jī)組成，檢測(cè)模塊電路是單片機(jī)與FDR土壤水分傳感器和CLZ-A壓力應(yīng)變式傳感器連接的電路，以及單片機(jī)與數(shù)碼管顯示模塊和上位機(jī)連接的電路；控制模塊電路是單片機(jī)與傳感器位置調(diào)節(jié)裝置上水平電機(jī)、豎直電機(jī)和行程開(kāi)關(guān)，以及土樣盛放裝置底部的步進(jìn)電機(jī)和行程開(kāi)關(guān)連接的電路，也包括單片機(jī)與按鍵之間的電路。

因本裝置檢測(cè)模塊電路、控制模塊電路與單片機(jī)相連需要較多的I/O接口，所以本文選用具有54路數(shù)字輸入/輸出口，16路模擬輸入Arduino mega 2560開(kāi)發(fā)板[28]作為檢測(cè)和控制核心板，該開(kāi)發(fā)板工作電壓為5 V直流電。

2.3.1 檢測(cè)模塊電路

本文選用的FDR土壤水分傳感器的工作電壓為5 V直流電，同時(shí)該傳感器內(nèi)部設(shè)有抗干擾的A/D轉(zhuǎn)換模塊，輸出信號(hào)為直流電壓信號(hào)，所以信號(hào)端直接連接在開(kāi)發(fā)板的模擬輸入接口上。CLZ-A壓力應(yīng)變式傳感器輸出的信號(hào)較弱，單片機(jī)接口不能直接識(shí)別，需要經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換和放大，本文選用 24位高精度稱(chēng)質(zhì)量傳感器模塊[29]HX711進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，HX711的電路圖如圖5 所示。該模塊的工作電壓為2.6～5.5 V。

圖5 HX711電路示意圖Fig.5 Schematic drawing of HX711 circuit

由于CLZ-A壓力應(yīng)變式傳感器輸入HX711 的電壓較?。s4 mV），容易受到電磁對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾，所以壓力應(yīng)變式傳感器與HX711之間的電路越短越好。同理，HX711與單片機(jī)之間的線路也不能太長(zhǎng)。由于壓力應(yīng)變式傳感器安裝在馬氏瓶底部，Arduino Mega 2560單片機(jī)安裝在傳感器位置調(diào)節(jié)裝置下部，兩個(gè)位置距離較遠(yuǎn)，且Arduino Mega 2560上連接的電路較多，所以為了避免電磁對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，本文選用Arduino Uno單片機(jī)單獨(dú)檢測(cè)壓力應(yīng)變式傳感器的值。

土壤水分傳感器和壓力應(yīng)變式傳感器檢測(cè)得到的值通過(guò)數(shù)碼管顯示模塊顯示，并通過(guò)串口發(fā)送至上位機(jī)軟件進(jìn)行顯示存儲(chǔ)。

2.3.2 控制模塊電路

本文傳感器位置調(diào)節(jié)裝置水平電機(jī)選用28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)的工作電壓為5 V，由ULN2003A電機(jī)驅(qū)動(dòng)器[22]提供脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器的脈沖由 Arduino Mega 2560單片機(jī)數(shù)字輸入/輸出接口提供。傳感器位置調(diào)節(jié)裝置豎直電機(jī)選用42BYGH47步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)工作電壓為12 V，相電流為1.5 A，土樣盛放裝置底部的電機(jī)選用力矩較大的 57BYG250B步進(jìn)電機(jī)，工作電壓為24 V，相電流為3.0 A。TB6600電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（最高工作電壓50 V）上設(shè)有M1、M2和M3 共3個(gè)細(xì)分來(lái)調(diào)整輸出脈沖的電壓和電流大小，電路板接口如圖 6所示。雖然上述 2種電機(jī)工作電壓和相電流不同，但通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)器上的細(xì)分就可以滿足，這2種電機(jī)均由TB6600驅(qū)動(dòng)器控制，其控制信號(hào)由Arduino Mega 2560單片機(jī)數(shù)字輸入/輸出接口提供。

