基于介电法原理的传感器技术在土壤水分监测领域应用探究

伴随着传感器技术的发展,市场上出现了多种类型的土壤水分传感器,其中,基于介电法原理的传感器技术,如时域反射法、时域传输法、频域分解法及驻波比法应用最为广泛。通过对土壤水分传感器性能、结构、测量尺度、安装和应用中的问题及解决方法进行探究,总结目前传感器技术在土壤水分监测中的应用。结果表明：当前土壤水分传感器在性能、结构上存在差异性,在测量尺度上存在不确定性,安装方法上可分为垂直剖面法、阶梯法和单点法,在实际应用中,深层土壤水分及小尺度土壤水分自动监测技术以及传感器统一标定方法有待进一步研究。     

土壤水分自动观测站资料评估方法

土壤湿度是控制陆地和大气间水分和能量交换过程的重要变量,而土壤水分自动观测站探测是获取土壤湿度的主要手段。自动观测站探测资料的准确性能够直接影响其应用效果,因此,开展土壤水分自动观测站探测资料评估具有重要意义。基于2015—2016年山东省129个自动观测站土壤湿度数据,采用降水下渗法、上下数据对比等方法,研制成山东省自动观测站资料评估方案,进行了质量评估,并提出整改措施。结果表明:山东省土壤水分自动观测站多数台站存在土壤水文物理特性测定值不准确,土壤水分传感器不稳定、出现故障,个别观测站采集器有问题。     

土壤水分快速测量传感器研究及应用进展

土壤水分的测量直接关系到作物的灌溉,进而影响到作物的产量,是一项长期且艰巨的任务。总结了目前市场上3种主流的基于介电原理的土壤水分传感器,阐述了它们的测量原理、标定方法、影响因素以及性能情况,分析了使用过程中可能出现的一些问题,并对其未来的发展方向进行了展望,旨在为农技、水利部门在选用该类型的土壤水分传感器产品和测量土壤水分的过程中提供一定的参考和借鉴。     

宇宙射线中子法测量土壤水分的原理及应用

宇宙射线中子法是目前测定区域土壤水分较为先进的方法,具有便利、准确、无污染的特性,能够连续、自动地监测半径300 m范围内土壤水分动态变化。目前只有美国Hydroinnova公司进行了宇宙射线中子仪的研发与生产。本研究介绍了宇宙射线中子法的工作原理及其在北京郊区的实地安装、使用,并对影响其测量准确性的相关因素进行了分析。试验结果显示,宇宙射线中子法所计算出土壤水分值与土样计算出的水分值之间的均方根误差和R2分别为0.011 kg/kg和0.71,而经气压和水汽修正前,两者的均方根误差和R2分别为0.022 kg/kg和0.313。表明宇宙射线中子法能够准确、灵敏地感应源区内下垫面土壤水分的变化,且在应用过程中,有必要对气压和空气水分的影响做出修正。     

传感器在农业生产中的应用及其耐低温研究

传感器是农业物联网中的关键环节,但高寒地区对传感器的耐受温度有较高要求,尤其是低温(-40℃)条件下测量数据的准确性及传感器的耐用性,直接影响物联网的整体调控运行。本研究介绍了传感器在农业生产中的各项应用,并对农业物联网中主要的2类传感器(大气温湿度传感器和照度传感器)的性能进行了-40℃耐低温测试,为农民选择传感器提供帮助。     

用于较大水平位移测量的电阻应变式位移传感器

针对目前位移传感器很难直接测得木结构或木构件在转动中产生较大绝对水平位移的问题,研制了量程为±500 mm的电阻应变式位移传感器（WD位移传感器）,应用正交试验法分析WD位移传感器的影响因素,并对其进行设计与制作,拟合了传感器在不同量程下应变位移的分段函数关系,通过计算得出了WD位移传感器的6种静态参数指标。试验结果表明,WD位移传感器克服了传统电阻应变式位移传感器量程小的问题,解决了木结构或木构件发生非直线运动很难直接测得绝对水平位移的问题,且各静态参数指标良好。     

农产品微环境监测系统设计

设计了一款将农产品微环境监测领域所用到的温度、湿度、氧气及二氧化碳气体浓度传感器集成到一起的多功能一体化传感器系统,并且可以通过Si4463无线模块将测得的数据发送给远端服务器,为后续的环境参数预警、保鲜期预测等提供原始的数据信息,利用液晶显示屏实时显示测量结果。该多功能一体化传感器系统解决了传统传感器测量类型单一,且测量数据不能远程传输的问题。经实际测试,该系统运行稳定,为农产品的仓储、物流等环节环境参数的监测提供了极大的便利。     

