錢蔡華，馮 飛，趙 恒，李國利

（1.鹽城工學(xué)院 機械工程學(xué)院，鹽城 224051；2.金陵科技學(xué)院 機電工程學(xué)院，南京 211169）

隨著社會老齡化和農(nóng)業(yè)勞動力的減少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本也相應(yīng)提高，農(nóng)業(yè)大棚一定程度上減少了土地成本和人工成本。土壤溫度是直接或間接影響植物生長的重要因素，土壤溫度影響種子的萌發(fā)、水分和營養(yǎng)吸收等生長過程[1]。不同的農(nóng)作物的生長對土壤溫度的要求不同，穩(wěn)定的土壤溫度是農(nóng)作物正常生長的重要保證之一[2]。因此，監(jiān)測土壤溫度場，研究其變化規(guī)律，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。

針對土壤溫度場國內(nèi)外學(xué)者開展大量研究。文獻[3]提出一鐘新型電子式壓力溫度監(jiān)測系統(tǒng)，通過對壓阻傳感器進行溫度補償，使得測量精度得到提高；文獻[4]選擇使用鉑熱電阻PT1000 測量土壤溫度變化，為了保證測量精度采用三線制接線方法進行測量，只能作用于局部溫度的測量，不適合分布式測量；文獻[5]使用熱電偶溫度傳感器測量土壤溫度，但為了保證測量的準確度，必須采用一個基準點對每個節(jié)點進行校正。此外傳統(tǒng)的電式傳感器具有穩(wěn)定性差、傳輸距離短和易受電磁場干擾等缺點；文獻[6]利用紅外成像技術(shù)，研究了不同塑料薄膜覆蓋的土壤在不同瞬間的溫度變化規(guī)律；文獻[7]利用熱紅外遙感技術(shù)對林區(qū)土壤溫度進行監(jiān)測。紅外成像的非接觸式的測量方法效率低，通用性差且成本較高；文獻[8]在流體力學(xué)的基礎(chǔ)上，利用FLU ENT15.0 進行穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)進行數(shù)值求解，采用組分運輸模型和DO 模型分別對濕度和太陽輻射進行了三維數(shù)值模擬；文獻[9]開發(fā)并發(fā)現(xiàn)了一種新的余弦模型和偽傳熱模型，這些模型可以更好地預(yù)測大范圍土壤溫度；文獻[10]基于最近兩年的土壤溫度測量數(shù)據(jù)對SHAW 模型進行了校正和驗證，建立預(yù)測模型的辦法僅適用于溫度預(yù)測和理論研究，模型結(jié)果和實際測量結(jié)果往往有較大的出入，難以實現(xiàn)實時測溫。

針對以上問題，本文提出一種基于FBG 傳感器陣列的分布式土壤溫度檢測方法。光纖光柵傳感器具有體積小，對測量物體影響小，抗電磁干擾，使用壽命長，具有耐高溫高壓、耐腐蝕等優(yōu)點，適合在惡劣環(huán)境中長時間工作。在土壤的不同深度布置基于波分復(fù)用和空分復(fù)用技術(shù)的FBG 傳感器陣列，實現(xiàn)多層實時測溫，保證農(nóng)作物的正常生長。

1 FBG 傳感陣列土壤測溫原理

1.1 FBG 溫度傳感原理

光纖光柵傳感器屬于波長調(diào)制型光纖傳感器，通過外界待測量物理參量對波長的調(diào)制來獲取信息，實現(xiàn)傳感檢測。沿著光纖軸向方向纖芯折射率呈周期性變化，形成一個窄帶的濾光器或者反射鏡。由耦合模理論可知光纖光柵的Bragg 波長為

式中：neff是光纖纖芯有效折射效率；λB是光纖光柵的中心波長；Λ 是光柵柵格周期。當(dāng)光纖纖芯有效折射率和實際調(diào)制周期隨著溫度產(chǎn)生變化時，引起的光纖光柵Bragg 波長變化為