圖6 TB6600驅(qū)動(dòng)板接口示意圖Fig.6 Diagram of TB6600 board interface

該裝置共有5個(gè)同型號(hào)的行程開(kāi)關(guān)，工作電壓為5 V，故行程開(kāi)關(guān)電源由Arduino Mega 2560開(kāi)發(fā)板提供，開(kāi)關(guān)開(kāi)閉信號(hào)直接輸入到數(shù)字輸入/輸出接口。

2.4 裝置供電分配

本裝置Arduino Mega 2560開(kāi)發(fā)板、Arduino Uno開(kāi)發(fā)板、FDR土壤水分傳感器、CLZ-A壓力應(yīng)變式傳感器、LXW5-11N1行程開(kāi)關(guān)、28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)、 ULN2003A電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的工作電壓均為5 V直流電，且Arduino Mega 2560開(kāi)發(fā)板上有若干5 V電源接口，所以將220 V的交流電通過(guò)變壓器轉(zhuǎn)換為 5 V的直流電，提供給 Arduino Mega 2560開(kāi)發(fā)板，就可以保證上述部件的正常運(yùn)行。42BYGH47步進(jìn)電機(jī)的工作電壓為12 V，57BYG250B步進(jìn)電機(jī)的工作電壓為24 V，所以分別選用220 V交流轉(zhuǎn)12 V直流變壓器和220 V交流轉(zhuǎn)24 V直流變壓器保證這2種電機(jī)的正常運(yùn)行。裝置的供電分配圖如圖7所示。

圖7 裝置供電分配圖Fig.7 Diagram of device power supply distribution

3 土柱入滲性能自動(dòng)檢測(cè)裝置軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本文利用LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)了上位機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示存儲(chǔ)界面，該界面如圖 8所示，界面的主要功能有：實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)入滲時(shí)間、串口接收到的累積入滲量和土壤含水率的數(shù)值，并通過(guò)接收到的土壤含水率變化，推算濕潤(rùn)鋒運(yùn)移至土壤水分傳感器檢測(cè)范圍最低和最高處的時(shí)刻，試驗(yàn)結(jié)束后，可用這 2個(gè)時(shí)間計(jì)算土柱入滲的入滲率。

圖8 上位機(jī)主界面Fig.8 Main interface of upper computer

3.2 底層軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制程序在Arduino 1.0.5軟件中用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，編譯后下載到Arduino Uno和Arduino Mega 2560單片機(jī)自帶的flash中，程序流程如圖9所示。本程序還編寫(xiě)了開(kāi)關(guān)機(jī)和調(diào)節(jié)相鄰傳感器出入孔間距的程序，通過(guò)按鍵控制裝置運(yùn)行與否，也可以通過(guò)按鍵來(lái)調(diào)節(jié)相鄰 2個(gè)傳感器檢測(cè)位置的間距，提高裝置的適用性。

圖9 程序流程圖Fig.9 Program flow chart

4 土柱入滲性能自動(dòng)檢測(cè)裝置性能測(cè)試

4.1 供試材料

試驗(yàn)土樣選用耕作過(guò)的昆明呈貢寶珠梨生產(chǎn)基地表層（0～200 mm深）土壤，其質(zhì)地為粉壤土，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.68%～1.15%,共取30 kg土樣，經(jīng)風(fēng)干、粉碎、過(guò)篩（孔徑l mm）、混勻，備用。采用烘干法在105 ℃下烘12 h，測(cè)定土樣的平均初始含水率為3.4%。

4.2 試驗(yàn)裝置

分別以容重為1.15、1.20和1.25 g/cm3分層（10 mm）裝填圓柱筒體土柱，裝土過(guò)程中用鎮(zhèn)壓裝置進(jìn)行鎮(zhèn)壓和平整，保證裝入土樣容重均勻一致。為了減小試驗(yàn)誤差，每個(gè)容重水平重復(fù) 3次。調(diào)節(jié)馬氏瓶的高度，使馬氏瓶供水頭高度相對(duì)于土樣表層的高度為10 mm，馬氏瓶通過(guò)乳膠管向土柱提供恒壓入滲水。試驗(yàn)開(kāi)始前，用止水夾夾持乳膠管。試驗(yàn)裝置如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)裝置圖Fig.10 Photo of detection device

