基于高頻電場(chǎng)的管式土壤水分傳感器研究.pdf

1、我國(guó)是一個(gè)缺水的農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)用水占全國(guó)總用水量的六成以上。實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確獲取土壤水分信息，能及時(shí)了解土壤墑情，對(duì)實(shí)施合理灌溉、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益具有重要意義。針對(duì)目前探針式土壤水分傳感器在安裝時(shí)會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，造成土壤擾動(dòng)的現(xiàn)狀，本文通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外土壤水分測(cè)量技術(shù)的研究進(jìn)展，基于高頻電場(chǎng)原理研究設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，對(duì)土壤擾動(dòng)較小，受土壤理化特性變異影響較小的能連續(xù)監(jiān)測(cè)土壤剖面水分含量的管式土壤水分傳感器。
　　本文的研究工作主要包

2、括以下幾方面:
　　首先，本文從檢測(cè)土壤特定深度含水率的要求著手，設(shè)計(jì)了由事先豎直埋入土壤中的套筒與置于套筒中的金屬圓環(huán)探頭兩部分組成的傳感器基本結(jié)構(gòu)。基于MC1648P芯片，設(shè)計(jì)了自制傳感器的硬件系統(tǒng)。
　　其次，基于高頻電場(chǎng)建立了傳感器的土壤水分測(cè)量理論模型。使用Maxwell有限元分析軟件仿真優(yōu)化了傳感器結(jié)構(gòu)，最終選取電極軸向長(zhǎng)度為20mm，軸向間距為10mm，電極外徑19mm，通過(guò)試驗(yàn)確定PVC套筒壁厚為1.5mm，

3、并選用不銹鋼作為探頭電極材質(zhì)。
　　第三，以烘干法土壤體積含水率測(cè)量值為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)不同體積含水率土壤情況下傳感器的輸出電壓試驗(yàn)，建立了土壤剖面水分傳感器水分測(cè)量靜態(tài)標(biāo)定數(shù)學(xué)模型U=0.6667θv2-0.4876θv+2.7614，其決定系數(shù)R2=0.9987，表明自制傳感器測(cè)量結(jié)果與土壤體積含水率相關(guān)性良好。通過(guò)試驗(yàn)就傳感器的一致性、穩(wěn)定性、重復(fù)性等相關(guān)性能進(jìn)行了測(cè)試。在一致性試驗(yàn)中，對(duì)傳感器兩兩之間進(jìn)行線性擬合，決定系數(shù)R2都

4、在0.99以上，說(shuō)明這傳感器之間具有良好的一致性。在重復(fù)性試驗(yàn)中，傳感器輸出結(jié)果差別不大，最大絕對(duì)誤差1.8％，說(shuō)明自制傳感器具有比較良好的重復(fù)性。在穩(wěn)定性試驗(yàn)中，自制傳感器在不同含水率土壤中標(biāo)準(zhǔn)差為0.00097～0.01258，說(shuō)明自制傳感器穩(wěn)定性優(yōu)異。
　　最后，試驗(yàn)分析了土壤溫度、容重、測(cè)量頻率變化對(duì)傳感器輸出電壓的影響，結(jié)果表明容重變化對(duì)傳感器測(cè)量結(jié)果影響較小，一般不需要重新標(biāo)定。溫度對(duì)傳感器的輸出影響較大，建立檢測(cè)模型

5、θv=55.25U2+1.26×10-5T2-0.053 UT-287.05 U+0.14T+372.97，其P值小于0.0001，表明檢測(cè)模型極顯著。在對(duì)土壤介電常數(shù)的頻率特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)選出傳感器最佳測(cè)量頻率為120MHz。將本文所設(shè)計(jì)的傳感器與EC-5、烘干法進(jìn)行土壤水分測(cè)量對(duì)比試驗(yàn)，自制傳感器與烘干法測(cè)量值決定系數(shù)R12=0.9976，結(jié)果表明傳感器性能良好，能準(zhǔn)確檢測(cè)土壤水分含量。將本文所設(shè)計(jì)的傳感器用于測(cè)量珍