温度对FDR土壤湿度传感器的影响研究

在利用FDR土壤湿度传感器测量土壤湿度时,土壤温度的变化会使测量结果产生较大的误差,因此要对FDR土壤湿度传感器进行温度补偿。为了研究温度对FDR土壤湿度传感器的影响规律,利用不同湿度的土壤样本在不同温度下进行实验。根据实验结果采用二元回归分析法对FDR土壤湿度传感器和土壤温度传感器的输出进行数据融合,消除温度对FDR土壤湿度传感器的影响。融合补偿后的数据结果比未补偿的数据受温度影响减小,更加接近土壤真实湿度值,大大减小了土壤温度对测量结果的影响。     

SWR土壤湿度传感器温漂特性与补偿研究

针对基于驻波率(SWR)原理的土壤湿度传感器在长期工作中受温度影响的问题,提出基于二元回归分析法的温度补偿模型,利用最小二乘原理确定补偿模型的待定参数,对传感器进行温度补偿。从硬件电路和测量原理对SWR土壤湿度传感器的温漂特性进行研究。使用高低温交变湿热实验箱,在设定温度5～45℃范围内进行实验,测试结果表明,在温度补偿前该传感器测量土壤体积含水率的最大绝对误差范围为-2. 65%～2. 22%,其最大相对误差为29. 76%,最大均方误差为2. 211 9%。将SWR土壤湿度传感器输出值与PT100型温度传感器输出值进行数据融合,基于最小二乘优化计算的二元回归分析法得到温度补偿模型,其拟合的决定系数为0. 998。取不同温度下的实验数据进行补偿模型的验证,结果表明,SWR土壤湿度传感器进行温度补偿后,其测量结果的最大绝对误差范围为-0. 26%～0. 69%,最大相对误差不超过5. 23%,均方误差较补偿之前减小一个数量级,且最大均方误差为0. 157%。表明采用该温度补偿模型可以有效减小温度对SWR土壤湿度传感器的影响,提高其测量结果的精度和可靠性。     

基于含水率与温度补偿的土壤pH值在线实时检测系统

针对目前常用土壤pH值传感器在测量过程中受土壤含水率和温度影响较大的问题,设计了带有温度、含水率补偿模型的锑电极土壤pH值在线实时检测系统。利用最小二乘法对pH值和测量结果进行线性分析,补偿土壤pH值测量误差。试验结果表明,经过补偿之后,由温度和含水率变化导致的pH值测量误差至少可降低84. 5%,pH值测量值随温度和含水率的变化幅度不超过±0. 1。与市场产品ZD-18型土壤酸度计、HYSWR-ARC-12V型土壤含水率传感器、水银温度计对比研究得出,3项指标线性拟合决定系数均达到0. 99以上。为了确保自然环境下土壤pH值测量的适用性,探索了系统在使用过程中土壤含水率的阈值与测量精度,表明在土壤体积含水率大于5%的情况下均可有效测量。试验表明,在pH值3. 06～10. 36范围之内,本系统可有效测量,检测误差为-1. 53%～3. 51%,满足土壤pH值实时在线测量要求。     

堆肥物料容重、温度对频域反射传感器检测模型的影响

为探究堆肥物料容重和温度对频域反射法(FDR)含水率检测结果的综合影响规律,以猪粪和秸秆混合物料为研究对象,以基于FDR技术的FDS-100型水分传感器为检测仪器,研究了堆肥物料的含水率(35%～65%)、容重(602.41～758.58 kg/m~3)和温度(25～65℃)对传感器检测精度的影响,建立了传感器检测值与物料含水率、容重及温度之间的响应曲面模型,并对模型进行可行性分析。通过烘干法检测值与模型计算值建立了FDR水分传感器检测值与物料含水率之间的综合检测数学模型,并验证了模型准确性。结果表明:根据模型计算值与实际含水率的绝对误差范围为-1.1%～4.3%,平均绝对值误差为2.27%。本研究对开发具有容重和温度补偿功能的FDR堆肥物料含水率传感器的综合检测模型有指导作用。     