土柱高度為190 mm，土壤水分傳感器檢測(cè)的范圍為圓柱體（高和底的直徑均為70 mm），每個(gè)入滲試驗(yàn)，檢測(cè)區(qū)域不重復(fù)，土壤水分傳感器可以檢測(cè)2個(gè)位置（本文設(shè)定為距土柱表面 35 mm的位置 1、距土柱表面120 mm的位置2）。

4.3 試驗(yàn)方法

裝置的性能通過(guò)以下4個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證：1）裝置的運(yùn)行性能測(cè)試，通過(guò)人工觀測(cè)入滲過(guò)程中FDR土壤水分傳感器和盛土圓柱筒體能否回到初始位置，同時(shí)觀測(cè)土壤水分傳感器能否順利進(jìn)出土柱的 2個(gè)檢測(cè)位置來(lái)驗(yàn)證；2）土壤水分檢測(cè)準(zhǔn)確性試驗(yàn)；3）驗(yàn)證檢測(cè)出濕潤(rùn)鋒位置準(zhǔn)確性；4）累積入滲量檢測(cè)準(zhǔn)確性試驗(yàn)。

4.3.1 裝置運(yùn)行試驗(yàn)

土壤水分傳感器和盛土圓柱筒體回到初始位置的成功率

式中Fc為FDR土壤水分傳感器和盛土圓柱筒體回到初始位置的成功率，%；P為FDR土壤水分傳感器和盛土圓柱筒體回到初始位置的成功次數(shù)；Q為土柱入滲試驗(yàn)的總次數(shù)。

土壤水分傳感器進(jìn)出土柱的成功率

式中Fh為土壤水分傳感器進(jìn)出土柱的成功率，%；N為土壤水分傳感器進(jìn)出土柱的成功次數(shù)；M為土壤水分傳感器進(jìn)出土柱的總次數(shù)。

4.3.2 土壤水分檢測(cè)準(zhǔn)確性試驗(yàn)

根據(jù)Green-Ampt 4個(gè)基本假設(shè)，土柱入滲過(guò)程中，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移通過(guò)土壤水分傳感器的檢測(cè)范圍時(shí)，認(rèn)為此范圍的土壤水分達(dá)到飽和，土壤水分傳感器開(kāi)始下一位置檢測(cè)。通過(guò)數(shù)碼管或上位機(jī)軟件查看該時(shí)刻傳感器檢測(cè)值，同時(shí)在傳感器所在高度，人工采集土樣，采用烘干法進(jìn)行測(cè)定其含水率，將土壤水分傳感器檢測(cè)得到的體積含水量轉(zhuǎn)換為含水率后進(jìn)行對(duì)比分析，獲得土壤水分含量檢測(cè)的準(zhǔn)確度。

4.3.3 濕潤(rùn)鋒位置準(zhǔn)確性檢測(cè)

由裝置原理部分可知，試驗(yàn)過(guò)程中，濕潤(rùn)鋒自上向下運(yùn)移，依次經(jīng)過(guò)檢測(cè)位置1和位置2。土壤水分傳感器檢測(cè)范圍的最高處和最低處的高度分別記為H0和H1。試驗(yàn)過(guò)程中，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移經(jīng)過(guò)這 2個(gè)位置，土壤水分傳感器檢測(cè)得到的值開(kāi)始增加和保持不變（變化率≤5%），所以根據(jù)土壤水分檢測(cè)結(jié)果推斷濕潤(rùn)鋒運(yùn)移至位置 H0 和H1的時(shí)刻，人工觀測(cè)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的真實(shí)位置，并將這個(gè)位置與高度H0和H1與進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證裝置檢測(cè)出濕潤(rùn)鋒位置的準(zhǔn)確性。

4.3.4 累積入滲量檢測(cè)準(zhǔn)確性試驗(yàn)

常規(guī)的入滲試驗(yàn)累積入滲量的檢測(cè)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的方法，試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，打開(kāi)供水開(kāi)關(guān)，人工觀測(cè)馬氏瓶水位的變化，記錄時(shí)間來(lái)計(jì)算累積入滲量，與裝置檢測(cè)得到的值進(jìn)行對(duì)比，得出裝置累積入滲量檢測(cè)的準(zhǔn)確度。供水開(kāi)始時(shí)，土柱表面與供水乳膠管中心的高度差為10 mm，馬氏瓶中的入滲水流入土柱表面速率較快，隨著土柱表面的入滲水頭逐漸增大到10 mm時(shí)，馬氏瓶中的入滲水流速降低，入滲過(guò)程開(kāi)始的1 min內(nèi)，每5 s觀測(cè)馬氏瓶水位，1 min后每10 s觀測(cè)馬氏瓶水位。

