大田尺度下车载式土壤多参数测量方法研究

应用自行研制的土壤含水量、电导率与耕作阻力车载测试系统以及EM38电导率测试仪，在特定的耕作和施肥管理制度试验田中进行大田尺度下的土壤多参数车载测量研究。在土壤参数空间分布信息基础上进行相关分析，结果表明复合传感器具备农田土壤含水量和电导率变异响应能力，进一步建立了农田土壤电导率与含水量、耕作阻力以及施肥信息之间的统计预测模型。     

基于相位检测原理的土壤水分时域反射测量技术

针对土壤水分测量的特点,提出了用高频正弦波代替脉冲信号作为测试信号,利用相位检测原理测量信号传播时间,从而测量土壤含水量的方法.设计了由高频信号发生器、相位检测器、微处理器和土壤水分探头等组成的P-TDR原理样机.试验表明,该样机测量信号传播时间的精度可达到10 ps,在砂土、壤土和粘壤土中的土壤含水量测量结果与称重法对比差值不超过0.03.     

利用电容式传感器连续监测土壤硝态氮质量分数的试验研究

通过室内和田间试验,研究土壤硝态氮质量分数与电容式传感器监测的土壤电导率、含水率和温度的定量关系。在室内以NH4NO3分析纯为溶质,进行了溶液质量浓度0～10g/L的7次土柱试验;在2009年和2010年春玉米生育期内监测了不同滴灌水量条件下土壤电导率、含水率和温度动态变化。结果表明,土壤电导率能较好的反映土壤硝态氮质量分数的变化;土壤硝态氮质量分数与电导率、含水率和温度之间的关系可用二次多项式描述,且3个土壤参数对土壤硝态氮质量分数的影响均达到了极显著水平(P≤0.01);由于回归模型的拟合精度受土壤初始养分盐分质量分数及空间变异等因素的影响,为获得较高的预测精度,应进行田间标定。     

面向车载式测量的土壤含水量与电导率复合传感器设计

基于介电方法设计了符合车载测量要求的四环电极结构土壤含水量与电导率复合传感器。分别在NaCl电导率溶液、含水土样和混合土样中进行标定试验分析，结果证实了复合传感器的可行性。通过分析混合土样中含水量和电导率与传感器输出信号之间的相关性，分别建立土壤含水量与电导率的统计预测模型。     

四端法土壤电导率传感器恒流源设计与试验

土壤信息对于指导农业生产有着极为重要的作用，土壤电导率反映了土壤含水量、盐分、粘粒含量和类型等土壤信息，准确获取土壤电导率对于实现农业精细化生产意义重大。在各种土壤电导率测量方法中，四端法因其成本低、精度高、测量快速和操作简便而大量应用于实际测量；恒流源是四端法测量仪器的重要组成部分，其性能直接决定着测量仪器的精度以及测量范围。本文对比了3种恒流源对测量仪器测量性能的影响，发现采用Howland恒流源的四端法测量仪器高电导率测量能力强而低电导率测量范围较小，测量精度最高；采用改进型Howland恒流源的四端法测量仪器低电导率测量范围有所扩大，测量精度良好；采用基于差动放大器的恒流源的电导率仪低电导率测量范围最大，高电导率测量范围较优，测量精度良好。     

基于数字示波器的车载式土壤电导率检测系统研究

在电流-电压四端法原理基础上，采用信号发生器替代恒流源作为激励源来提供振幅更大、稳定性更高的正弦信号，以数字示波器替代电压源进行反馈信号检测从而解决电压有效值转换和AD转换频率较慢的问题，改进设计开发了一款基于数字示波器的土壤电导率检测系统。农田现场车载式测量实验分为稳定性检测和定点测量两部分。稳定性实验测试下该检测系统能够稳定读取相关数据。农田定点测量实验结合土壤样本采集和实验室实验，得出每个定点测量点土壤电导率测量值和土壤电导率实验室真值（R2=0.7531）。根据实验中拖拉机牵引犁盘抖动导致电极与待测土壤之间形成的两种测量接触面的情况，分析并消除了实验中拖拉机抖动现象对数据结果的影响后，土壤电导率实测数据与实验数据之间的决定系数R2提高到0.8552~0.9066，表明设备能够在排除测量方式等外界因素影响下，测量精度达到较高水平。实验数据对比结果显示，基于数字示波器的车载式土壤电导率仪能够在农田现场进行稳定测量，并且具有较好的性能和准确度。     