基于土壤LF-UHF频段介电特性的FDR测量频率研究

土壤介电特性是影响FDR传感器测量土壤含水量精度和适应性的重要物理参数。为了确定28 mm长、10 mm间距的7探针FDR传感器理想频率,通过矢量网络分析仪对4种不同土壤的LF-UHF频段(1 MHz～3 GHz)散射参数进行了测量,通过Logsdon和Laird模型变换,使用Matlab进行了4种土壤表观介电常数的计算和绘制。通过土壤介电频谱分析,研究了土壤极化机理,分析了土壤介电特性与频率的关系,确定了FDR传感器的工作频段为44～398 MHz,考虑到温度对极化的影响,其最佳工作频段为62～110 MHz,其中75 MHz是其工作的最佳频率。此频率下土壤介电值仅对土壤含水量敏感,是消除温度等因素对FDR传感器影响的理想频率。     

土壤多参数复合测试系统研究

设计了一种同时采集土壤含水率、电导率及温度的多参数复合测试系统,对基于驻波率原理的土壤含水率测量方法、基于电流电压"四端法"的土壤电导率测量方法和基于"铂电阻"的土壤温度测量方法做了较为深入的研究。以北京地区土壤为测试样本,土壤含水率、温度及电导率传感器的输出与对应的测量值线性拟合相关性分别为0.998 3、0.999 8、0.999 1,动态响应时间依次为土壤含水率460 ms、温度13 s、电导率2.28 s,稳定性测试结果的标准差分别为土壤含水率0.011 5、温度0.001 4、电导率0.010 3,系统稳态及动态性能均满足土壤多参数的测量要求。对土壤多参数复合测试系统的抗干扰性能进行了分析与论证,得出在采用分时供电的前提下,多参数复合测试系统的干扰主要存在于土壤含水率与土壤温度之间,即土壤温度探针作为介质异物会造成土壤含水率测量值的升高,这是一个系统误差,可在数据处理中进行统一补偿。选用得到普遍认可的土壤含水率传感器、土壤温度传感器、土壤电导率传感器与本研究的土壤多参数复合测试系统进行性能对比研究表明:本系统满足土壤含水率、温度和电导率实时在线测量的要求,可以为精细农林业提供一种高精度的便携式土壤多参数检测工具。     

冻融过程对FDR测量土壤体积含水量的影响

为研究冻融过程对FDR测量土壤体积含水量的影响,采用基于FDR技术的土壤水分传感器TDR-3,通过室内温度实验箱控制环境温度范围为-20～20 ℃,对冻融过程中黏性土样体积含水量进行了测试分析．结果表明:采用FDR测量黏性土样体积含水量,在土样未进行冻融前,温度在0 ℃以上时,FDR的测量值随温度呈线性变化,随着温度的升高而增大,随着温度的降低而减小;黏性土样冻融过程中,在冻结过程中,FDR的测量值随着温度的降低逐渐减小;在融化过程中,随着温度的升高,FDR的测量值逐渐增大;相同温度条件下,黏性土冻结过程中FDR的测量值明显大于黏性土融化过程中FDR的测量值,0℃时两者差值最大,该差值受土壤初始体积含水量和冻融温度的影响．研究成果对于提高FDR测量冻融过程中土壤体积含水量的可靠性具有重要意义．     