4.4 傳感器標(biāo)定

試驗(yàn)前先對(duì)FDR水分傳感器和CLZ-A壓力應(yīng)變式傳感器進(jìn)行標(biāo)定，并將標(biāo)定后的修訂值輸入到裝置檢測(cè)程序中。

根據(jù)《JJG 1036-2008電子天平檢定規(guī)程》的檢定要求[30]，對(duì)CLZ-A壓力應(yīng)變式傳感器進(jìn)行標(biāo)定，并對(duì)傳感器的重復(fù)性和示值誤差進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，得到最大絕對(duì)誤差為1.3 g，滿足試驗(yàn)的精度要求。

對(duì)FDR傳感器進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，不考慮溫度和容重對(duì)土壤水分傳感器測(cè)量精度的影響，將水和試驗(yàn)土樣配置成土壤含水率為5%、10%、20%、30%、40%、50%和60%的樣品，均勻攪拌后靜置12 h以上，將FDR土壤水分傳感器插入樣品中進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)量 5次，然后取平均值，采用數(shù)值分析中的拉格朗日插值算法計(jì)算得到關(guān)系式

式中Y為土壤含水率，%；x為傳感器檢測(cè)輸出的電壓，V。

參考滑動(dòng)均值濾波法[21]分別對(duì) 2種傳感器檢測(cè)得到的值進(jìn)行平滑濾波，分別在檢測(cè)程序中輸入傳感器標(biāo)定和平滑濾波相關(guān)公式校正檢測(cè)值。

4.5 結(jié)果與分析

4.5.1 裝置運(yùn)行結(jié)果

裝置運(yùn)行結(jié)果如表1所示。3個(gè)容重水平，3個(gè)重復(fù)試驗(yàn)共9個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，F(xiàn)DR土壤水分傳感器和盛土圓柱筒體回到初始位置的成功率Fc為100%。9個(gè)試驗(yàn)共18個(gè)檢測(cè)位置中，土壤水分傳感器進(jìn)出土柱的成功率為100%，說(shuō)明該裝置運(yùn)行可靠，能作為土柱入滲性能自動(dòng)檢測(cè)裝置。

4.5.2 土壤水分傳感器檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性

土壤水分傳感器檢測(cè)值轉(zhuǎn)換為質(zhì)量含水率后與烘干法測(cè)得的含水率比較見(jiàn)表2，由表可知，相對(duì)誤差最大為?4.4%，最小為?1.5%，滿足上述設(shè)定的土壤水分傳感器檢測(cè)值變化率≤5%的設(shè)定條件。從表中可以看出，除了容重為1.15 g/cm3的試驗(yàn)，其余試驗(yàn)傳感器檢測(cè)得到的值均小于采用烘干法測(cè)得值，這可能是由于土壤水分傳感器插入土柱過(guò)程中，由于盛土圓柱筒體有一定的厚度，導(dǎo)致傳感器探針沒(méi)有完全插入到土壤中，導(dǎo)致傳感器檢測(cè)得到的數(shù)值小于標(biāo)準(zhǔn)值。

4.5.3 濕潤(rùn)鋒位置準(zhǔn)確性測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)18個(gè)檢測(cè)位置中，裝置推算出的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移至傳感器檢測(cè)范圍最高處H0和最低處H1時(shí)距離土柱表面的距離，與同一時(shí)刻人工觀測(cè)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移位置距離土柱表面距離的比較如表2所示，表中以傳感器的檢測(cè)范圍直徑70 mm作為人工觀測(cè)的濕潤(rùn)鋒與裝置自動(dòng)檢測(cè)濕潤(rùn)鋒距離土柱表面距離的相對(duì)誤差的基準(zhǔn)，分別計(jì)算了檢測(cè)位置1和2處3次重復(fù)試驗(yàn)相對(duì)誤差的平均值，表中相對(duì)誤差的正負(fù)分別表示人工觀測(cè)位置位于裝置自動(dòng)檢測(cè)位置的上方和下方。由表2可知，裝置檢測(cè)得到的濕潤(rùn)鋒位置與人工實(shí)測(cè)的位置之間的高度相對(duì)誤差最大為?12.9%，最小為?4.2%，即2種測(cè)定方法測(cè)定的最大的高度差為9 mm，最小為3 mm，說(shuō)明該土壤水分傳感器能夠很好地根據(jù)水分含量的變化來(lái)推斷濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移位置。同時(shí)由表可知，人工觀測(cè)得到的濕潤(rùn)鋒位置均位于裝置自動(dòng)檢測(cè)得到的位置下方，這主要是由于設(shè)定土壤傳感器檢測(cè)值變化率≤5%為達(dá)到飽和含水率的時(shí)刻，造成傳感器判斷濕潤(rùn)鋒位置有一定的滯后性。

