车载式大田土壤电导率在线检测系统设计与试验

现有大田土壤电导率检测装置主要以手持式为主,存在检测效率低、实时性差等问题。基于电流-电压四端法原理设计了一种车载式大田土壤电导率在线检测系统,系统主要由恒流信号源电路、信号处理电路、Arduino控制器、GPS定位模块及车载传感器等组成,可在线检测大田土壤电导率。通过实验室和大田试验对系统性能进行了验证,试验结果表明,系统具有较好稳定性,动态响应时间约为540 ms,开机预热引起的温漂最大偏差为3.70%,不考虑温差影响下系统检测精度R²为0.734 2,消除温差影响后检测精度R²为0.864 5～0.915 6,均高于商用手持式电导率检测仪,其R²为0.609 5;探究了拖拉机振动、传感器插入深度、作业速度和土壤坚实度对系统检测精度的影响,振动状态相对静止状态,检测数据最大误差为10.37%,且误差主要集中在0～10μS/cm范围内;当作业速度不大于5.0 km/h和传感器插入深度大于等于10 cm时,该系统可稳定进行大田土壤电导率在线检测,且检测地块土壤坚实度不应过小,以确保传感器电极与土壤充分接触。该系统可为开展...     

大田土壤电导率快速检测系统设计与试验

为评价土壤肥力、生产能力及制作精准施肥处方,基于四端法原理设计了一种车载式大田土壤电导率快速检测系统,系统包括交流恒流信号源、信号检测调理电路及GNSS定位系统,可实现土壤田块不同区域内电导率的快速检测.通过试验探究土壤含水率、土壤浸出液电导率、电极入土深度、土壤温度对电极输出信号的影响规律并根据试验结果回归得出预测模...     

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。     

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。     

便携式土壤电导率测试仪改进设计及实验

对基于"电流-电压四端法"的便携式土壤电导率测试仪进行了改进设计,对仪器的稳定性和重复性进行了测试.以北方潮土为研究对象,研究了土壤电导率随含水率和盐分含量变化的规律.实验表明,改进设计显著提高了仪器的重复性和测量精度.系统最大相对误差不超过4.4%,具有良好的稳定性;土壤电导率在含水率为8%～30%范围内呈线性变化,相关系数为0.9635;当盐分含量为0.1%～0.3%时,土壤电导率变化显著,呈线性变化;当盐分含量高于0.3%时,土壤电导率值基本稳定.     

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。     

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TDR土壤电导率测量研究

介绍了基于相位检测的时域反射（P-TDR）技术的工作原理。对8种不同盐分含量的砂壤土土样在5个含水量水平下进行实验,结果显示,信号的反射系数随电导率增加单调减小。分别采用线性和二次多项式对测量结果进行建模实验,并选择二次多项式为P-TDR电导率测量模型,模型的决定系数达0.812以上。土壤含水量对电导率测量有较大影响,在分析了土壤含水量与多项式系数关系的基础上,最终建立了以土壤含水量和反射系数为变量的土壤电导率预测模型。土壤质地等因素对P-TDR电导率测量的影响还需通过田间现场测量实验进行研究。     

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.     

猕猴桃外观尺寸在线检测分级系统设计与试验

目前市场上存在的猕猴桃分级机械主要是针对质量特征进行分级的大型机械,而消费者在购买猕猴桃时往往更注重它的外观品质,且大型设备难以在以农户小规模营销为主的市场环境下得到普及。为了实现猕猴桃外观品质的自动分选,适应广大猕猴桃种植农户的需求,设计了一种基于机器视觉的小型移动式猕猴桃外观尺寸在线检测与分级系统。该系统主要由输送机构、检测机构、分级执行机构和控制系统组成。输送机构采用倾斜式输送带方案,结构简单,便于实现猕猴桃的输送和分级;检测机构采用图像处理的方法得出猕猴桃的大小等级信息;分级执行机构借助猕猴桃的重力与旋转磁铁的开合实现猕猴桃的分离。对样机进行了试制和验证试验,结果表明:该系统的平均分级成功率为96.3%,单个猕猴桃分级时间约为2.5s。该猕猴桃检测分级系统的设计为今后完成多特征指标的融合分级提供了基础和依据。     

基于交流“四端法”的土壤电导率在线实时检测系统

设计了一种土壤电导率在线实时检测系统,给出了交流四端法测量土壤电导率的全套设计方案,完成了信号源、交流恒流源、探针结构、传感器信号调理电路以及采集系统的设计,与直流四端法土壤电导率传感器相比,交流四端法测量土壤电导率方法具有更佳的检测性能。通过与国外同类产品对比研究,本测试系统性能达到了国外同类产品水平,具有更高的性价比。以北京地区土壤为测试样本,本系统检测量程:0~1 520μS/cm,检测误差:-2.2%~2.4%,动态响应时间:544 ms,测量带宽:1 MHz,满足土壤电导率实时在线测量的要求。     

