陳亞軍，安學(xué)武，楊玉輝

（1內(nèi)蒙古自治區(qū)大氣探測技術(shù)保障中心，呼和浩特 010051；2內(nèi)蒙古興安盟氣象局，內(nèi)蒙古烏蘭浩特 137400）

0 引言

土壤水分是土壤成分之一，土壤水分的大小直接影響土壤中氣體的含量及運動、固體結(jié)構(gòu)，制約著土壤中養(yǎng)分的溶解、轉(zhuǎn)移和吸收及土壤微生物的活動，土壤水分狀況的測定對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實時服務(wù)和理論研究都具有重要意義[1-2]。同時，土壤水監(jiān)測及研究對荒漠生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義，是半干旱地區(qū)植被健康生長的關(guān)鍵制約因子[3-4]。

多年來，應(yīng)用物理介電特性的自動土壤水分傳感器獲得較廣泛的應(yīng)用[5]，時域反射法[6]、頻域反射法(Frequency Domain Reflectometry,FDR)[7]自動土壤水分傳感器測量土壤水分具有較高的精度[8]，但仍受土壤類型[9]、顆粒大小、容重、有機(jī)質(zhì)、鹽分及溫度等嚴(yán)重影響[10-11]，一定條件下，這些干擾因素甚至?xí)o土壤水分測定帶來毀滅性后果。

頻域反射法(Frequency Domain Reflectometry,FDR)自動土壤水分傳感器利用電磁脈沖在不同介質(zhì)中傳播時振蕩頻率變化來測定土壤水分[12]。其利用土壤中水分改變時，土壤的介電常數(shù)發(fā)生變化的基本原理實現(xiàn)土壤水分的測量[13-14]。FDR法（頻域反射法）傳感器利用一對銅環(huán)組成的電容作為敏感元件，利用一個固定電感元件與傳感器電容形成高頻LC震蕩電路，通過測量震蕩電路頻率(100～130 MHz)的變化計算土壤水分值。這一方法的優(yōu)點是電路簡單，缺點是引入的電感及分布式電容造成的傳感器個體差異性無法避免、高頻信號更容易受到干擾、受環(huán)境溫度影響過大且不可控、使用中需要標(biāo)定的參數(shù)過多（7個）等弊端。

內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局于2020年開展了電容直測式土壤水分傳感器技術(shù)的研究，研發(fā)設(shè)計了1套新型自動土壤水分傳感器。新型土壤水分傳感器仍舊利用土壤中水分改變時，土壤的介電常數(shù)發(fā)生變化的基本原理。銅環(huán)構(gòu)成的電容作為敏感元件的結(jié)構(gòu)不變，但重新設(shè)計了測量及主控制電路。測量電路中不使用電感原件，避免傳感器的個體差異性及分布式電容的影響；使用精確中頻激勵源并通過精確測量容抗的方式直接測量傳感器實時電容值，避免溫漂影響，而且使傳感器受外界噪聲干擾幾率大幅降低，提高儀器運行穩(wěn)定性及測量準(zhǔn)確性。所述技術(shù)由于本質(zhì)上還是電容式傳感器，所以現(xiàn)用完備的數(shù)據(jù)處理模型、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)體系均不需更改，在現(xiàn)有業(yè)務(wù)站上只需更換傳感器就可以實現(xiàn)設(shè)備的升級換代，升級成本會大幅降低。

設(shè)計完成后，在實驗室內(nèi)開展了新型傳感器電性能、測量性能、抗溫度變化特性、抗鹽堿性能等傳感器特性與傳統(tǒng)FDR法自動土壤水分傳感器的對比分析或試驗，旨在檢驗新型自動土壤水分傳感器各項性能，以期為自動土壤水分觀測儀的升級換代提供技術(shù)支撐，探討以較小成本提高土壤水分監(jiān)測的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，應(yīng)用便利性的技術(shù)可行性。