表2 土壤水分傳感器及土柱入滲性能自動(dòng)檢測(cè)裝置濕潤(rùn)鋒測(cè)量精度Table2 Accuracy of soil moisture sensor and wetting position measurements by automatic device for soil column infiltration capacity

4.5.4 累積入滲量檢測(cè)準(zhǔn)確性試驗(yàn)結(jié)果

壓力應(yīng)變式傳感器檢測(cè)得到的累積入滲量如圖 11 a所示。由圖11可知，3個(gè)容重水平，3個(gè)重復(fù)入滲試驗(yàn)中，在0～120 s時(shí)間段內(nèi)，3個(gè)容重水平的累積入滲量的增長(zhǎng)速率基本相等，在120 s以后，累積入滲量的增長(zhǎng)速率隨著容重增大而降低。如圖11 b所示，將檢測(cè)得到的累積入滲量與人工方法觀測(cè)到的數(shù)值進(jìn)行逐一對(duì)比，得到 3個(gè)容重水平容重從小到大的最大相對(duì)誤差分別為2.05%、2.27%和1.76%，3個(gè)容重水平（容重從小到大）的均方根誤差分別為0.62、0.65和0.59 g，最大為0.65 g。與人工方法相比，自動(dòng)檢測(cè)省去了記錄時(shí)間和計(jì)算累積入滲量的過(guò)程，提高了試驗(yàn)效率。

圖11 累積入滲量測(cè)定結(jié)果Fig.11 Results of cumulative infiltration measurements

5 結(jié) 論

本文以Atmega2560單片機(jī)為核心器件，基于 FDR土壤水分傳感器和CLZ-A壓力應(yīng)變式傳感器，研制了土柱入滲性能自動(dòng)檢測(cè)裝置。該裝置能夠檢測(cè)土柱入滲過(guò)程中土壤含水率的動(dòng)態(tài)變化和累積入滲量，并根據(jù)土壤含水率變化推斷濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移位置，檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)能夠通過(guò)上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)。

運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果表明，3個(gè)容重水平，3個(gè)重復(fù)試驗(yàn)中，共18個(gè)檢測(cè)位置，該裝置運(yùn)行穩(wěn)定，土壤水分傳感器進(jìn)出土柱的成功率為100%，土壤水分傳感器檢測(cè)土壤含水率與標(biāo)準(zhǔn)值的最大相對(duì)誤差為?4.4%，壓力應(yīng)變式傳感器檢測(cè)累積入滲量與實(shí)測(cè)值的最大相對(duì)誤差為2.27%，最大均方根誤差為0.65 g，裝置推算濕潤(rùn)鋒位置與實(shí)測(cè)位置的最大相對(duì)誤差為?12.8%，裝置檢測(cè)精度較高，可用作土柱入滲試驗(yàn)的平臺(tái)。

該裝置提高了試驗(yàn)的效率，降低了試驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)于不同類(lèi)型土壤的效果和不同指標(biāo)還有待繼續(xù)研究和開(kāi)發(fā)，以滿足不同的試驗(yàn)要求。

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Design and experiment of automatic detection device for soil column infiltration capacity

Jia Weibing, Yang Qiliang※, Li Jianian, Liu Xiaogang, Yang Jurui
(College of Modern Agricultural Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming650500,China)

