閆 華 邢 振 薛緒掌 王利春

(1.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097； 2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097)

土壤剖面水分傳感器探頭仿真與試驗(yàn)

閆 華1,2邢 振1,2薛緒掌1,2王利春1,2

(1.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097； 2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097)

為準(zhǔn)確掌握土壤墑情信息，針對(duì)農(nóng)田環(huán)境下不同作物根區(qū)土壤含水率變化難以實(shí)時(shí)觀測(cè)的問題，對(duì)土壤剖面水分傳感器探頭進(jìn)行了仿真，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證，給出了傳感器探頭設(shè)計(jì)尺寸的優(yōu)選方案。在建立傳感器探頭微量化平面電容二維模型的基礎(chǔ)上，分析了傳感器探頭結(jié)構(gòu)變化對(duì)探頭微量化平面電容周圍電場(chǎng)強(qiáng)度和電容變化的影響，確定了探頭結(jié)構(gòu)尺寸的最優(yōu)組合。當(dāng)探頭銅環(huán)電極外徑40 mm、內(nèi)徑38.4 mm、軸向長(zhǎng)度20 mm、軸向間距15 mm時(shí)，探頭的靈敏性和探測(cè)范圍最優(yōu)。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文研究的土壤剖面水分傳感器測(cè)量精度為±1.42%，具有很高的穩(wěn)定性和一致性。所設(shè)計(jì)的傳感器探頭可以根據(jù)實(shí)際測(cè)量深度需要任意組合，滿足不同作物根區(qū)深度的土壤含水率測(cè)量需求。

土壤； 水分傳感器； 探頭； 剖面； 仿真； 試驗(yàn)

引言

實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地掌握農(nóng)田土壤水分信息，對(duì)研究土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律、作物生理水分脅迫規(guī)律、實(shí)施節(jié)水灌溉、發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)具有重要意義[1-2]。 測(cè)量土壤水分的方法有烘干法、張力計(jì)法、微波法、中子法、紅外遙感法、電阻法[3-4]以及介電法等多種方法。由于基于介電理論[5-9]的測(cè)量方法具有測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、方便布設(shè)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用比較廣泛。隨著精細(xì)化農(nóng)業(yè)的推廣應(yīng)用，如研究土壤中水分的遷移過程[10-11]，了解作物根系區(qū)域水分吸收規(guī)律[12]，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不同深度土壤水分入滲的梯度變化等，都需要測(cè)量土壤剖面的水分變化。目前，應(yīng)用最為廣泛的土壤水分傳感器以探針式為主，探針長(zhǎng)度通常在30 cm以內(nèi)，主要用于測(cè)量表層土壤水分或單個(gè)測(cè)量點(diǎn)。若要進(jìn)行土壤剖面水分的測(cè)量，通常采用的方法是在一個(gè)剖面的不同深度插入傳感器，這樣做不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力、破壞土壤的質(zhì)地結(jié)構(gòu)，而且由于傳感器的差異性還會(huì)帶來測(cè)量精度的問題。針對(duì)土壤剖面水分測(cè)量問題[13-14]，國(guó)外已經(jīng)做了大量的研究工作，而我國(guó)近幾年雖然有相關(guān)研究，但大多數(shù)仍處于研究探討階段。

為此，本文在分析高頻電磁邊緣場(chǎng)效應(yīng)原理[15-17]的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)土壤剖面水分傳感器探頭，提出傳感器探頭結(jié)構(gòu)的二維模型和設(shè)計(jì)參數(shù)，并采用有限元法分析傳感器探頭的電場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)能量的分布規(guī)律，綜合考慮實(shí)際應(yīng)用情況和仿真結(jié)果，通過對(duì)傳感器的精度、穩(wěn)定性和一致性進(jìn)行試驗(yàn)分析，給出傳感器探頭設(shè)計(jì)尺寸的優(yōu)選方案。

1 材料與方法

1.1 測(cè)量原理

土壤是由固、液、氣三態(tài)構(gòu)成的多孔介質(zhì)，水的相對(duì)介電常數(shù)為81，固體土壤介電常數(shù)為3～5，而空氣相對(duì)介電常數(shù)為1。因此,可以利用水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于土壤中其他物質(zhì)的介電常數(shù)這一特性間接測(cè)量土壤含水率。

