介电型电活性聚合物传感单元设计

基于介电型电活性聚合物(DEAP)变形时的电容变化原理,设计并实现一种传感单元,其内框可在平面内移动,用于检测平面位移。建立该传感单元的几何模型,得出其电容变化和内框位移的关系。采用差动测量法测量敏感单元电容变化,建立了面对面敏感单元的电容差值和内框平移量的关系。利用该传感单元设计了一个二自由度角度传感器用来测量关节转角,同样采用差动测量法建立了电容差值和转角的关系。实验测得其沿X轴和Y轴平移灵敏度为-57.2 pF/mm和-58.0 pF/mm,绕X轴和Y轴旋转灵敏度为-139.4 pF/(°)和141.6 pF/(°)。测试结果与分析结果较为吻合,验证了DEAP应用于位移传感器和角度传感器的可行性。     

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。     

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。     

基于果品介电特性的无损检测技术研究进展

果品介电特性的研究有利于对果品品质进行分析和监控,也能有效地利用电特性对水果进行分选、贮藏、保鲜、加工以及品质检测等。通过对国内外基于介电特性的水果品质无损检测技术的现状及发展方向进行深入的分析研究,指出了目前我国在该领域研究中存在的问题和今后的研究重点。     

农产品介电参数在线检测装置研究

利用平行板式电学参数检测系统,研究一种用于农产品干燥过程检测物料介电参数的综合实验装置,配合LCR数字测量仪器实现在线检测监视、远程控制、数据存储分析功能。装置具有功能齐全、温度控制精准等优点,为实现农产品介电参数在线检测及干燥控制提供理论支持。     

基于准静态同轴探头模型的土壤复介电测量方法

末端开路同轴探头法测量土壤复介电值用于表征土壤含水率具有准确、快捷的优点。针对目前土壤介电同轴探头集总测量模型没有充分考虑探头的参数以及土壤体积对测量结果影响等问题,基于电磁场理论,对末端开路同轴探头建立了准静态数学模型,适用于土壤的复介电常数准确测量。通过全波软件仿真和模型计算结果对比,以无水乙醇介电实测值和理论值对比,验证模型的准确性。采用本文介电测量模型对不同含水率的黄绵土进行测量计算,复介电常数实部与实测土壤含水率二阶多项式拟合决定系数大于0.965,表明本文所提土壤介电测量方法适用于土壤复介电常数和含水率的测量。     

基于介电特性的果品种类识别试验

对苹果、梨和猕猴桃介电参数的电压特性进行了测定。结果表明,信号频率一定时,果品介电参数值随信号电压而变,且存在电压临界值。当信号电压小于该临界值时。电容和损耗角正切值保持不变,当信号电压大于临界值时。电容值随电压的增加呈反比减小,损耗角正切值随电压的增加呈正比增大。根据电压临界值的不同,提出了基于介电特性的果品种类识别方法。采用损耗角正切作为果品种类判别指标。对苹果、梨和猕猴桃的识别率分别为100％、90％和93％。     

基于介电特性的薏米含水率检测方法

研究了测量信号频率(1～1 000 kHz)、温度(5～40℃)和含水率(14.7%～22.7%)对薏米相对介电常数的影响,分析了影响相对介电常数变化的原因,建立了100 kHz下基于相对介电常数和样品温度预测薏米含水率的数学模型,并对模型进行了验证。研究结果表明,在1～1 000 kHz频段内,薏米的相对介电常数随着样品含水率和温度的升高而增大,却随着信号频率的增大单调减小;频率一定时,可用三次多项式表示含水率与相对介电常数和温度的关系;100 kHz下模型的决定系数是0.997 6,实测薏米含水率与预测含水率的决定系数为0.997 7。     

基于介电特性的水果成熟度无损检测研究进展

介绍了近年来应用在水果的成熟度判定和品质筛选上的一种无损检测技术——介电特性检测技术,详细介绍了介电特性测定水果成熟度的基本原理、介电特性测量技术及各测量技术的优缺点,综述了平行极板技术与同轴探头技术在水果成熟度检测上的应用.同时,指出了目前我国在该领域研究中存在的问题和今后的研究重点.     

基于介电特性的小杂粮含水率检测仪设计与试验

以直流充/放电电路、温度传感器DS18B20和等臂电桥电路分别检测小杂粮的电容、温度和容积密度;以C51为程序开发语言,设计了一种基于介电特性的小杂粮含水率检测仪.以小米为对象,应用自制仪器研究了含水率、温度和容积密度对电容的影响规律;建立了描述电容与含水率、温度关系的数学模型;并对模型的可靠性进行了验证.检验了所设计的小杂粮检测仪在基于电容和温度预测小米含水率方面的可行性.结果表明,在湿基含水率11％ ～ 19％、温度5～ 40℃的范围内,该检测仪的测量精度为±0.5％,响应时间小于3 s.     