光纖軸向應(yīng)變εz引起光纖光柵Bragg 波長變化為

式中：Pe為有效彈光系數(shù)其中，p11和p12為彈光系數(shù)；μ 為光纖泊松比；Kε為光纖光柵相對波長應(yīng)變靈敏度系數(shù)。與溫度類似，ΔλB與εz也成線性關(guān)系，由ΔλB可方便求出外界應(yīng)變εz。

1.2 FBG 陣列土壤溫度測量系統(tǒng)

采用波分復(fù)用和空分復(fù)用技術(shù)構(gòu)建的FBG 陣列土壤溫度測量系統(tǒng)。一條傳輸光纖上串接7 個不同中心的FBG。本研究使用FBGn1～FBGn5來測量地表下多層土壤溫度。將FBGn1～FBGn5傳感器表面涂上不固化的稀釋的導(dǎo)熱硅脂后放入不銹鋼鋼管中，導(dǎo)熱硅脂充分填滿光纖和不銹鋼管之間的空隙，保證FBG 溫度傳感器在鋼管內(nèi)不會移位導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)誤差。不銹鋼管上端口采用環(huán)氧樹脂填充，使不銹鋼管口密封并固定光纖。FBG 傳感器串尾部保持自由松弛狀態(tài)，避免在溫度測量中其他力對FBG 產(chǎn)生干擾。

可調(diào)諧激光器輸出的窄帶光源其波長可在一定范圍內(nèi)變化，激光器掃描頻率及波長通過驅(qū)動器控制。窄帶激光通過環(huán)型器射入到FBG 陣列中，光開關(guān)可以選擇不同的傳感通道。當(dāng)光源波長與FBG的某一段中心波長一致時，反射信號光強最大，反射光信號經(jīng)環(huán)型器到達光電轉(zhuǎn)換器并被轉(zhuǎn)換為電信號，數(shù)據(jù)處理計算采用尋峰算法獲取信號電壓峰值實現(xiàn)對FBG 的波長解調(diào)，比較各FBG 中心波長及變化量可推算被測溫度及FBG 定位。

2 FBG 標定與傳感器布置

2.1 FBG 標定

實驗中使用了2 個FBG 傳感器串，每串刻有7個光柵，共14 個FBG，F(xiàn)BG 柵區(qū)長度為10 mm，帶寬大于2 nm，傳輸光纖長10 m，但本實驗只用到5個光柵。實驗前需要對各FBG 進行溫度標定，將標定FBG 傳感器放入溫控箱內(nèi)，設(shè)置溫控箱溫度從10℃～70℃，以10℃溫度間隔對應(yīng)一個溫度值并記錄FBG 中心波長。經(jīng)測試各傳感器中心波長變化與溫度呈良好的線性關(guān)系。

2.2 實驗材料及設(shè)備

實驗系統(tǒng)主要包括光纖光柵解調(diào)儀、FBG 傳感器串、土壤濕度測量儀、太陽功率計等。設(shè)備型號如表1 所示。其中光纖光柵解調(diào)儀覆蓋波段為1525 nm～1565 nm，掃描頻率100 Hz，波長分辨率1 pm。

實驗時將封裝了FBG 串的不銹鋼管垂直埋入被測土壤中，F(xiàn)BGn1～FBGn5分別用于測量地表下5 cm、15 cm、25 cm、35 cm、45 cm 處土壤溫度。在每個埋入地下的FBG 附近布置濕度傳感探頭用于測量對應(yīng)位置的土壤濕度。在測試點地表放置太陽功率計來測量太陽輻射功率。