傳感器的測(cè)量機(jī)理是基于高頻電磁的邊緣場(chǎng)效應(yīng)，傳感器探頭的2個(gè)敏感電極之間被施加的高頻電場(chǎng)能量足夠高時(shí)，電極間電場(chǎng)的耦合強(qiáng)度與土壤含水率顯著相關(guān)，此時(shí)，環(huán)狀傳感電極構(gòu)成一個(gè)可變的等效電容器，周圍土壤充當(dāng)電介質(zhì)，將這個(gè)可變電容器作為高頻振蕩器外接并聯(lián)LC諧振回路的組成部分(圖1)，當(dāng)土壤含水率發(fā)生變化時(shí)，土壤所表征的相對(duì)介電常數(shù)發(fā)生變化，引起傳感器探頭感知的等效電容的變化，進(jìn)而引起振蕩電路頻率的變化，因此，可通過測(cè)量高頻振蕩器的輸出頻率間接測(cè)得土壤含水率。

圖1 傳感器探頭測(cè)量原理圖Fig.1 Measurement principle diagram of sensor probe

如圖1所示，高頻振蕩電路的輸出頻率為

(1)

式中L0——振蕩電路的電感

C0——匹配電容

CP——電路的寄生電容

CS——探頭感知的土壤等效電容

傳感器探頭感知的土壤等效電容的容量與探頭周圍的土壤及探頭本身的寄生電容有關(guān)，關(guān)系為

CS=kε

(2)

式中ε——土壤相對(duì)介電常數(shù)

k——系數(shù)，與探頭的結(jié)構(gòu)(電極面積、電極間距)及輻射到土壤中的電磁場(chǎng)的形狀及場(chǎng)強(qiáng)有關(guān)

ε=AF-2+B

(3)

式中A、B——與探頭結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)

因此，確定了探頭的尺寸，土壤的介電常數(shù)僅僅與傳感器的輸出頻率有關(guān)。根據(jù)TOPP方程[17]θV=-5.3×10-2+2.92×10-2ε-5.5×10-4ε2+4.3×10-6ε3便可以計(jì)算出土壤含水率。

1.2 傳感器結(jié)構(gòu)

基于高頻電容測(cè)量原理的土壤剖面水分傳感器的整體結(jié)構(gòu)包括探頭、探體和防護(hù)套3部分，如圖2所示。探體可以根據(jù)實(shí)際的測(cè)量深度需求，通過探頭組裝而成。探頭與探頭之間的物理連接通過內(nèi)外螺紋，電氣連接通過觸點(diǎn)。防護(hù)套材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)的PVC，防護(hù)等級(jí)為IP68。在需要測(cè)量土壤含水率時(shí)，預(yù)先把傳感器防護(hù)套埋設(shè)在待測(cè)位置，然后把探體放置于防護(hù)套筒內(nèi)部即可。

圖2 傳感器整體結(jié)構(gòu)Fig.2 Sensor structure

1.3 傳感器硬件電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的傳感器硬件主要由若干傳感器探頭、數(shù)據(jù)采集及處理模塊等組成，傳感器硬件總體框圖如圖3所示。傳感器探頭將土壤含水率轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)；數(shù)據(jù)采集及處理模塊包括MCU、信號(hào)調(diào)理電路、電源模塊、存儲(chǔ)模塊、通信模塊。電源模塊采用鋰電池充放電電源管理芯片把外部鋰電池電能轉(zhuǎn)換成5 V和3.3 V電源，供傳感器探頭和采集電路使用。當(dāng)?shù)竭_(dá)用戶設(shè)定的采集時(shí)間時(shí)，MCU會(huì)被喚醒，其通過信號(hào)調(diào)理電路，順序開、關(guān)傳感器探頭的供電電源，并同時(shí)采集、存儲(chǔ)傳感器探頭輸出的頻率信號(hào)，通過分析處理，把頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成實(shí)際的土壤含水率。傳感器提供433 MHz的無線模塊和GPRS兩種通信方式，最多可以連接8個(gè)傳感器探頭，測(cè)量土壤深度為80 cm。