FDR土壤水分传感器田间性能测试分析

为了解不同土壤水分传感器的工作性能,以目前国内应用最为广泛的频域反射性(FDR)土壤水分传感器为例,考虑当前新型的探管式结构,选取3种国产主流的FDR (管式)传感器(编号为Q1、Q2和Q3)进行261 d的田间性能测试试验。结果表明:3种传感器监测的土壤含水量曲线变化规律一致,峰值出现在有降雨时,表层土壤含水量曲线波动幅度大于深层土壤。但3种传感器在绝对数值上存在较大差异,土壤含水量变异系数在0.20～0.58之间。3种传感器的观测数值受温度影响较大,表层(0～20 cm)土壤变异系数大于深层土壤,增幅为38%以上,夏季(6月到7月)的土壤含水率变异系数大于其他季节,增幅为16%。通过对传感器观测值和人工观测值进行数据拟合,分别建立了3种传感器土壤水分的原位二次标定方程,有效降低了传感器之间的变异系数,降幅为53%～66%。因此,在农田应用中,应考虑土壤温度、土壤类型因素对FDR传感器原位二次标定的影响,以消除不同传感器工厂标定的差异性。     

油菜直播地表土壤物理机械特性参数测量装置研究

针对油菜直播地表农田土壤物理机械特性参数室内测量费时费力、田间测量仪器功能单一等问题,设计了一种油菜直播地表土壤物理机械特性参数测量装置,实现集成测量土壤含水率、坚实度、粘聚力和内摩擦角4种土壤物理机械特性参数且测量结果可以通过手机APP实时储存显示。装置基于自走式移动平台实现行走控制,以STM32单片机为核心控制器,利用FDR传感器获取土壤含水率,通过圆锥贯入部件测量土壤坚实度和抗剪切强度参数(包括粘聚力和内摩擦角)。分析了装置的圆锥贯入部件和土壤含水率检测部件测量原理,设计了装置测量控制系统硬件电路及软件,开展了传感器标定试验,确定了柱式压力传感器、薄膜压力传感器和土壤水分传感器的输入输出响应关系。选取71个土壤样本,融合土壤含水率和基于圆锥受力平衡关系获取的摩擦因数,运用最小二乘法建立了土壤粘聚力和内摩擦角数学测量模型,模型决定系数R²分别为0.932和0.956。开展了装置田间测量试验,对土壤含水率、坚实度、粘聚力和内摩擦角进行集成测量,结果表明：相较于AYD-2型土壤坚实度仪、干燥箱干燥法和ZJ-D型直剪仪测量结果,油菜直播地表土壤物理机械特性参数测量装...     

基于窄带物联网的土壤墒情监测系统

为了实时、准确监测土壤含水率,设计了一套基于窄带物联网的土壤墒情监测系统。系统探头采用圆环柱体结构,通过探头中分频器的输出频率测出土壤含水率,并对电容式土壤水分传感器进行了标定。利用恒温箱进行了环境温度对土壤含水率测量精度的影响分析,表明分频频率与温度呈现良好的线性关系,温度变化1℃,探头中分频频率变化0. 138 6 k Hz,从而得到温度补偿方程。在50. 4～65. 5℃和-18. 0～23. 6℃的环境中进行土壤含水率测量实验,结果显示,系统在较高温、较低温的环境下仍可以稳定、可靠运行。     

土壤含水量检测电路的研制

首先介绍了FDR系统的测量原理、测量方法及其在土壤水分监测中的应用.然后利用FDR和单片机AT89S8252研制开发了土壤含水量检测电路,该电路由水分传感器、信号调理电路、显示电路、微处理器等几部分组成,测量的数据可经由串口传到上位机。试验表明:利用本电路与烘干称重法分别测定土样的体积含水率,其相对误差不超过3%,具有测量准确度高、测量速度快、显示直观、价格低廉、操作方便等特点。     

土壤湿度采集节点电压补偿方法——基于最小二乘支持向量机

针对适用于WSN土壤湿度采集节点的EC-5传感器对电源电压敏感的问题,从传感器工作原理入手,分析电源电压引起检测误差的来源,且发现当传感器各项参数确定后,这种误差是随被测土壤湿度增大而增大的。采用CC 2 4 3 0芯片作为WSN信息传输节点,建立具有多节点的上下位机WSN土壤湿度采集系统,以节点电压和被测土壤实际湿度为对象,运用最小二乘支持向量机对采集节点中非线性土壤湿度传感器系统进行逆向建模,在上位机上实现由电源电压引起EC-5传感器检测误差的补偿。实验和仿真结果表明,该方法能有效地减少节点电池电压变化对WSN土壤湿度采集精度的影响。     