1 新型自動土壤水分傳感器設(shè)計簡介

本文所研究的新型自動土壤水分傳感器仍舊是電容式傳感器，仍舊使用由一對銅環(huán)組成的電容作為敏感元件，但重新設(shè)計了測量電路。土壤水分含量的變化會導(dǎo)致土壤等效介電常數(shù)變化，相應(yīng)地銅環(huán)等效電容也會發(fā)生變化，通過測量電容的變化即可測量土壤水分。新型自動土壤水分傳感器測量電路由傳感器單層感應(yīng)模塊和多層控制及數(shù)據(jù)處理兩塊電路板組合而成，單層感應(yīng)模塊用于感應(yīng)某一層土壤中含水量的變化，完成氣象要素量到電參數(shù)的轉(zhuǎn)換及調(diào)理；多層控制及數(shù)據(jù)處理模塊用于多層感應(yīng)模塊的協(xié)同工作控制及測量信號的采集、處理、傳輸功能。新型自動土壤水分傳感器電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 實驗室對比分析材料與方法

2.1 實驗室情況

內(nèi)蒙古自治區(qū)大氣探測技術(shù)保障中心為內(nèi)蒙古地區(qū)地面氣象探測技術(shù)開發(fā)、應(yīng)用及探測設(shè)備技術(shù)保障單位，中心實驗室具備自動土壤水分觀測及保障設(shè)備研究、試驗所需設(shè)施、開發(fā)軟件、各類工具等，工作人員多為電子類、計算機(jī)類專業(yè)畢業(yè)生，且從事自動土壤水分觀測儀保障工作數(shù)年，對設(shè)備組成原理等相關(guān)知識熟悉，具備開發(fā)、應(yīng)用、試驗的能力。

為保證試驗項目順利進(jìn)行，中心組織專家對設(shè)備組成結(jié)構(gòu)、試驗技術(shù)路線、試驗可行方案做了充分論證，重要步驟經(jīng)過了前期實驗驗證。

2.2 試驗及對比分析對象

待驗證設(shè)備為自行研發(fā)的新型自動土壤水分傳感器，利用土壤中水分改變時土壤的介電常數(shù)發(fā)生變化的基本原理，通過直接測量傳感器實時電容值計算土壤水分值。對比參照設(shè)備為氣象部門業(yè)務(wù)用FDR（頻域反射法）傳感器，同樣利用土壤中水分改變時土壤的介電常數(shù)發(fā)生變化的基本原理，通過測量震蕩電路頻率(100～130 MHz)的變化計算土壤水分值。在測試介質(zhì)容器內(nèi)制作各測試點的標(biāo)準(zhǔn)樣本，其土壤體積含水量作為試驗分析的真值。

2.3 對比分析內(nèi)容

傳感器性能原理性對比分析（理論驗證）為對比分析2種傳感器性能，組織專家組對新型自動土壤水分傳感器樣機(jī)與傳統(tǒng)FDR法自動土壤水分傳感器的測量電路組成原理進(jìn)行了分析，并結(jié)合長期對業(yè)務(wù)用傳統(tǒng)FDR法自動土壤水分觀測儀的維修保障經(jīng)驗，客觀對比分析了現(xiàn)業(yè)務(wù)站用傳統(tǒng)FDR法傳感器與電容直測式土壤水分傳感器組成結(jié)構(gòu)及測量方法的差異性。

新型傳感器測量電性能測試試驗 在實驗室可實現(xiàn)的條件下，對新型自動土壤水分傳感器樣機(jī)進(jìn)行實驗室靜態(tài)測試，通過實驗定量分析傳感器的測量電性能。

自動土壤水分傳感器抗土壤溫度變化特性、抗鹽堿特性定性對比分析：受實驗室條件所限，傳感器的抗土壤溫度變化特性、抗鹽堿特性無法做到準(zhǔn)確的定量分析，采用了定性的方法對比驗證了新型傳感器的抗土壤溫度變化特性、抗鹽堿特性。

2.4 試驗方法

2.4.1 新型傳感器測量電性能測試試驗

（1）測試試驗。測試介質(zhì)容器為亞克力圓柱體容器，上方有可完全打開的圓形盒蓋，中央部位鑲嵌有直徑5.5 cm的圓柱型PVC套管，材質(zhì)與自動土壤水分傳感器安裝套管一致。測試介質(zhì)選用240目石英砂模擬土壤樣本，其常用于自動土壤水分傳感器實驗室試驗或校準(zhǔn)[15]。

