基于时域传输原理的土壤水分测试仪研究

为利用时域测量技术实时、快速、准确地测量土壤水分,设计了一种低成本的基于时域传输(TDT)原理的土壤水分测试仪。仪器的探头采用末端封闭的回路结构,信号在探头上单程传输,通过测量电磁波在土壤介质中的传输时间测量出土壤的介电常数,再通过土壤标定方程得到土壤水分。时域传输仪由高频脉冲信号源、同轴传输线、U型回路结构探头、以TDC-GP2时间间隔测量芯片为核心的传输时间测量电路和以LPC2132 ARM微控制器为核心的控制电路组成。通过标准溶液测试和土壤测试试验,验证了双U型探头的测量结果好于单U型探头,仪器使用双U型探头测量传输时间的均方根误差为43.9 ps,测量介电常数的均方根误差为0.791,使用TOPP方程测量砂土土壤含水率的均方根误差为0.029 cm~3/cm~3,测量壤土土壤含水率的均方根误差为0.039 cm~3/cm~3。结果表明设计的时域传输土壤水分测试仪可以准确地测量土壤介电常数和土壤体积含水率。     

土壤水分速测仪的设计

介绍了一种根据土壤介电常数和传输线理论来测量土壤含水量的新型土壤水分测试仪,主要由土壤水分传感器和STC89C58为核心的单片机系统组成.实验研究表明:土壤种类、容重对传感器输出影响较小,可满足对大多数土壤的测量要求;土壤含盐量对传感器输出影响较大,如需测世含盐量较高的土壤,应对传感器进行特别标定.     

EC-5土壤水分传感器温度影响机理及补偿方法研究

针对EC-5传感器温度实验中出现的两种截然不同现象,根据温度对土壤介电常数和电导率影响的机理分析,建立土壤水分传感器测试结果随温度变化的理论模型。通过对模型的仿真分析发现,EC-5传感器测得的土壤水分含量随温度变化的趋势与土壤电导率密切相关。利用最小二乘支持向量机对传感器的温度实验数据建立补偿函数并提出相应补偿算法,有效地抵消了温度变化造成的传感器测试误差。     

一种土壤水分传感器性能测试的方法及应用

针对目前土壤水分传感器室内标定时很难得到含水率均匀的土样,设计了一种试验装置和测试方法。通过一系列室内试验,对3种土壤水分传感器进行了测试和标定。结果证明,这种方法对于短探针土壤水分传感器的标定切实可用,同一种传感器在不同质地土壤中标定曲线不同,给出了3种传感器在砂土、壤土、粘土中的标定曲线,并分别从线性度、敏感度、稳定性等方面对3种土壤水分传感器进行了分析比较。     

SMP-O1土壤水分传感器研制

根据传输线理论设计出一种土壤水分传感器，实验率定结果表明，该传感器具有一定的实用价值，为科学研究和农业生产的现代化管理提供了一种科学的手段。     

管式土壤水分传感器探头的研制

设计了一种基于电场边缘效应的管式土壤水分传感器。为了研究圆环电极几何结构对水分传感器灵敏度及有效测量范围的影响,采用有限元分析软件Maxwell分析了不同参数组合下探头的电场分布和电容变化,得到了传感器探头最优结构参数组合。试验表明:优化后的土壤水分自制传感器测量值与传统烘干法测量值对比,两者决定系数R2=0.997 6,最大绝对误差为1.60%,提高了传感器的测量精度,可应用于农业生产实践中。     

管式土壤水分传感器的性能测试

为了测量同一位置不同深度剖面的土壤水分,设计了一种基于驻波原理(SWR)的管式土壤剖面水分传感器,详细介绍了土壤水分传感器的工作原理和传感器的组成结构,并对传感器技术特性进行了深入的试验研究。在实验室用称重拌土法制作系列标准土柱,将传感器的测量值与称量计算的标准值进行比较,试验结果表明,SWR原理的管式土壤水分传感器在表层10cm以下测量时具有较高的测量精度,误差极限小于±2%(cm3/cm3);具有很好的重复性,重复性误差小于1%(cm3/cm3);验证了传感器测量的体积范围在围绕探头的直径150mm的圆柱体内。     

基于太阳能的无线土壤水分传感器的研制

为实现土壤水分的自动检测与无线传输,采用电场法检测土壤质量含水率,利用Zigbee技术构建无线传感网络实现数据传送。利用太阳能电池收集太阳能并存储于锂电池中,实现对系统供电。通过合理的充放电管理,能有效地延长锂电池寿命。试验结果表明,该传感器能够实现0～30%间的土壤质量含水率的测量,相对误差小于10%。利用Zigbee模块及MiWi(TM)协议栈构建星形网络能实现数据无线传输。当节点发射功率为1 mW时,在无阻挡条件下可靠传输距离为30 m,在有农作物遮挡时,可靠传输距离为10 m左右。在1 h采集发送     

土壤容重变化与土壤水分状况和土壤水分检测的关系研究

以湖北地区黄棕壤、水稻土、潮土为供试土壤,通过土壤在脱水干燥过程中客重增大和模拟不同容重级别土壤所引起的土壤水分状况变化,研究了土壤容重与体积含水量、土壤水分类型、土壤水分利用、土壤水分运动相伴变化的关系以及土壤容重与土壤水分检测的关系.试验结果表明,随着土壤容重增加,其饱和含水量、重力水含量、有效水含量减小,其凋萎含水量、无效水含量增加;其饱和导水率减小,非饱和导水率增加;同时土壤容重变化影响土壤水分运动参数的表述和土壤水分运动方程的应用以及土壤水分检测及其结果的应用.     