圖3 傳感器硬件總體框圖Fig.3 Block diagram of sensor hardware

傳感器探頭硬件電路主要由銅環(huán)電極、高頻振蕩電路、分頻/整形電路、信號(hào)放大電路組成，如圖4所示。銅環(huán)電極充當(dāng)高頻振蕩電路的外接并聯(lián)諧振電路的可變電容器，當(dāng)土壤含水率發(fā)生變化時(shí)，所表征的介電常數(shù)發(fā)生變化(以下建模分析中，由土壤的介電常數(shù)變化表示土壤含水率變化)，隨即探頭所感知的等效電容發(fā)生變化，繼而高頻振蕩電路的諧振頻率發(fā)生變化，由其產(chǎn)生的高頻正弦頻率信號(hào)經(jīng)分頻/整形電路將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)并大大降低了信號(hào)頻率，然后經(jīng)過小信號(hào)放大電路把微弱方波信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于采集的大幅度頻率信號(hào)輸出。

圖4 傳感器探頭硬件電路組成框圖
Fig.4 Block diagram of sensor probe hardware

1.4 傳感器探頭建模

傳感器探頭由上下2個(gè)圓環(huán)、PVC支架和電路板組成，電路板固定在PVC支架內(nèi)部，圓環(huán)套在PVC支架上(如圖2)，圓環(huán)的內(nèi)半徑r為19.2 mm，外半徑R為20 mm，軸向長(zhǎng)度為a，兩環(huán)之間的軸向距離為b。由于傳感器探頭基于邊緣場(chǎng)效應(yīng)感知土壤水分容抗，與平面電容傳感器的工作原理相似，為了分析探頭周圍電磁場(chǎng)的分布與探頭結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，優(yōu)化探頭結(jié)構(gòu)，確定a、b尺寸，如圖5所示，以1 mm為寬度，把傳感器探頭沿著圓周分割成126份，各取上下圓環(huán)所對(duì)應(yīng)的縱向截面(圖5陰影部分)即構(gòu)成一個(gè)微量化平面電容，而整個(gè)探頭感知土壤含水率所表征的總?cè)菘箍傻刃?26個(gè)微量電容的并聯(lián)。

圖5 傳感器探頭的物理模型Fig.5 Physical model of sensor probe

由于高頻電磁邊緣電場(chǎng)分布的邊界條件相對(duì)復(fù)雜，很難直接計(jì)算邊緣場(chǎng)電容，而采用有限元數(shù)值算法[18]，可以對(duì)傳感器探頭的電場(chǎng)分布及其感知土壤的等效電容進(jìn)行微量近似分析，在工程電磁有限元分析中，電容通常從電場(chǎng)的能量角度來定義，即

(4)

式中U——構(gòu)成電容介質(zhì)的兩端電勢(shì)差

We——電場(chǎng)總儲(chǔ)能

D——電位移量E——電場(chǎng)強(qiáng)度

Ω——有效電場(chǎng)區(qū)域的體積

圖6 探頭微量化平面電容二維模型Fig.6 Two-dimensional model of micro-scale planar capacitor

探頭微量化平面電容二維模型采用Ansoft公司有限元分析軟件[19]Maxwell V10進(jìn)行建模，對(duì)微量化平面電容周圍電場(chǎng)強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與能量分布規(guī)律進(jìn)行分析，建立的探頭微量化平面電容的二維模型如圖6所示。驅(qū)動(dòng)電極和感應(yīng)電極的長(zhǎng)度設(shè)為a，兩者之間的距離為b，電極上方為理想土壤，高度H為60 mm,長(zhǎng)度L為2a+b+10 mm,電極的下方設(shè)有基極，基極的厚度為兩電極的中心距離，即a+b,并在其下面設(shè)有保護(hù)電極[20]。加載激勵(lì)源時(shí)保護(hù)電極和感應(yīng)電極等電位，用于減少寄生電容的影響[21]。

