彭星碩　李若冰　李海鵬

摘 要：目前對(duì)FDR土壤水分傳感器在高介電值下失真現(xiàn)象究較少。本實(shí)驗(yàn)對(duì)不同介電值（6～60）的液體和不同體積含水量（5%～35%）的仿真土壤和真實(shí)土壤進(jìn)行測(cè)試。并通過(guò)MATLAB軟件對(duì)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)進(jìn)行二階曲線擬合處理，發(fā)現(xiàn)傳感器在在不同介電常數(shù)下和土壤下表現(xiàn)出不同的特性。本研究對(duì)相關(guān)部門測(cè)試選取該類型傳傳感器以及傳感器元件改進(jìn)方面具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化；FDR傳感器；土壤水分；失真；準(zhǔn)確性

中圖分類號(hào)：S24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170632059

土壤是陸基生物最基本的載體。如今測(cè)量土壤含水量的方法有很多種，如烘干法，張力計(jì)法，電阻法，中子法，時(shí)域反射法，頻域反射法等。其中頻域分解（Frequency Domain Reflectometry，F(xiàn)DR）土壤水分傳感器具有測(cè)量快速，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，不破壞土壤，不污染環(huán)境，測(cè)量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)[1]。多年來(lái)，科研工作者致力于土壤介電特性和FDR土壤水分傳感器結(jié)構(gòu)的研究，通過(guò)建立三維數(shù)學(xué)模型對(duì)FDR土壤水分傳感器進(jìn)行校正補(bǔ)償，解決了溫度，電導(dǎo)率，土壤質(zhì)地，容重等對(duì)FDR土壤水分傳感器精度的影響。以及對(duì)FDR土壤水分傳感器的頻率以及探頭長(zhǎng)度進(jìn)行對(duì)比分析，提高了傳感器的精度。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料制備

介電容液具有成分單一，易于配制，可與傳感器緊密連接的優(yōu)點(diǎn)。因此為了研究FDR土壤水分傳感器在不同介電常數(shù)下的性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)選用介電常數(shù)溶液作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，介電容液由乙酸乙酯（6.02，25℃），乙醇（24.55，25℃），去離子水（78.36，25℃），三種液體配制而成，共22組。每種介電常數(shù)配置500mL，裝入廣口瓶封存。

為了避免土壤中鹽分，有機(jī)物等外界因素影響實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)采用有石英粉配成的仿真土壤進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)土壤分類標(biāo)準(zhǔn)，采用沙粒級(jí)石英粉（80目），粉粒級(jí)石英粉（800目），粘粒級(jí)石英粉（5000目）進(jìn)行不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的配比配制仿真土壤。配制比例見(jiàn)表1，將石英砂配置完畢后，用攪拌機(jī)攪拌均勻，裝入保鮮袋封存。試驗(yàn)用土壤樣品來(lái)源于陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院的試驗(yàn)田。土壤類型為陜西省中部地區(qū)的塿土。在自然條件下晾曬后，剔除其中的石子、雜草等雜質(zhì)，用粉碎機(jī)磨成粉，用 80目（孔徑 0.2 mm）的篩子過(guò)篩，以粒徑小于0.2 mm的土壤為試驗(yàn)對(duì)象。將實(shí)驗(yàn)用土放入烘箱中烘干至恒重，稱取 11份 土壤樣品。在已知初始含水率和土壤樣品質(zhì)量的情況下計(jì)算出所需添加的去離子水，用以配制不同含水率的土壤樣品。配置時(shí)將去離子水分幾次噴入，并用攪拌機(jī)攪拌均勻，將配置好的土樣放入20號(hào)自封袋密封，靜置24h后裝入PVC管（直徑70mm，高100mm）中，并用自動(dòng)壓力器壓到標(biāo)準(zhǔn)體積。最終實(shí)際含水量用烘干法校準(zhǔn)，結(jié)果為仿真土壤：4.91%、7.93%、10.98%、13.55%、16.89%、19.74%、22.99%、 26.46%、28.56%、31.83%、34.64%。真實(shí)土壤：4.92%、8.26%、10.87%、13.51%、17.00%、20.50%、23.22% 25.71%、28.92%、31.71%、35.21%。

1.2 FDR水分土壤傳感器

本實(shí)驗(yàn)以Decagon devices公司生產(chǎn)的ECH2O EC-5型，及配套數(shù)采。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

