高志濤 田 昊 趙燕東

(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)

土壤剖面水分線性尺度測(cè)量方法

高志濤1,2田 昊1,2趙燕東1,2

(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)

針對(duì)現(xiàn)有土壤水分點(diǎn)尺度下測(cè)量的局限性，提出了一種線性尺度下的土壤剖面水分測(cè)量方法，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)仿真軟件與網(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)形探頭適應(yīng)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)量值進(jìn)行了多項(xiàng)式擬合，決定系數(shù)均達(dá)到了0.99以上，傳感器的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)性能均能滿足土壤剖面水分的測(cè)量要求。通過多層水分土柱穿層試驗(yàn)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)量需求，具有較高的測(cè)量精度與穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)的土壤剖面水分線性測(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。

土壤水分； 線性尺度； 實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)

引言

土壤含水率對(duì)植物生長(zhǎng)與農(nóng)作物產(chǎn)量起到關(guān)鍵性作用[1]。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[2-3]。因埋入傳感器的單點(diǎn)測(cè)量空間僅局限于立方分米數(shù)量級(jí)上[4-7]，所以在檢測(cè)過程中，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)量系統(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)行更換過程中引入的誤差，對(duì)優(yōu)化灌溉決策也是不能忽略的[8-9]。

國內(nèi)外相關(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[10-12]，比較典型的產(chǎn)品有澳大利亞Sentek公司的Diviner 2000型土壤水分廓線儀。因其采用非接觸測(cè)量技術(shù)且測(cè)量過程中只使用一個(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)過程中需要手動(dòng)測(cè)量，且采樣間距過長(zhǎng)(10 cm)，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。

基于對(duì)常規(guī)土壤水分測(cè)量方法[13-19]的比較，本文探討采用駐波法(SWR)測(cè)量土壤剖面水分的可行性，通過對(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)量系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)述

設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(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)量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Configuration of measurement system1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 2.繞線導(dǎo)輪 3.導(dǎo)電滑環(huán) 4.數(shù)據(jù)采集器 5.水分傳感器 6.配重塊 7.防水堵頭 8.PVC套筒探頭 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(管長(zhǎng)170 cm、外徑5.6 cm、壁厚0.2 cm)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套管長(zhǎng)度決定插入深度。土壤水分傳感器探頭通過線纜牽引至PVC管體內(nèi)，讓其在步進(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下配合步進(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，繞線導(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)[20]。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(3～5)的介電常數(shù)。所以當(dāng)土壤含水率發(fā)生變化后，會(huì)導(dǎo)致土壤介電常數(shù)的變化。因此通過測(cè)量土壤介電常數(shù)就可間接測(cè)量出土壤含水率。

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5 cm、厚0.1 cm、高1.5 cm)、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。采樣過程中高頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生100 MHz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.2 Soil moisture sensor1.牽引線纜 2.防水端子 3.PVC殼體 4.環(huán)形電極 5.配重塊

可以認(rèn)為水分傳感器環(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

(1)

式中Zp——探頭的阻抗w——傳感器的測(cè)試角頻率Cs——探頭感應(yīng)電容g——與形狀尺寸有關(guān)的常數(shù)εr——探頭周圍填充介質(zhì)的介電常數(shù)ε0——真空中的介電常數(shù)

本文采用駐波比法[21-22]，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，通過檢測(cè)傳輸線兩端駐波引起的電壓差來獲取傳感器探頭阻抗，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[23]可求得傳感器探頭阻抗，即

(2)

式中 ΔU——傳輸線兩端電勢(shì)差A(yù)——高頻信號(hào)發(fā)生器的振蕩幅值ZI——傳輸線阻抗

因?yàn)橥寥赖慕殡姵?shù)εr=ε′-jε″是一個(gè)復(fù)合變量，根據(jù)目前的研究結(jié)果，當(dāng)測(cè)試頻率足夠大(大于30 MHz)、土壤浸出液電導(dǎo)率很低的情況下，可以忽略介電常數(shù)虛部ε″對(duì)土壤介電常數(shù)的影響[24]。