2 結(jié)果與討論

2.1 傳感器探頭結(jié)構(gòu)仿真與分析

二維模型建立后，在驅(qū)動(dòng)電極上加載5 V、100 MHz的正弦波電壓，感應(yīng)電極和保護(hù)電極接地，電極的材質(zhì)設(shè)定為銅，基極材質(zhì)設(shè)為介電常數(shù)為3.2的PVC，模型之外為真空，設(shè)定邊界條件為ballon。設(shè)定求解器為電場(chǎng)，求解參數(shù)為電場(chǎng)和電容，求解器余量誤差控制在10-5以內(nèi)，采用自適應(yīng)控制，兩次迭代誤差設(shè)定為0.02%。通過改變銅環(huán)的尺寸a、b和土壤的介電常數(shù)ε，求得微量化平面電容周圍電場(chǎng)分布情況，分析結(jié)果如下：

(1)保持土壤的介電常數(shù)(ε=3.2)恒定，通過改變銅環(huán)的尺寸a，求得微量化平面電容周圍電場(chǎng)分布情況如圖7所示。由圖7可看出，a從5 mm增大到30 mm，對(duì)應(yīng)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度依次為3.369 5×103、2.504 3×103、2.362 6×103、2.293 5×103、2.312 6×103、2.365 0×103V/m?？梢姰?dāng)a小于20 mm時(shí)，隨著a增加，最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨著減小；a=20 mm時(shí)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度最?。划?dāng)a大于20 mm時(shí)，隨著a繼續(xù)增大，最大電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小。由于相同電場(chǎng)能量情況下，電場(chǎng)強(qiáng)度的平方與相應(yīng)電場(chǎng)所占面積成反比關(guān)系，所以在a=20 mm時(shí)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度最小，其對(duì)應(yīng)的面積最大。從圖7上也可直觀看出，圖7d中的電場(chǎng)分布區(qū)域最大，也就是探測(cè)范圍最大。

圖7 b=10 mm時(shí)探頭微量化平面電容周圍電場(chǎng)分布情況Fig.7 Electric field distributions around micro-scale planar capacitance with b=10 mm

(2)保持土壤的介電常數(shù)(ε=3.2)恒定，通過改變銅環(huán)的尺寸b，求得微量化平面電容周圍電場(chǎng)分布情況如圖8所示。從圖8中可以看出，當(dāng)b小于15 mm時(shí)，隨著b增加，最大電場(chǎng)強(qiáng)度減??；當(dāng)b大于15 mm時(shí)，隨著b繼續(xù)增大，最大電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大。同時(shí)，在b=15 mm時(shí)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度最小，其對(duì)應(yīng)的面積最大。由圖8也可以看出，圖8c中的電場(chǎng)分布區(qū)域最大，也就是探測(cè)范圍最大。

圖8 a=20 mm時(shí)探頭微量化平面電容周圍電場(chǎng)分布情況Fig.8 Electric field distributions around micro-scale planar capacitance with a=20 mm

(3)保證銅環(huán)的尺寸不變，通過改變土壤的介電常數(shù)(相當(dāng)于改變土壤含水率或土壤質(zhì)地)，求得微量化平面電容周圍最大電場(chǎng)強(qiáng)度Em和相應(yīng)的探測(cè)半徑Rt(探測(cè)半徑為以2個(gè)銅環(huán)中點(diǎn)為中心，微量化平面電容周圍電場(chǎng)最大范圍處的值)的關(guān)系如圖9所示?？梢钥闯?，在a與b固定的情況下，改變土壤介電常數(shù)，相應(yīng)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度Em和相應(yīng)的探測(cè)半徑Rt變化較小，變化幅度均在3%以內(nèi)，研究結(jié)果表明，探頭的探測(cè)范圍與土壤含水率及土壤質(zhì)地?zé)o關(guān)，僅與探頭結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖9 不同介電常數(shù)時(shí)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度和探測(cè)半徑Fig.9 Maximum electric field strength and radius of detection for different dielectric constants

(4)通過改變a/b和土壤介電常數(shù)ε，采用有限元計(jì)算方法得到圓環(huán)探頭微量化平面電容的容值C如表1所示，可以看出，相同的a/b情況下，隨著土壤介電常數(shù)ε的增加(土壤體積含水率的增加)，微量化平面電容的容值也逐漸增加；土壤介電常數(shù)ε不變，隨著a/b增加，微量化平面電容的容值均呈增加趨勢(shì)。