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。     

基于VIS-NIR的播种沟内土壤水分测量传感器研究

基于土壤水分的播深调整技术,需要对播种沟土壤水分进行测量,以便根据落种点处的土壤水分信息进行播种调节,改变播种策略。本文设计了一种可见光近红外(Visible and near-infrared,VIS NIR)式土壤水分传感器。使用高分辨率光谱仪采集不同水分梯度的土壤光谱数据,采用偏最小二乘回归法(Partial least squares regression,PLSR)进行建模分析,并结合多种数据降维方法进行变量筛选,得出不同土壤含水率的敏感波段分别在410、540、780、970 nm附近;通过对这4种波长进行组合建模分析,选择得出预测最优的VIS和NIR波长组合为410 nm和970 nm。采用这两种波长设计传感器,并进行实验室试验,结果表明:当传感器与被测土壤表面距离d较近时(0~3 mm),测量精度和稳定性最好;当d为0~3 mm、土壤质量含水率处于0.69%~28.45%时,真实值与预测值之间决定系数R²达到0.81,均方根误差(RMSE)为2.90%;当土壤质量含水率处于0.69%~22%时,真实值与预测值之间R 2提高至0.93,此时均方根误差降低为1.72%。通过析因试验得出,在显著性水平为0.05时,温度与光照强度对传感器正常工作没有明显影响。土槽试验表明,真实值与预测值之间R²为0.82,RMSE为1.23%,满足玉米等作物播种环节土壤水分的测量要求。     

土壤含水量传感器的研究和实验

阐述了果树土壤含水量传感器的研究现状、传感器的基本原理、结构组成、信号转换调节电路和标定测量方法、实验结果等。土壤含水量传感器将成本低廉的石膏块法加以改进。将平行电极改为同心螺旋电极，较之传统的石膏块平衡速度提高，响应时间缩短。研究表明。植物的蒸腾流速率与土壤含水量密切相关。蒸腾流速率随土壤含水量的增加而增强。在土壤含水量达到一定程度后。蒸腾流速率才不受其影响。     

基于阻抗的土壤墒情检测传感器模型

介绍了一种基于阻抗模型设计的土壤墒情传感器,根据土壤的含水率会影响到其介电系数的基本原理,设计了传感器的模型。在理论推导的基础上,又通过仿真试验来验证其准确性,最终得到一种效果明显、数据准确、价格低廉的传感器。通过仿真试验检测,其误差可以控制在±1.4%以内。     

基于TDR的土壤水分传感器设计与试验

针对农田环境下观测作物生长所需土壤水分变化的实际需要,研制了一种基于TDR原理的新型土壤水分传感器。运用等效采样原理和窄脉冲激励来构建高速波形重建方法,同时设计开发 PC 上位机软件,通过蓝牙技术将TDR测量设备与上位机软件进行通信,测量结果可实时无线传输。为验证其性能,进行了4种不同质地土壤的标定试验,并与波兰Easy Test 公司的FOM／mts型TDR进行对比。试验结果表明：该传感器在土壤含水量非饱和状态下,测量结果与土壤实际含水量线性相关度达到0．97以上,且几乎不受土壤质地影响,具有一定的推广应用价值。     

土壤剖面水分传感器探头仿真与试验

为准确掌握土壤墒情信息,针对农田环境下不同作物根区土壤含水率变化难以实时观测的问题,对土壤剖面水分传感器探头进行了仿真,并通过试验验证,给出了传感器探头设计尺寸的优选方案。在建立传感器探头微量化平面电容二维模型的基础上,分析了传感器探头结构变化对探头微量化平面电容周围电场强度和电容变化的影响,确定了探头结构尺寸的最优组合。当探头铜环电极外径40 mm、内径38.4 mm、轴向长度20 mm、轴向间距15 mm时,探头的灵敏性和探测范围最优。试验结果表明,本文研究的土壤剖面水分传感器测量精度为±1.42%,具有很高的稳定性和一致性。所设计的传感器探头可以根据实际测量深度需要任意组合,满足不同作物根区深度的土壤含水率测量需求。     

基于无线传感器网络的土壤含水率监测系统设计

针对农业生产过程中信息监测点相对分散和数据有线传输方式的局限性,设计和开发了一种基于无线传感器网络的农田土壤含水率监测系统,系统由3个土壤含水率监测终端节点、1个路由节点和1个网关节点组成。传感器采用蓄电池供电,终端节点和路由节点采用干电池供电,各节点间通信遵循Zigbee通信协议。同时,开发了数据采集、无线通信等程序,能够以任意时间间隔采集监测点土壤含水率数据,实现数据的处理、传输和存储等功能。实验结果表明,系统能实现数据的稳定传输,适合农田土壤含水率实时监测。