土壤钾离子非接触电导检测装置设计与试验

为确保土壤钾离子检测的时效性和准确性,设计了非接触电导检测装置。首先,设计与毛细管配套的非接触式电导检测池,以金属圆筒结合导电银胶构建激励电极、屏蔽电极和接收电极。其次,构建非接触式电导检测器,包括激励信号发生电路、前置放大电路及检波放大电路,搭建了一个板级的激励信号发生电路,该电路采用考毕兹振荡器电路匹配高频变压器的方案。前置放大电路采用跨阻放大拓扑,检波放大电路将前置放大电路输出的毫伏级交流电压信号,通过整流、调零、程控放大,得到一个固定范围的直流电压,用于上位机采集。通过电导率的变化波形可以分析出土壤溶液中的钾离子含量。最后,采用设计的非接触式电导检测装置对6种标准土样的钾离子含量进行初步检测分析。结果表明,6种土壤样品的钾离子含量测试结果与标准值的趋势一致,说明此套非接触式电导检测装置能够完成土壤样品的初步检测,并与标准值存在相关关系。     

车载智能土壤采样系统设计与试验

针对传统土壤样本采集操作复杂、劳动强度大、采集精度低和缺乏信息化管理的问题,设计了一种车载智能土壤采样系统。该系统安装于无人驾驶采样车上,系统包括土壤样本自动采集装置和电气控制系统。对系统整个工作过程进行分析,确定了各关键机构及控制硬件的主要工作参数。电气控制系统以运动控制器为控制核心,土壤样本自动采集装置对不同深度范围的土样进行采集,并按地理位置信息分类收集,通过RFID读写器将GPS系统定位所解算的目标采样点的经纬度地理信息和采样深度等信息写入收集土样采样筒底部的电子标签中。性能试验表明,安装于无人驾驶采样车的车载智能土壤采样系统工作运行稳定、可靠,能够对农耕层0~200mm任意深度范围的土壤进行自动分层采样,效率高、精度高、全程自动化,能够按照位置信息进行分类管理,较好地满足了智能化高质量采集土样的需求。     

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。     

基于电磁感应数据的电导率反演模型研究

【目的】土壤盐渍化是限制新疆南部棉花高产的主要因子,准确获取区域尺度土壤剖面盐分信息。【方法】以南疆阿拉尔垦区为研究区,以田间尺度采集的30个不同盐渍化程度棉田的540个样点的0~0.375、0~0.750、0~1.000 m的土壤剖面电导率数据和对应的电磁感应数据为数据源,采用线性模型和非线性模型分别构建了田间尺度和区域尺度的土壤剖面电导率的电磁感应反演模型,并采用缩减建模样本量方法进一步检验了区域尺度模型的可靠性和稳定性。【结果】多元线性回归(MLR)、偏最小二乘回归(PLSR)和主成分回归(PCR)建模方法的田间尺度模型R²在0.88~0.95,而对应的区域尺度模型R²在0.34~0.53。基于随机森林(RF)、神经网络(NN)和支持向量机(SVM)非线性建模方法构建的土壤剖面电导率的区域尺度电磁感应反演模型R²在0.60~0.85,其中RF模型的精度最高。0~0.375、0~0.750、0~1.000 m土壤剖面电导率的RF反演模型R²分别为0.80、0.85和0.84,相较于线性建模方法的区域尺度模型精度有明显的提高。RF区域尺度模型的样本数量由540个缩减到240个,模型精度没有明显变化,表明采用区域尺度模型,可大幅度降低土壤剖面样本采集数量,从而可显著提高采样效率和降低采样成本。【结论】区域尺度下构建土壤剖面电导率反演模型时,随机森林建模方法效果较优,模型预测能力具有较高的可靠性。     

基于近红外光谱信息的土壤电导率预测模型研究

利用土壤含水率与近红外光谱土壤反射率和土壤电导率三者之间的关系,以土壤含水率为中间变量,间接表达土壤光谱反射率和土壤电导率之间的关系。土壤含水率与土壤光谱反射率存在指数关系,土壤含水率与土壤电导率存在线性关系,消除中间变量（土壤含水率）,得到土壤光谱反射率和土壤电导率之间的关系。以土壤水分敏感波段1450nm作为研究对象,研究土壤电导率的预测模型,分别建立指数预测模型和对数预测模型,并分别对两种模型进行验证。本文实验建模集样本72个,验证集样本48个,土壤电导率对数预测模型R2达0.80,土壤电导率指数预测模型R2达0.85,预测效果均可满足农田电导率估算,但对数模型在土壤电导率较低区间预测效果不理想,因此土壤电导率指数预测模型预测效果优于对数模型的预测效果。研究结果表明,土壤光谱反射率预测土壤电导率的方案可行,并为光谱信息预测土壤电导率提供了新思路。