3 實驗與結(jié)果分析

3.1 土壤溫度場日變化測量與分析

實驗地點選擇在金陵科技學(xué)院幕府校區(qū)農(nóng)業(yè)大棚，土壤類型為黃棕壤。試驗時提前將封裝好的FBG 傳感器串埋入土壤，并對測試區(qū)域充分澆水，使土壤與傳感器探頭充分接觸。測量時間為24 h，每隔5 min 采集一次數(shù)據(jù)。試驗時間段內(nèi)天氣晴朗，測量結(jié)果如圖1 所示，T05、T15、T25、T35、T45 分別表示深度為5 cm、15 cm、25 cm、35 cm、45 cm 處土壤溫度。

圖1 土壤溫度場日變化測量結(jié)果Fig.1 Measurement results of daily variation of soil temperature field

對圖1 所示的溫度日變化曲線分析如下：土壤淺層溫度日變化曲線接近余弦函數(shù)模型，土壤深層（45 cm 以下）溫度基本處于恒溫狀態(tài)。隨著深度增加，土壤溫度變化逐漸減小，振蕩幅度逐漸減弱。

3.2 土壤濕度對溫度場的影響

將封裝好的2 個FBG 傳感器串分別埋入2 處測試區(qū)域，并進行不同程度的澆水，使2 處測試區(qū)域土壤濕度明顯不同，等待24 h，使水分充分滲透到深層土壤再進行測量。測試時間為25 h，每隔2 min 采集一次數(shù)據(jù)，試驗時間段內(nèi)天氣晴朗。土壤溫濕度測量結(jié)果如圖2 和圖3 所示。M05、M15、M25、M35、M45 分別表示深度為5 cm、15 cm、25 cm、35 cm、45 cm 處土壤濕度。

圖2 區(qū)域1 土壤溫度場測量結(jié)果Fig.2 Measurement results of soil temperature field in area 1

圖3 區(qū)域2 土壤溫度場測量結(jié)果Fig.3 Measurement results of soil temperature field in area 2

通過分析圖2 和圖3 的測量結(jié)果可知：土壤濕度越大，淺層土壤溫度越低，土壤濕度對深層土壤溫度數(shù)值影響較小，相比中等濕度的土壤，濕度較大土壤的溫度峰值滯后效應(yīng)更加顯著。

3.3 太陽輻射功率對土壤溫度場的影響

試驗前對區(qū)域1 和區(qū)域2 兩處進行相同程度灌溉，使其土壤濕度基本相同。在測量前采用遮陽網(wǎng)對B 測試區(qū)域進行陽光遮擋，使B 處測試區(qū)域免受太陽直接輻射影響。測試時間段為4 月23 日10：30～4 月24 日15：30，試驗時間段內(nèi)天氣晴轉(zhuǎn)多云，測量結(jié)果如圖4 所示。

圖4 太陽輻射功率對土壤溫度場的影響Fig.4 Effect of solar radiation power on soil temperature field

分析測量結(jié)果可知：受太陽輻射功率波動的影響，淺層土壤溫度波動較為顯著，而且兩者波動頻率基本一致。遮陽網(wǎng)對太陽輻射的遮擋降低了土壤的溫度，對淺層土壤溫度影響較大。

4 結(jié)語

針對土壤溫度場檢測問題，采用波分復(fù)用技術(shù)和空分復(fù)用技術(shù)相結(jié)合的方法設(shè)計了一種基于分布式FBG 傳感器的土壤溫度場檢測系統(tǒng)。將封裝了光纖光柵串的不銹鋼管垂直埋入被測土壤。搭建實驗平臺在農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境下進行了溫度測量實驗，得到了土壤溫度場分布情況，實驗結(jié)果如下：土壤各層溫度隨地表氣溫周期性變化呈周期性變化。隨著深度增加土壤溫度變化逐漸減小，最終趨于恒定。白天淺層土壤溫度顯著高于深層土壤溫度，而夜間地下溫度略高于地表溫度。在一定的濕度范圍內(nèi)，土壤濕度越大，淺層土壤溫度越低。土壤濕度對深層土壤溫度影響較小。