表1 不同a/b和ε情況下探頭微量化平面電容的容值Tab.1 Capacity values of micro-scale planar capacitance of probe for different values of a/b and ε pF

不同a/b情況下，對(duì)于相鄰介電常數(shù)的土壤，探頭所感知微量化平面電容的電容差ΔC如表2所示。隨著a/b增大，相同的a/b情況下探頭所感知的這2種土壤的微量化平面電容的電容差增大，也就是在土壤體積含水率不同的情況下，探頭所感知的電容差將隨a/b的增大而增大。由于傳感器的靈敏度為輸出的變化量與輸入變化量之比，對(duì)于本文所設(shè)計(jì)的傳感器探頭，在感知不同含水率的土壤時(shí)，所表征的電容差越大，就表明該傳感器的靈敏度越高。因而隨著a/b的增大，傳感器的靈敏度越高。

綜合考慮微量化平面電容周圍電場(chǎng)分布情況，在探頭結(jié)構(gòu)尺寸a為20 mm和b為15 mm時(shí)，傳感器探頭的探測(cè)范圍最大，靈敏度最高，探頭結(jié)構(gòu)最佳，探頭測(cè)量精度顯著提高。

表2 不同a/b情況下探頭所感知微量化平面電容的電容差Tab.2 Adjacent capacity differences of micro-scale planar capacitance of probe pF

2.2 傳感器性能試驗(yàn)

2.2.1傳感器的標(biāo)定

圖10 傳感器試驗(yàn)裝置Fig.10 Sensor testing device

圖11 土壤剖面水分傳感器標(biāo)定結(jié)果Fig.11 Calibration results of sensor

2.2.2傳感器穩(wěn)定性

在實(shí)驗(yàn)室，取容重為1.35 g/cm3的土樣，使用預(yù)先安裝了傳感器防護(hù)套的容器配制4種不同體積含水率的土壤樣品，密封放置48 h待水分運(yùn)動(dòng)充分后，采用烘干法測(cè)量得出土樣的實(shí)際含水率。然后隨機(jī)抽取1個(gè)傳感器探頭，連續(xù)測(cè)量10 h，并記錄結(jié)果。在傳感器測(cè)量過程中，土壤樣品處于密封狀態(tài)。圖12為傳感器探頭穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，傳感器的最大偏移量為0.28%。試驗(yàn)說明傳感器探頭具有很高的穩(wěn)定性。

圖12 傳感器探頭穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Test results of sensor probe stability

2.2.3傳感器一致性

一致性是傳感器的重要性能指標(biāo)，良好的一致性是土壤水分傳感器標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和可互換的前提。由于本文研究的傳感器是由多個(gè)傳感器探頭組合而成，一致性就顯得尤為重要。采用穩(wěn)定性試驗(yàn)所用的土壤樣品，隨機(jī)抽取3個(gè)傳感器探頭，對(duì)每個(gè)土壤樣品測(cè)量5次，去除最大、最小值，然后取平均。表3為傳感器探頭一致性試驗(yàn)結(jié)果，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，傳感器的最大偏移量為1.57%，說明傳感器探頭具有良好的一致性。

表3 傳感器探頭土壤含水率試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of sensor probe consistency %

2.2.4傳感器精度測(cè)試

在小湯山國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田中，選取一塊3 m×2 m的地塊，然后按照1.5 m×1 m的面積進(jìn)行分割，塊與塊之間沒有水分交換，如圖13所示。

圖13 傳感器埋設(shè)及取樣點(diǎn)分布圖Fig.13 Locations of sensors embedded and sampling points

在每塊土壤的正中心埋設(shè)土壤剖面水分傳感器防護(hù)套，保證防護(hù)套的外徑與土壤充分接觸，然后往每塊地塊中注入不等量的水，并用薄膜覆蓋，防止水分快速蒸發(fā)，72 h后進(jìn)行試驗(yàn)。首先用環(huán)刀在距離防護(hù)套周圍5 cm、土層深度分別為20 cm和40 cm的地方取土樣，然后用烘干法計(jì)算土壤體積含水率，然后，把土壤水分傳感器探頭放入防護(hù)套中測(cè)量土壤層深為20 cm和40 cm土壤含水率。以烘干法測(cè)得的土壤體積含水率為真值，傳感器測(cè)得值為觀測(cè)值，測(cè)量5次取平均值，均方差為1.42%，計(jì)算結(jié)果見表4。