线区域尺度土壤水分实时测量方法研究

提出了一种线区域尺度的土壤水分测量方法,设计了基于频域振荡法实时检测植物根区尺度土壤水分信息的传感系统。系统由土壤水分传感器、PVC套管、电动机牵引系统以及控制器组成,控制器控制电动机牵引传感器在套管中往复运动,可以实时获取240 cm长度上的土壤体积含水率信息。土壤水分传感器的动态响应时间为32 ms,稳定性测试结果的标准差为0.006 1 V,与时域反射(TDR)土壤水分传感器测量结果的相关性决定系数达到0.989,满足区域性土壤水分实时检测的要求。野外试验证明:当传感系统埋设深度为30 cm时,与相距10 cm平行埋设的BD-Ⅲ型土壤水分传感器(精度为±2%)测量结果的均方误差小于0.5%,能够测量到因降水导致的土壤水分变化,验证了系统的有效性。     

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.     

基于近红外傅里叶特征提取方法的土壤含水率检测

以湖北地区的3种土壤为研究对象,利用偏最小二乘法建立了处理后样品的土壤含水率分析模型,模型预测值与标准值的决定系数为0.995,交叉验证预测均方差为0.801%,模型预测决定系数为0.992,预测均方差为0.912%,利用该模型预测黄土高原地区黄绵土含水率误差均大于4%.利用近红外光谱傅里叶变换特征提取方法对湖北地区黄棕壤、稻田土和潮土建立土壤含水率PLS预测模型,模型决定系数为0.988,交叉验证预测均方差为1.106%,且该模型预测黄绵土的误差均在2%左右,精度较传统模型有较大提高.     

土壤理化特性对土壤剖面水分传感器性能的影响

针对土壤理化特性变异影响土壤剖面多点水分传感器测量误差的问题,面向土壤剖面水分测量,设计了一种高频电容式水分传感器,通过试验分析了土壤温度、电导率、容重等土壤理化特性变异对传感器输出电压的影响,采用统计回归处理方法,建立了基于温度影响下的土壤水分修正模型,并对传感器的性能进行了检验.试验结果表明:在5 ～45℃范围内,传感器输出电压随土壤温度升高而线性递增;电导率大于2 mS/cm时,传感器输出电压随电导率增大而逐渐减小;容重增加使得传感器输出电压呈减小趋势;在常温下此水分传感器测量值与传统干燥法测量值对比,两者决定系数R2=0.967 9,最大测量绝对误差4.70％,均方根误差为0.025 24.     

基于CERES-Wheat和遥感数据的土壤水分供给量反演

以关中平原为研究区域,以冬小麦为研究对象,基于2007—2008年TM遥感数据反演的和CERES-Wheat模型模拟的生物量和叶面积指数,将由离散积分思想计算的日均分摊系数和由冬小麦各生育阶段生长特点划分的分段蒸腾系数引入土壤水分平衡方程,建立土壤水分供给量反演模型。利用该模型进行研究区域2007—2008年冬小麦全生育期的蒸散量和土壤水分供给量的单点和区域尺度的定量反演。选取拥有多时相遥感数据的2000—2001年进行模型验证,结果表明,在充分获取降水、灌溉信息和多时相遥感数据的条件下,土壤水分供给量的反演结果准确度较高。区域尺度的土壤水分供给量呈现出西高东低和北高南低的分布特征,自西北部向东南部逐渐递减,与关中平原冬小麦受水分胁迫程度的区域性变化趋势基本一致,表明应用模型反演冬小麦全生育期的土壤水分供给量是可行的。     

秸秆覆盖对季节性冻融期土壤水分特征的影响

以北方高寒区典型城市哈尔滨市为研究区域,通过冬季大田试验(试验周期2013-11-01—2014-04-30),设置自然无覆盖、覆盖秸秆厚度5、10、15 cm 4个处理,分别测定不同处理下20、40、60、100、140、180 cm深度土壤液态含水率以及气象数据,分析季节性冻融期秸秆覆盖对土壤水分变化特征的影响。研究结果表明:秸秆覆盖使0~60cm土层内液态含水率增加或减小的时间拐点发生延迟,随着秸秆覆盖厚度的增加其延迟效果越明显,但土壤冻结期的延迟效果比冻土融化期明显;秸秆覆盖阻碍了冻土融化初期融雪水入渗,使自然无覆盖处理液态含水率在20、40、60 cm土壤深度出现短暂的峰值,而在冻土融化末期秸秆覆盖抑制了土壤水蒸发,使各秸秆覆盖处理液态含水率在20、40、60 cm土壤深度又高于自然无覆盖。秸秆覆盖可有效平抑冻融期0~60 cm土层土壤液态含水率的变化幅度,且随着土壤深度的增加其平抑效果具有减弱趋势;积雪融水和秸秆覆盖的双重作用能够有效增加土壤墒情,但其增墒能力随着土壤深度的增加而降低,不同秸秆覆盖处理对0~60 cm土层的平均增墒能力由大到小排序依次为:15、10、5 cm。     

基于平衡水分模型的稻谷含水率实时监测系统

基于静力学谷物平衡水分模型,利用无线传感器网络及嵌入式技术设计了仓储中稻谷含水率实时监测系统.通过试验验证改进Henderson、改进Chung-Pfost和改进Owin模型及对应参数的稻谷含水率预测误差和精度,结果表明改进Chung-Pfost模型具有准确预测的精度,且当参数A=363.06、B=0.1804、C=26.674时该模型的预测精度较高.通过测试传感器节点的传输质量,表明系统能够实现数据稳定的传输.