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測(cè)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)輸入信號(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)換單元將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流信號(hào)進(jìn)行傳輸。

圖3 系統(tǒng)原理框圖Fig.3 Schematic diagram of measurement system

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STM32F103RBT6型單片機(jī)作為主控制器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元根據(jù)設(shè)定的時(shí)間定時(shí)喚醒單片機(jī)進(jìn)行土壤水分采集工作。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)單元在單片機(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)量。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，傳感器探頭以5 cm步長(zhǎng)行進(jìn)，步間停200 ms，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AD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)間信息通過讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元獲得，位置信息通過線性位移傳感器獲得。

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)度分布情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)量范圍的一個(gè)重要依據(jù)。本文利用HFSS高頻電磁場(chǎng)仿真軟件建立傳感器探頭的物理模型，按照真實(shí)情況模擬傳感器的工作環(huán)境對(duì)傳感器工作時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布狀況進(jìn)行仿真分析。模型采用集總端口的激勵(lì)方式，激勵(lì)頻率為100 MHz，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)為空氣，其介電常數(shù)為1，設(shè)定直徑為12 cm、高13 cm的圓柱形測(cè)試土體包圍PVC管體，其介電常數(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。

圖4 環(huán)形探頭電場(chǎng)分布側(cè)視圖與俯視圖Fig.4 Lateral view and plan view of electrical field distribution of a ring probe

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，并沒有出現(xiàn)分離現(xiàn)象。所以該探頭能夠滿足土壤水分測(cè)量的要求。值得注意的是由于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。為減小電磁干擾對(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)行金屬外殼屏蔽。

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)量中的阻抗特性，利用網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀(天津德力電子儀器公司NA7300型、50 Ω、掃描頻率300 kHz～3 000 MHz、頻率分辨率為10 Hz)分別獲取環(huán)形探頭在100 MHz頻率下的阻抗。測(cè)量方法采用反射法,試驗(yàn)環(huán)境溫度為20℃。試驗(yàn)土樣為2種不同質(zhì)地的土壤：粘壤土與砂土，其成分構(gòu)成如表1所示。土壤從田間取回后首先自然風(fēng)干過篩(孔徑0.4 mm)，然后利用干燥箱(105℃、24 h)干燥。計(jì)算不同梯度含水率土壤所需水分，按照1.6 g/cm3的土壤容重均勻裝入7個(gè)高20 cm、直徑30 cm，中心固定有高20 cm、直徑5.6 cm的PVC管的PVC測(cè)試桶中。使用保鮮膜密封靜置48 h，使水分充分運(yùn)移。利用體積為100 cm3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.1 Textural composition of soil samples %

土壤類型成分構(gòu)成砂粒粉粒粘粒粘壤土117118砂土 9235

試驗(yàn)土壤制備完成后，使用SMA連接頭將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試電纜與環(huán)形探頭相連，矢量網(wǎng)絡(luò)分

圖5 環(huán)形探頭阻抗測(cè)試圖Fig.5 Diagram of ring probe impedance test1.PVC測(cè)試管 2.環(huán)形探頭 3.PVC測(cè)試桶 4.網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀 5.同軸線纜

析儀開機(jī)1 h后利用開路、短路與50 Ω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100 MHz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。

圖6 土壤含水率對(duì)環(huán)形探頭阻抗的影響Fig.6 Influence of soil moisture content on ring probe impedance

由圖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)(R2)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)下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)過程中采樣步長(zhǎng)的重要依據(jù)。本文借助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)量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，并置于PVC管體中，探頭中心區(qū)域距離土體上表面10 cm，以1 cm為步長(zhǎng)將傳感器探頭向上拖動(dòng)，記錄100 MHz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。

圖7 傳感器在粘壤土中敏感區(qū)域的試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental results of sensor located in sensitive area of clay loam

圖8 傳感器在砂土中敏感區(qū)域的試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experimental results of sensor located in sensitive area of sandy soil