3 結(jié)論

(1)在分析高頻電磁邊緣場(chǎng)效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，對(duì)傳感器測(cè)量機(jī)理做了比較系統(tǒng)的推理分析，確定了傳感器測(cè)量土壤水分的關(guān)鍵因素；通過傳感器功能電路分析，設(shè)計(jì)了傳感器探頭硬件電路。

(2)為了提高傳感器探頭的靈敏性和探測(cè)范圍，采用有限元分析方法，建立了探頭微量化平面電容二維模型，通過分析探頭微量化電容周圍電場(chǎng)強(qiáng)度和電容的變化情況，綜合考慮實(shí)際土壤水分測(cè)量間距的需求，確定了探頭設(shè)計(jì)尺寸的最優(yōu)方案：探頭銅環(huán)電極外徑為40 mm，內(nèi)徑為38.4 mm，軸向長(zhǎng)度為20 mm，軸向間距為15 mm時(shí)，探頭的靈敏性和探測(cè)范圍最優(yōu)。

表4 土壤剖面水分傳感器與烘干法測(cè)量土壤體積含水率結(jié)果對(duì)比Tab.4 Comparison of moisture results obtained by standard drying method and soil moisture profile sensor %

(3)試驗(yàn)結(jié)果表明，本文研究的土壤剖面水分傳感器測(cè)量精度為±1.42%，具有很高的穩(wěn)定性和一致性。傳感器探頭可根據(jù)實(shí)際測(cè)量深度需要任意組合，滿足不同作物根區(qū)深度的土壤水分測(cè)量需求。

1 羅錫文，臧英，周志艷．精細(xì)農(nóng)業(yè)中農(nóng)情信息采集技術(shù)的研究進(jìn)展[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22(1): 167-173．

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SimulationandExperimentonSoilMoistureProfileSensorProbe

YAN Hua1,2XING Zhen1,2XUE Xuzhang1,2WANG Lichun1,2

(1.BeijingResearchCenterforInformationTechnologyinAgriculture,Beijing100097,China2.KeyLaboratoryofAgri-informatics,MinistryofAgriculture,Beijing100097,China)

In order to accurately grasp soil moisture content information, the problem of real-time observation of soil moisture change in different crop root areas under farmland environment is difficult to observe.The structure of probe was researched and analyzed in detail by modeling simulation analysis, and the optimal sensor structure was determined through experimental verification.Through establishing the trace amount planar capacitance probe two-dimensional model, the influence of change of sensor probe structure on the change of electric field intensity and the capacitance value around the trace amount planar capacitance probe was analyzed by using the finite element analysis, and then the probe structure was determined.The sensitivity and the detecting depth of the probe was optimal when the outer diameter of the probe copper ring electrode was 40 mm, the inner diameter was 38.4 mm, the axial length was 20 mm, and the axial spacing was 15 mm.The sensor probe can be applicable to various types of soil moisture measurement.The measurement accuracy reached ±1.42% with better stability and consistency.The results showed that the sensor probe can be designed according to the actual measurement depth and satisfy the soil moisture measurement requirements of the root zone of different crops.

soil; moisture sensor; probe; profile; simulation; experiment

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.030

S24

A

1000-1298(2017)10-0245-07

2017-06-04

2017-08-16

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0403102)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51509005)和北京市農(nóng)林科學(xué)院科技創(chuàng)新能力建設(shè)專項(xiàng) (KJCX20170204)

閆華(1978—)，女，副研究員，主要從事農(nóng)業(yè)高效用水及農(nóng)業(yè)自動(dòng)化研究，E-mail：yanh@nercita.org.cn

邢振(1983—)，男，高級(jí)工程師，主要從事信息采集與處理研究，E-mail：xingz@nercita.org.cn