FDR探头结构对土壤介电谱测量的影响分析

为了研究FDR探头结构中探针间距和探针长度对土壤介电谱测量的影响,通过矢量网络分析仪分别对2种土壤的4个不同体积含水率进行了介电谱测量,通过28 mm长度下10 mm、14 mm探针间距探头和10 mm间距下28 mm、45 mm长度探头所测介电谱对比发现,在31.2 MHz以上频段探针间距对土壤介电谱测量影响很小,而探针长度在不同频段对土壤介电实部或虚部均有不同影响。研究表明,探针间距不是土壤介电谱测量的影响因素,根据测量需要可对其进行一定范围的调整;探针长度影响土壤介电谱弛豫频率值,探针越短其弛豫频率越大,探针长度是影响土壤介电谱测量的关键因素之一。FDR探头的探针应适当缩短以拓展介电谱平滑段的频率范围,这有利于FDR传感器测量精度和环境适应性的提高。     

基于电容式湿度传感器的砂土水分含量测定

为了研究电容式土壤湿度传感器在砂性土壤蒸发不同阶段水分含量测定时存在测值偏差问题,采用直接称重求含水率法对比电容式土壤湿度传感器测量水分含量法,分析了初始饱和砂土柱蒸发条件下水分含量变化过程。结果表明;电容式湿度传感器量测法与电子秤量法在不同阶段含水率测值表现出差异性与相关性;传感器的插入影响试样蒸发过程:相较于原状土,前期扰动土蒸发速率偏高,中期偏低,后期基本一致。电容式湿度传感器测值偏差是由于插入电极薄片改变了原状土壤试样蒸发条件,其偏差程度与形成机理可从微观角度阐述,电容式土壤湿度传感器测量砂土蒸发过程中水分含量时具有分段式最佳表征形式。     

多层土壤剖面复合传感器设计与性能分析

针对土壤剖面温度与水分检测存在传感器安装困难、对本地土壤扰动比较大等问题,设计了一种基于驻波比土壤水分测量原理与基于铂电阻测温原理的多层土壤剖面复合传感器。借助矢量网络分析仪与HFSS电磁场仿真软件对传感器电极的阻抗特性与电场分布状况进行了分析,确定了铜质检测探头结构为:直径5 cm、宽度2.5 cm、厚度0.09 cm,测试电路激励频率为100 MHz。以3种不同质地土壤作为测试样本,对土壤水分与温度检测单元的输出与对应的测量值分别进行了多项式拟合与线性拟合,相关性均达到0.99以上,系统稳态及动态性能均满足土壤剖面温度与水分的检测要求。通过试验分析了土壤温度与体积含水率对传感器输出的影响,利用统计回归方法建立了传感器在不同温度时的修正模型。在北京市小汤山野外环境下,将传感器工作于埋入土壤的PVC管体中,同时获取3层土壤温度与水分剖面信息,数据可靠,性能稳定,为实时获取多层土壤墒情及土壤温度提供了一种高效方法。     

基于双线性理论的土壤介电测量研究

针对目前土壤介电计算模型适应性差等问题,基于双线性理论构建了双线性介电计算模型。为探究双线性介电计算模型对土壤介电测量的适应性,选用7种不同质地土壤分别配置0、5、10、15、20、25、30cm3/cm3体积含水率,在0.001～3GHz频域内进行不同含水率下介电谱测量。分析发现,该模型介电谱可很好地反映土壤不同含水率下混合介质的介电特性;土壤含水率介电法测量理想频率点为1.50288GHz。在理想频率点上,基于复介电常数实部和视在介电常数构建了2个土壤含水率频域测量经验公式,通过试验数据分析,土壤含水率复介电实部测量式的计算值与干燥法含水率测量值对比,两者R2为0.9126,RMSE为0.0294cm3/cm3、RPD为3.343;土壤含水率视在介电测量式计算值与干燥法含水率测量值对比,两者R2为0.8907,均优于其他3种经典公式（Topp公式、Roth公式、Malicki公式）。双线性介电计算模型对土壤介电常数计算有良好的适应性,基于该模型建立的土壤含水率频域测量式对土壤含水率有较高的测量精度。     