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-2.5～2.5 cm范圍內(nèi)隨著距離的增加單調(diào)減小，傳感器的測(cè)量范圍為0～5 cm，所以傳感器在線性移動(dòng)測(cè)量過程中，其采樣步長(zhǎng)應(yīng)設(shè)置為5 cm，以實(shí)現(xiàn)土壤剖面的線性掃描測(cè)量。

5 試驗(yàn)

5.1 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)

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%、18.9%、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)量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=-0.280 87x2+32.130 1x+141.623，砂土的多項(xiàng)式擬合模型為y=-0.284 09x2+27.685 4x+106.637 2。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)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)R2分別達(dá)到0.997 4(粘壤土)與0.991 7(砂土)，均方根誤差RMSE分別達(dá)到12.257 mV(粘壤土)與19.024 mV(砂土)。由此可以說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)傳感器的輸出具有一定影響，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)量。

表2 十折交叉驗(yàn)證

5.1.2 傳感器精度標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果分析

選取粘壤性土壤樣本6份，依據(jù)4.2節(jié)方法對(duì)土壤樣本進(jìn)行處理，配置成6個(gè)含水率梯度。通過干燥法測(cè)量6個(gè)梯度含水率分別為6.5%、12.4%、16.8%、21.6%、26.8%與35.6%。將本文設(shè)計(jì)的傳感器插入土壤樣本中進(jìn)行測(cè)量，每種樣本測(cè)量3次，取平均值作為此次傳感器的測(cè)量結(jié)果。傳感器的測(cè)量結(jié)果與干燥法所得的實(shí)際含水率對(duì)比如圖10所示。

圖10 傳感器的測(cè)量結(jié)果與實(shí)際體積含水率比較Fig.10 Comparison of volumetric soil water content between sensor results and actual values

由圖10可以看出，傳感器所測(cè)量的含水率與干燥法測(cè)量結(jié)果基本吻合，其決定系數(shù)R2達(dá)到0.997 7，均方根誤差RMSE為0.224 2 cm3/cm3，說明傳感器具有較高的測(cè)量精度。

5.1.3 傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能試驗(yàn)

作為傳感器線性移動(dòng)測(cè)量所關(guān)注的重要指標(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，其決定了傳感器測(cè)量停留時(shí)間。試驗(yàn)設(shè)備為中間固定PVC管的測(cè)試筒。將傳感器置于PVC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變所需要的時(shí)間為53 ms，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。傳感器在進(jìn)行移動(dòng)測(cè)量時(shí)其在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)至少停留53 ms，才能保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

5.2 多層水分土壤穿層試驗(yàn)分析

5.2.1 對(duì)比試驗(yàn)與結(jié)果分析

為分析本文設(shè)計(jì)的土壤剖面水分實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)與國外同類土壤水分線性測(cè)量產(chǎn)品性能的差距，本文設(shè)計(jì)了性能對(duì)比試驗(yàn)。對(duì)比產(chǎn)品為澳大利亞Sentenk公司的Diviner 2000型便攜式土壤水分速測(cè)儀，其土壤層間測(cè)量間隔為10 cm，測(cè)量精度為±1%。

試驗(yàn)土壤為粘壤土，按照4.2節(jié)的試驗(yàn)步驟配置成體積含水率為5.5%、15.5%與30.4% 3個(gè)梯度的土壤樣品。將配置好的3種土壤樣品依次裝入高35 cm、直徑30 cm，中心固定有高60 cm、直徑5.6 cm PVC管的PVC測(cè)試桶中，分層等體積壓實(shí)，層間用1.5 mm厚的PVC圓板隔斷，以防止層間水分交互，靜置48 h。裝入的每層土壤高度為10 cm，最終試驗(yàn)土柱由3個(gè)水分層構(gòu)成。分別利用Diviner 2000型便攜式土壤水分速測(cè)儀與本文設(shè)計(jì)的土壤剖面水分實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)3層土壤樣本進(jìn)行掃描測(cè)量，其中采樣間隔為30 min，采樣步長(zhǎng)為10 cm。以土體上表面作為參考原點(diǎn)，最終獲得12 h的測(cè)量結(jié)果如圖12所示。