（2）試驗方法。在測試介質(zhì)容器內(nèi)制作厚度12 cm的240目石英砂與蒸餾水的混合物模擬土壤，作為測試介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)樣本。240目石英砂模擬的土壤容重取為1.5 g/cm3，根據(jù)各測試點體積含水量計算標(biāo)準(zhǔn)樣本所需石英砂和水量。

（3）標(biāo)準(zhǔn)樣本制作。使用指定目數(shù)的石英砂與蒸餾水混合，通過控制加入水量的比例，攪拌均勻壓制在測試容器內(nèi)，得到不同體積含水量的模擬土壤樣本，作為試驗中的標(biāo)準(zhǔn)土壤體積含水量。

2.4.2 自動土壤水分傳感器抗土壤溫度變化特性、抗鹽堿特性定性對比分析試驗

（1）抗土壤溫度變化特性試驗。使用240目石英砂與不同溫度的蒸餾水混合，通過控制加入水量的比例，攪拌均勻壓制在測試容器內(nèi)，得到不同體積含水量、不同溫度的模擬土壤樣本。

（2）抗鹽堿特性試驗。先在蒸餾水中融入不同量的食用鹽，再與石英砂混合，通過控制加入水量的比例，攪拌均勻壓制在測試容器內(nèi)，得到不同體積含水量、不同鹽堿度的模擬土壤樣本。

3 結(jié)果與分析

3.1 傳感器原理性性能分析（理論驗證）

3.1.1 實際應(yīng)用中存在的問題 傳統(tǒng)土壤水分測量是通過一個LC振蕩回路的頻率變化來間接測量土壤水分。因為銅環(huán)的等效電容與土壤水分相關(guān)，因此電容的變化會使輸出頻率變化。OSC振蕩源一般采用射頻OSC振蕩集成電路來實現(xiàn)。在實際應(yīng)用中會有如下問題：

（1）LC振蕩回路在制造中由于采用人工繞制的電感，導(dǎo)致出廠初始頻率一致性較差；射頻OSC振蕩集成電路的輸入分布電容有離散性，每個集成電路的輸入電容不一致；半導(dǎo)體的PN結(jié)輸入電容受到溫度的影響很大，在不同溫度下的振蕩輸出頻率不一致，導(dǎo)致測量誤差。同時以上原因會使得傳感器初始頻率（空氣中，水中頻率）個體差異性很大，必須進(jìn)行校準(zhǔn)后才能使用。

（2）在LC回路中，銅環(huán)就是一個等效天線，根據(jù)天線互易原理，銅環(huán)容易接收到外界電磁波干擾信號，導(dǎo)致測量誤差（比如手機(jī)或基站在附近，經(jīng)常會產(chǎn)生野值）；LC振蕩回路容易產(chǎn)生頻率牽引現(xiàn)象，在強(qiáng)的接近無線干擾源附件，LC振蕩回路會被牽引到干擾源頻率上不動或受到較大影響，產(chǎn)生巨大誤差。

（3）溫度變化會導(dǎo)致頻率值變化，這在實際工作中無法校準(zhǔn)。

（4）傳統(tǒng)傳感器使用的頻率段為80～150 MHz，在某種土壤環(huán)境中可能會出現(xiàn)頻率倒置現(xiàn)象，即水中頻率大于土壤中頻率（校準(zhǔn)時水中頻率是最低的，對應(yīng)土壤水分100%），此時土壤的水分超過了100%，測量失去意義。

3.1.2 土壤水分傳感器的測量方法 本研究設(shè)計的傳感器采用的測量方法為直接微小電容測量法，測量頻率為晶體振蕩器輸出的固定頻率，具備以下優(yōu)點：

（1）穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通LC振蕩回路所產(chǎn)生的頻率（穩(wěn)定度為10-6量級）其次不存在輸入分布電容及受外界溫度影響觀測結(jié)果的問題。

（2）測量頻率采用固定中高頻率，沒有頻率倒置現(xiàn)象。

（3）測量電容變化轉(zhuǎn)換為直流電壓輸出，通過單片機(jī)的ADC通道采集，直流電壓上設(shè)置了低通濾波器，可有效濾除干擾。

（4）由于采用的是固定主動頻率源激勵，銅環(huán)即使去掉，頻率輸出也不會變化，因此不存在頻率牽引現(xiàn)象。

經(jīng)分析認(rèn)為，本項目技術(shù)從測量穩(wěn)定性、測量準(zhǔn)確度、校準(zhǔn)便利性方面遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)FDR法傳感器。