基于无线传感器网络的粮库温度监测节点设计

无线传感器网络通过自组织的方式构成网络,实时感知并采集处理环境参数,获取准确信息。本文对粮库中采用无线传感器网络进行温度监测的传感器节点进行研究,设计实现了节点的硬件电路,并设计了基于tinyos操作系统的温度采集系统。     

土壤水分对植物根系固土力学性能的影响综述

为了分析土壤水分对植物根系固土力学性能的影响机制,揭示根系固土力学机理和科学防治土壤流失提供基础理论研究思路,本文分析了土壤含水量对根系分布、根系抗拉特性、根系-土壤相互作用、根系-土壤复合体抗剪特性和根系固土力学模型的影响,探讨了根系固土力学性能对土壤含水量的响应机理研究现状及发展趋势。认为根系形态与根系固土效果紧密相关,目前缺乏土壤水分对根系形态及根系固土力学特性的定量研究;对根系抗拉强度和拔出强度的影响因素等关注较多,但对土壤水分变化是否影响根系强度、根土界面摩擦和根系破坏模式研究非常少;土壤水分在植物固持水土的水文效应中研究较多,但其对根系固土力学性能的影响规律尚需进一步研究;评价根系固土力学性能的模型没有考虑或充分考虑土壤水分变化对固土效果的影响,且模型中各影响因素的相对重要性关系尚不清楚。分析结果深化了对降水影响覆盖植被边坡稳定性机理的理解,为深入研究土壤水分与根系固土力学机制相互作用提供了理论基础。     

建立新型的自动土壤水分共享系统

自动土壤水分观测仪利用频域反射法原理来测定土壤体积含水量,由于自动土壤水分传感器在实际测量过程中受到土壤质地、容重、安装结合紧密度等因素的影响,读数差别很大,因此在正式使用前需要进行标定。本文以2002—2009年21个气象站人工土壤重量含水率资料,以及自动土壤水分观测网中对应数据库中土壤重量含水率资料为数据源,借鉴日本方法,以测定大量降雨(100 mm以上)或灌水浸泡24 h后的土壤重量含水率作为田间持水量,调整田间持水量的大小。同时,考虑修订订正仪器测得的土壤体积含水量与人工测得的土壤体积含水量数据的拟合方程(Y=A0+A1X)中的A0、A1两个系数的大小,重新测定修正土壤容重值的大小,建立新型的自动土壤水分共享系统,以期得到更真实的土壤相对湿度资料,供农业气象服务工作应用。     

基于无线传感器网络和WebGIS的墒情监测系统

为了解决墒情监测中便携式监测仪数据存储、发送困难及墒情实时监测和分析等问题,建立了基于无线传感器网络和WebGIS的墒情监测系统。系统以STC单片机为核心芯片,结合GPRS模块、GPS模块,通过无线传感器网络技术,实现土壤水分数据的实时监测及无线传送。建立了数据库,接收监测点数据。并以SuperMap IS.NET和SQL Server 2005为开发平台进行二次开发,将GIS技术与墒情监测结合起来,根据作物耕作深度、作物生长期对土壤含水量进行判断,得出墒情结果。实现墒情监测点信息、土壤含水量曲线图、等值线分布图在Web服务器上的显示。墒情监测系统的建立和使用,对农业生产有深远的意义。     

基于FDR原理的土壤氮含量检测方法的研究

设计一款基于土壤介电理论中的频域反射法(Frequency Domain Reflectometry)的土壤氮含量传感器,提供了一种用于土壤中氮含量的快速测定的新方法。试验装置以2个金属平行板为敏感元件、含氮土壤为电介质,设计试验在不同土壤含水率梯度下,探索土壤含氮量对土壤介电特性的影响,用平行板电极借助磁场来检测土壤中氮含量,建立传感器的输出频率和土壤质量含水率和氮含量的数学模型。试验结果表明,在土壤含水量一致的情况下,传感器的输出频率随着氮素含量的增加呈递减趋势。模型调整R2达到0.97,验证了模型的有效性。在前人研究的基础上,基于已经成熟的驻波比法(Standing Wave Ratio,SWR)土壤水分传感器间接测量含氮土壤的介电常数,使用烘干法得到土壤的容重,即可得到含氮土壤较为精确的含水量,通过建立的模型根据传感器输出频率与含水量得到土壤的氮含量。     