In this research, a new automatic device was designed for the indoor soil column infiltration detection, which was mainly composed of a sensor position adjusting device, a soil sample laying device, a water supply device, a frequency domain reflectometry (FDR) soil moisture sensor, a CLZ-A pressure-strain type sensor, an Arduino mega 2560 development board, an Arduino UNO development board, a TB6600 byte rotor driver and upper desk software. The sensor position adjusting device was composed of the FDR soil moisture sensor, a 28BYJ-48 byte rotor, two 42BYGH47 byte rotors and four limit switches. The FDR soil moisture sensor was driven by 28BYGJ-48 byte rotor in the horizontal direction. The FDR soil moisture sensor was driven by 42BYGH47 byte rotor in the vertical direction. Two limit switches were fixed on both sides of the FDR soil moisture sensor in the horizontal direction. The other limit switch was fixed on both sides of the FDR soil moisture sensor in the vertical direction. The soil sample laying device was a cylinder with holes made of acrylic materials. The probe of FDR soil water moisture sensor could go in or out of the holes. The cylinder was driven by a 57BYG250B byte rotor until the soil moisture sensor probe could go in or go out from the holes in the cylinder. The water supply device was composed of a Markov bottle, a CLZ-A pressure-strain type sensors and a support board. The CLZ-A pressure-strain type sensor was placed in the bottom of Markov bottle. The signal of the CLZ-A pressure-strain type sensor was transformed into digital signal by HX711 24 bit A/D transfer, and then the digital signal was inputted into Arduino UNO interface. FDR soil moisture sensors could give digital signal, which was inputted into Ardunio mega 2560 interface. The 28BYJ-48 byte rotor was controlled by the ULN2003 byte rotor driver, and the 42BYGH 47 byte rotor and 57BYG250B byte rotor were controlled by the TB6600 byte rotor driver. Both ULN2003 byte rotor driver and TB6600 byte rotor driver

control signal that came from Arduino mega 2560 single-chip. The area of FDR soil water moisture sensor was on the surface of a cylinder. When the FDR soil moisture was driven into the soil column in the horizontal direction, there was a one-to-one correspondence between response of FDR soil moisture sensor and water content of the soil column. For this reason, with the infiltration continued, the wetting front moved downward and the detection device obtained the change of soil moisture. According to the 4 basic assumptions of Green-Ampt, when the wetting front had arrived the highest position of area that soil moisture sensor detected, the value of sensor would become bigger until the wetting front had reached the lowest position. When the value change was less than or equaled to 5%, the sensor position adjusting device would adjust the FDR soil moisture sensor position and the next position would be detected. Main interface of upper desk had been designed using the LabVIEW software. To evaluate the device’s measuring accuracy, the FDR soil moisture sensor had detected a series of soil samples with different bulk densities (1.15, 1.20, and 1.25 g/cm3). Each soil sample was tested 3 times and the infiltration water head was 10 mm. The response of FDR soil moisture sensor was measured by the device. The results showed that the sensor position adjusting device and soil sample container all could return to the initial position successfully. The success rate of the sensor returning to the initial position and in or out of the soil column was 100%, indicating the reliability of the device for automatic detection. Compared with the soil moisture determined by the oven-drying method, the sensor measurement results had the maximum relative error of -4.4%, suggesting the reliability of soil moisture detection by the sensor. Compared with the wetting front obtained by the labor method, the maximum and the minimum relative distance measurement error of the wetting front position were -12.9% and -4.2%. The maximum relative error for the artificially measured and automatically detected cumulative infiltration was only 2.27% and the maximum root mean square error was 0.65 g. Those results demonstrated that the device developed could be used as the reliable soil column infiltration automatic test platform.

infiltration; soils; water content; soil column; wetting front; automatic detection; device design

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.012

S152.7+2

A

1002-6819(2017)-07-0091-09

2016-08-31

2017-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金（51379004、51009073）；云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究面上項(xiàng)目（2013FB024）；昆明理工大學(xué)學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技創(chuàng)新基金課題項(xiàng)目（2015YB060）

賈維兵，男，甘肅天水人，主要從事農(nóng)業(yè)智能化檢測(cè)與控制技術(shù)研究。昆明 昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，650500。

Email：jwb1510843575@126.com

※通信作者：楊啟良，男，甘肅通渭人，博士，教授，主要從事高新技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用研究。昆明 昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，650500。

Email：yangqilianglovena@163.com