將防腐蝕漆在傳感器探頭以外部分均勻涂抹，防止有機(jī)試劑乙酸乙酯將其溶解。把待測(cè)介電溶液置于25℃的電子恒溫箱中，將傳感器垂直插入介電溶液中，并將FDR傳感器探頭完全置于介電溶液中。帶數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，用數(shù)據(jù)采集器每1min采集1次輸出電壓信號(hào)，每種介電溶液記錄20組電壓信號(hào)，取平均值。

將FDR土壤水分傳感器探頭垂直完全插入待測(cè)仿真土壤的容器中間部分，用力均勻，做到傳感器探頭和仿真土壤之間沒(méi)有空隙，待傳感器示數(shù)穩(wěn)定時(shí)，每隔1min取1次數(shù)據(jù)，每組不同含水量的仿真土壤土壤記錄20組數(shù)據(jù)，取平均值。

真實(shí)土壤的測(cè)量步驟如仿真土壤。

2 結(jié)果與分析

2.1 關(guān)于高介電值失真對(duì)傳感器準(zhǔn)確性影響

圖1、圖2是在25℃條件下，土壤傳感器在低介電值（6～30）時(shí)和高介電值（30～60）以及圖3全域介電值（6～60）時(shí)，進(jìn)行二次曲線擬合的輸入輸出特性曲線。對(duì)比傳感器對(duì)不同范圍介電值的擬合優(yōu)度相關(guān)系數(shù)R?，低介電值下相關(guān)系數(shù)為0.9933，高介電值下相關(guān)系數(shù)在0.9351。傳感器在全域介電常數(shù)值下，擬合相關(guān)系數(shù)為0.9774。低介電常數(shù)（常見(jiàn)土壤含水量）下的傳感器擬合優(yōu)度很高，高介電值下傳感器擬合優(yōu)度低，部分傳感器表現(xiàn)出明顯的失真現(xiàn)象。在全域介電值下傳感器輸入輸出特性曲線表現(xiàn)出明顯滿足二次函數(shù)曲線。

2.2 關(guān)于仿真土壤和真實(shí)土壤二階擬合曲線相似程度

本實(shí)驗(yàn)將用傳感器測(cè)量相同含水量的仿真土壤與真實(shí)土壤，并對(duì)輸出進(jìn)行對(duì)比，輸出電壓的差值越小說(shuō)明傳感器受土壤成分影響越小。圖4表示的是傳感器在同一含水量區(qū)間（5%～35%）仿真土壤和真實(shí)土壤的輸出特性曲線。傳感器對(duì)仿真土壤和真實(shí)土壤的擬合優(yōu)度相關(guān)系數(shù)分別為0.9873和0.9853，用于測(cè)量的實(shí)驗(yàn)材料為實(shí)驗(yàn)室配制，每組實(shí)驗(yàn)材料成分一致。而實(shí)際生產(chǎn)中的土壤，成分復(fù)雜，除了了含有SiO2，Al2O3，蒙脫石等無(wú)機(jī)成分以外，還含有各種有機(jī)質(zhì)。

3 結(jié)論

傳感器在低介電值下輸入輸出擬合優(yōu)度相關(guān)系數(shù)較大，高介電值下擬合優(yōu)度相關(guān)系數(shù)較低，全域介電值下擬合優(yōu)度相關(guān)系數(shù)居中，表現(xiàn)出明顯的二次曲線。高介電值部分靈敏度（du/dt）偏小，F(xiàn)DR土壤傳感器屬于高頻電路，無(wú)法在較低的靈敏度下保持傳感器的準(zhǔn)確性。輸出響應(yīng)變化較h，會(huì)導(dǎo)致絕對(duì)誤差增大，甚至?xí)霈F(xiàn)失真現(xiàn)象。

針對(duì)土壤中除水和空氣外其他因素對(duì)傳感器準(zhǔn)確性的干擾，通過(guò)對(duì)比傳感器對(duì)仿真土壤和真實(shí)土壤的響應(yīng)值，發(fā)現(xiàn)傳感器受外界因素影響很大，這是制約傳感器準(zhǔn)確性重要原因。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇志誠(chéng)，張立禎，丁留謙，等.四種新型土壤墑情傳感器的對(duì)比分析[J].水文，2014（4）：55-60.