自动与人工观测土壤水分差异对比分析

利用2017年7月28日—2018年9月18日青海省海北牧试站架设的DZN2型自动土壤水分观测仪与人工烘干法平行对比观测土壤水分资料数据,通过对比差值、计算差值概率等相关统计方法,对10~50 cm土壤质量含水率进行逐层分析。结果表明：在研究时段内,海北牧试站自动与人工观测取得的数据随时间的变化趋势基本一致。自动站观测的土壤质量含水率较人工观测值偏低,其中30~50 cm差值相对较小,10~20 cm差值相对较大。根据自动站与人工观测的数据对各层土壤质量含水率进行订正,绝对误差均小于3%,表明海北牧试站自动观测的土壤水分资料基本能代替人工观测,进而为推进农业气象的自动化监测提供一定的技术支撑和理论依据。     

MATHEMATICAL MODEL OF CAPACITANCE SENSOR FOR MOISTURE MEASUREMENT

This paper presents a theoretical mathematical model of capacitance sensor for moisture measurement. The practical mathematical model is provided using least squares theory, an applied example shows higher accuracy of the model.     

山东省农业气象自动观测站土壤水分特征曲线研究

为了更好地对山东省农业气象自动观测站进行评估,研究土壤水分运动规律,根据山东省120个测墒站测定的不同土壤质地类型及其凋萎湿度资料,利用Van Genuchten模型来描述土壤水分特征曲线（h-?曲线）,建立山东省农业气象自动观测站土壤体积含水率和土壤水势的关系。综合分析表明,壤土、粘土的田间稳定有效水含量高于砂土的,稳定向植物供水能力较强,对水分的自身协调能力较强,因而对旱涝灾害的抵抗力也强。     

称重式降水传感器与翻斗雨量传感器测雨性能对比分析

为了观测降水数据的准确性,选取了南通市4个台站2018年4月—10月份的DCS1型称重式降水传感器和SL3-1型翻斗雨量传感器观测的降水数据,分析两者观测的日降水量和降水总量等方面的差异。结果显示：在选取的观测样本中,以人工观测的降雨日数为参考,称重传感器的平均一致率为91.2%;以翻斗传感器观测的降雨日为参考,称重传感器的一致率为94.5%。称重传感器观测的累积降水量与翻斗传感器观测的累积降水量相对平均误差为-1.55%,符合中国气象局规定的相对误差不超过±4%的规范要求。在分析日降水量方面,发现称重传感器比翻斗传感器观测量平均偏小0.29 mm;有明显性降水时,两者在日降水量等级判别上基本一致。称重传感器观测的数据小于翻斗传感器观测的数据概率要高,两种传感器观测的差值分布较为一致。称重传感器在捕捉微量降水的能力不比翻斗传感器差,甚至更好。称重传感器观测的日降水量与翻斗传感器观测的日降水量相关系数为0.99826,达到0.01显著相关的水平。     

DZN1型自动站与人工测定土壤湿度对比分析

为了评价DZN1型土壤水分监测站的监测能力、服务效益和推广使用提供参考依据,对齐河县2011年2月28日—12月13日期间自动土壤水分观测站与人工平行对比观测的土壤相对湿度资料,进行差值对比和概率相关性分析。结果表明,人工观测的数据与自动站取得的数据随时间的变化趋势基本一致,10 cm和40 cm土层人工观测的数据接近于自动站数据,40 cm土层人工与自动观测土壤相对湿度的平均差值在8个层次中为最小,60 cm层次的平均差值为最大。人工与自动站观测数据的相关性在各层均表现显著,给出存在数据偏差的原因及以后仪器运行应注意的问题,认为DZN1型自动站观测的资料基本能代替人工观测的资料。     

土壤容重的修订方法研究

为了自动土壤水分观测资料更准确、更好地服务于实际应用以及应用于科学研究,从理论上分析自动土壤水分观测与人工实测值存在误差的原因及修正办法,通过公式 ,用每次计算的土壤容重的平均值代表修正的土壤容重,分析评估用修正的土壤容重计算土壤重量含水率的可行性。结果表明：土壤容重修正公式可靠,利用自动观测土壤水分含水量以及土壤容重修正公式来计算土壤重量含水率可行,理论上可以取消逢八观测,也为自动土壤水分观测资料的实际应用、为两年一度的自动传感器评估提供一种指导方法。