WSN土壤湿度采集节点电压补偿方法研究

针对适用于WSN土壤湿度采集节点的EC-5传感器对电源电压敏感的问题,从传感器工作原理入手分析电源电压引起检测误差的来源,且发现当传感器各项参数确定后,这种误差随着被测土壤湿度增大而增大。采用CC2430芯片作为WSN信息传输节点,建立具有多节点的上下位机WSN土壤湿度采集系统,以节点电压u和被测土壤实际湿度θ为对象,运用神经网络对采集节点中非线性土壤湿度传感器系统进行逆向建模,在上位机上实现由电源电压引起EC-5传感器检测误差的补偿,实验结果表明,该方法能有效地减少节点电池电压变化对WSN土壤湿度采集精度的影响。     

FDR土壤水分传感器的快速校准与验证

FDR(Frequency Domain Reflectometry)土壤水分传感器是一种用于测量土壤含水量的传感器,本文以FDR土壤水分传感器的工作原理为基础,重点研究了FDR传感器的快速校准方法,使之与标准传感器具有相同的输入输出特性。通过软件对FDR传感器进行校准,并利用校准后的系统与标准传感器进行了对比验证,检验结果表明,校准后的传感器与标准传感器的输入输出特性具有良好的一致性。     

基于频域法传感器的基质含水率检测性能研究

本文对基于频域法FDS-100型土壤含水率传感器在基质含水率中的检测性能进行了研究。首先,对不同配比的基质,使用FDS-100型传感器测量并将测量结果与干燥法得到的标准含水率进行对比,将FDS-100型传感器与ECH2O-5TE型基质含水率传感器在混合基质中的测量性能进行对比,并研究了压实程度、电导率和温度对传感器性能的影响。试验结果表明：FDS-100型传感器在不同配比基质中得到的测量值并不遵循同一曲线;测量值随压实程度增大而增大,测量误差在-1%~10%之间;电导率对测量值有一定影响,测量误差在±5%之间;温度对FDS-100型传感器测量值影响极小,测量误差在2%以下;FDS-100型传感器与ECH2O-5TE型传感器之间的相对误差为4.32%。FDS-100型传感器可用于基质含水率检测,但在实际使用时需要针对不同基质与不同压实程度进行标定。     

基于二硫化钼的电容式土壤湿度传感器

[目的/意义]土壤中含水率直接影响农作物生长状态和产量。开发出一种可靠、高效的土壤湿度传感器对实施农田科学灌溉具有重要指导意义。[方法]本研究提出一种基于微加工工艺制备的二硫化钼电容式土壤湿度传感器,通过叉指电极上同一平面上的金电极阵列实现数个电容并联,表面修饰二硫化钼作为敏感层实现对土壤湿度的测量。通过计算及使用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件研究电极参数对电容敏感度的影响,最终确定电极参数使用10μm间距、75对叉指。[结果和讨论]在保证测量精度的前提下,大大缩小了传感器的体积,可以实现土壤湿度的原位动态监测。在室温下相对湿度值从11%变化到96%时,电容式土壤湿度传感器在200 Hz频率下的电容输出为12.13 pf～187.42 nF;当土壤含水量由8.66%增加到42.75%时,传感器的电容输出在200 Hz频率下由119.51 nF增长到377.98 nF,显示出较高的湿度灵敏度及较宽的敏感范围。[结论]本研究提出的土壤水分传感器有望实现原位长期监测电容式土壤传感器的电容变化,从而监测土壤湿度的变化。