3.2 電容直測式土壤水分傳感器的測量電性能

按照新型傳感器測量電性能測試試驗方法，在測試介質(zhì)容器內(nèi)制作了厚度12 cm的240目石英砂與蒸餾水的混合物模擬土壤，作為測試介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)樣本。測試的模擬土壤體積含水量分別為0%（空氣中）、100%（水中）、0.5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%。測量數(shù)據(jù)如表1所示。

數(shù)據(jù)表中的歸一化電容按照公式(1)進(jìn)行計算。

為了反應(yīng)土壤含水量與傳感器電容測量值之間的關(guān)系，對新型自動土壤水分傳感器歸一化電容與土壤容積含水量θv進(jìn)行了多項式擬合。擬合曲線圖及關(guān)系式如圖2所示。傳統(tǒng)FDR法傳感器擬合曲線圖如圖3所示[16-17]。

圖2 新型自動土壤水分傳感器歸一化電容與土壤容積含水量θv的多項式擬合曲線圖

圖3 傳統(tǒng)自動土壤水分傳感器歸一化頻率與土壤容積含水量θv的多項式擬合曲線圖

通過擬合曲線可以看出，新型自動土壤水分傳感器多項式擬合曲線相關(guān)系數(shù)接近于1，遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)業(yè)務(wù)用傳統(tǒng)FDR法傳感器。

經(jīng)實驗室靜態(tài)測試，本文所設(shè)計的自動土壤水分傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)土壤水分的測量。其測量性能與傳統(tǒng)FDR法傳感器相比，測量精度及測量準(zhǔn)確性更高。

3.3 新型傳感器與傳統(tǒng)FDR傳感器的抗土壤溫度變化特性定性對比分析

經(jīng)實驗定性對比分析，本項目所設(shè)計的自動土壤水分傳感器受環(huán)境溫度影響極小，可忽略不計。而傳統(tǒng)FDR法傳感器受溫度影響較大。

3.4 新型傳感器與傳統(tǒng)FDR法傳感器的抗土壤溫度變化特性定性對比分析

無論是本項目技術(shù)還是傳統(tǒng)FDR法傳感器，都是通過土壤特性對電磁輻射的反饋原理實現(xiàn)測量的，土壤鹽堿性對測量結(jié)果有不可忽略的影響[18]。

經(jīng)實驗定性對比分析，本研究所設(shè)計的自動土壤水分傳感器因使用固定中高頻信號激發(fā)傳感器工作，受土壤鹽堿性影響在可接受范圍內(nèi)，遠(yuǎn)小于現(xiàn)業(yè)務(wù)用傳統(tǒng)FDR法傳感器。而現(xiàn)業(yè)務(wù)用傳統(tǒng)FDR法傳感器受土壤鹽堿性影響較大，土壤濕度越大則頻率越低，相應(yīng)的鹽堿度影響越大[19-22]，測試中發(fā)現(xiàn)某型號傳感器在高濕高鹽的土壤環(huán)境中出現(xiàn)頻率倒置現(xiàn)象[23-25]。

4 結(jié)論與討論

通過對比分析或試驗，結(jié)果表明新型自動土壤水分傳感器可以實現(xiàn)土壤水分的連續(xù)監(jiān)測，滿足傳感器的測量性能需求。新型自動土壤水分傳感器與傳統(tǒng)FDR法自動土壤水分傳感器相比，標(biāo)定過程相對簡單、測量精度及測量準(zhǔn)確性更高、抗干擾性更強(qiáng)、穩(wěn)定性更高、受環(huán)境溫度影響極小、受土壤鹽堿性影響遠(yuǎn)小于現(xiàn)業(yè)務(wù)用傳統(tǒng)FDR法傳感器，具備繼續(xù)研究的價值。同時新型自動土壤水分傳感器性能只完成了實驗室靜態(tài)測試，還需要大量更準(zhǔn)確詳細(xì)的實際業(yè)務(wù)應(yīng)用測試。另外目前完成的只是傳感器關(guān)鍵技術(shù)，業(yè)務(wù)應(yīng)用前需要進(jìn)行自動土壤水分觀測儀的設(shè)計。