农田土壤pH值和电导率采集仪设计与试

设计开发了测量pH值和电导率的农田信息采集仪。在探讨该仪器测量原理和软硬件设计的基础上，分别采用两点校正法和配比KCl溶液法对采集仪的pH值和电导率测量进行了标定试验，并在一块黄豆田间隔14m×14m进行土壤采样，共采土样15个，对标定方程进行了验证试验。结果表明，土壤pH值标定结果和准确值的相对误差小于1%，土壤电导率相对误差小于14%；土壤pH值标定结果和准确值线性回归模型检验显著性概率为0.0478，决定系数为0.8978；土壤电导率标定结果和准确值线性回归模型检验显著性概率为0.0004，决定系数为0.9716，所建立的pH值和电导率标定方程都是可靠的。     

尿素对土壤水分传感器测量精度的影响

土壤水分的精准测量对节水灌溉、墒情监测、水肥一体化等领域具有重要意义，土壤氮含量会影响水分传感器的测量。为了消除这种影响，设计了不同尿素质量对不同水分含量土壤样本的监测实验，采用高灵敏度水分传感器并对尿素干扰下的输出电压进行监测，通过称重法监测土壤样本的含水率，使用LCR电桥测试仪监测土壤样本的电容和电阻。为了研究氮含量影响水分测量的机理，根据实验数据建立了三元三次多项式、BP神经网络、深度学习3种预测模型，并对预测结果进行误差分析。结果表明，相同土壤含水率条件下，尿素质量与土壤水分传感器输出值呈周期性的振荡关系。3种预测模型的平均绝对误差分别为0.77%、0.64%、0.75%，BP神经网络模型有98%误差集中在0~2%区间，误差峰值仅为2.07%，确立BP神经网络模型为最佳抗尿素干扰水分预测模型。     

基于非线性耦合的土壤电导率传感器标定方法

针对土壤电导率传感器测量不准确的问题,提出了不考虑含水率θ与考虑θ的非线性耦合标定模型,并开展了土壤电导率传感器的标定与验证试验。标定试验采用新疆维吾尔自治区阿拉尔市十团苹果园沙土,使用去离子水与NaCl设计了9组含水率梯度与6组含盐量梯度共54组土样,分别使用土壤电导率传感器与高精度电导率仪对土样的电导率进行测量;根据耦合模型分别对不考虑θ、考虑θ以及考虑θ细分的3种处理进行拟合分析;最后对同一苹果园设计了大田验证试验。结果表明,土壤电导率传感器测量的电导率EC₀以及电导率仪测量的电导率EC₁与土壤含盐量均呈正相关,EC₀随θ的增加而增加,EC₁随θ的增加而减少;3次拟合结果表明,θ对电导率测量有显著影响,随θ细分,3个处理的残差逐渐减小,拟合决定系数R²均不小于0.839且逐渐增大;验证试验结果表明所提出耦合模型可以有效提高电导率测量精度,该标定方法可为土壤电导率准确测量以及土壤电导率传感器标定校准等相关研究提供依据。     

农田土壤pH值和电导率采集仪设计与试验

设计开发了测量pH值和电导率的农田信息采集仪.在探讨该仪器测量原理和软硬件设计的基础上,分别采用两点校正法和配比KCl溶液法对采集仪的pH值和电导率测量进行了标定试验,并在一块黄豆田间隔14 m×14 m进行土壤采样,共采土样15个,对标定方程进行了验证试验.结果表明,土壤pH值标定结果和准确值的相对误差小于1%,土壤电导率相对误差小于14%;土壤pH值标定结果和准确值线性回归模型检验显著性概率为0.047 8,决定系数为0.897 8;土壤电导率标定结果和准确值线性回归模型检验显著性概率为0.000 4,决定系数为0.971 6,所建立的pH值和电导率标定方程都是可靠的.