圖12 傳感器對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Contrast results of moisture sensor

由圖12可以看出，對(duì)比的2種設(shè)備均能精確地測(cè)量3層土壤中的含水率，與干燥后的含水率比較，自制系統(tǒng)的體積含水率的絕對(duì)誤差為-0.4%～0.4%，Diviner 2000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

比老巴更開心的是阿里。因?yàn)榘|早上會(huì)跟著他和羅爹爹一起去東湖。他坐在阿里的身邊，靜靜地聽他播放哀樂。旋律在水波上滑行，一直滑得很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)，遠(yuǎn)到他們眼界之外。阿里每次聽完后都會(huì)說：“這是姆媽的聲音?！?/p>

圖13 多層水分土柱穿層試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.13 Experiment site of multi-layer moisture through soil column1.線性剖面?zhèn)鞲衅鳈C(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu) 2.PVC測(cè)試管 3.12 V鉛酸電池 4.采集器 5.裝有土壤樣本的PVC筒 6.土壤水分傳感器

為進(jìn)一步驗(yàn)證土壤剖面水分線性測(cè)量系統(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5 cm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%、25.2%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5 cm，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30 min，采樣步長(zhǎng)為5 cm。以土體上表面作為參考原點(diǎn)，最終獲得12 h試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。

圖14 多層水分土柱穿層試驗(yàn)結(jié)果Fig.14 Experiment result of multi-layer moisture through soil column

由圖14可以看出，該系統(tǒng)能夠精確測(cè)量0～5 cm范圍內(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)行并沒有出現(xiàn)測(cè)量水分?jǐn)?shù)值的較大偏移，此結(jié)果說明傳感器在移動(dòng)測(cè)量過程中不存在位移測(cè)量的累計(jì)誤差。因此說明傳感器能夠有效檢測(cè)傳感器中心縱向區(qū)域內(nèi)0～5 cm范圍內(nèi)的土壤水分變化，該現(xiàn)象也進(jìn)一步驗(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，且具有較高的測(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)量方法，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5 cm。

(3)設(shè)計(jì)了傳感器的性能分析試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果可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)量的要求。

(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)的土壤剖面水分實(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。

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Linear Scale Measurement Method for Soil Profile Moisture

GAO Zhitao1,2TIAN Hao1,2ZHAO Yandong1,2

(1.SchoolofTechnology,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China2.BeijingLaboratoryofUrbanandRuralEcologicalEnvironment,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

Pointing at the main problems existing in the utilization of point scale in soil moisture measurement, a linear scale measurement method was put forward and a sensor system of soil profile moisture information measurement was designed based on standing wave ratio method. With the help of a high frequency electromagnetic field simulation software HFSS and vector network analyzer, electric field distribution and impedance characteristics of sensor ring probe were analyzed and studied to determine the adaptation and sensitive areas of the ring probe. Two kinds of soil in different textures were taken as experimental samples, the output and the corresponding measured value of soil moisture sensors were executed polynomial fitting, and the results showed that the determination coefficient was above 0.99 and the steady and dynamic performances of sensors could satisfy the requirement of soil profile moisture measurement. The experiments of multi-layer moisture through the soil column showed the system could meet the soil profile moisture real-time measurements demand in linear scale and it had high measurement precision and stability. Meanwhile, the system was satisfied with needs of practical application and it had high application promotion value.

soil moisture; linear scale; real-time measurement system

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.04.033

2016-07-22

2016-09-28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31371537)、北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目(Z116100000916012)和北京市共建項(xiàng)目專項(xiàng)

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: e228319@163.com

趙燕東(1965—)，女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事生態(tài)信息智能檢測(cè)與控制研究，E-mail: yandongzh@bjfu.edu.cn

S237

A

1000-1298(2017)04-0257-08