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。     

基于改进Topp模型的红黏土介电特性试验研究

【目的】探讨红黏土介电特性的影响因素并提升Topp模型精度。【方法】以云南红黏土为例,开展以干密度、含水率、温度为变量的介电特性试验,分析不同条件下红黏土相对介电常数的变化规律,构建红黏土相对介电常数模型并对含水率进行预测。【结果】红黏土相对介电常数与含水率、温度、干密度呈正相关,影响因素的相关性程度依次为:含水率>温度>干密度。恒温条件下,Topp模型拟合精度较高;当温度发生变化时,Topp模型拟合精度显著降低。【结论】不同温度条件下Topp模型拟合得到的相对介电常数(ε_r)与体积含水率(θ)的关系存在较大差异,引入温度改进后的Topp模型精度明显提高。     

介电特性的研究与应用

近年来有关介电特性的研究取得了很大进展．对介电特性的基本概念、影响因素、测定方法及其应用进行了简要综述。     

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.     

管针式土壤含水率探头设计与影响因素分析

为了给基于频域反射法测量土壤质量含水率提供一种方法,设计了一种由圆管和探针组成的管针式土壤质量含水率测量探头。以杨凌地区的塿土为对象,分析了所设计探头间接测量土壤容重的误差;在信号源频率为50、100、150、300、500 MHz下,研究了土壤质量含水率(2.58%~21.43%)、土壤容重(0.80~1.30 g/cm3)和温度(10~50℃)对探针上的电压与信号源输出电压的比值(信号电压比)的影响;建立了信号电压比与土壤温度、容重和质量含水率之间的三元二次方程,分析了模型预测土壤含水率的可行性。结果表明:管针式探头间接测量土壤容重的绝对误差为-0.129~0.016 g/cm3;含水率、容重和温度均影响信号电压比,50、100、150 MHz下含水率对信号电压比影响较显著。在0.01的显著水平上,150 MHz下所建模型较优,其决定系数R2为0.849 6;对该模型的检验结果说明,计算的信号电压比与实际电压比的绝对误差为-0.166~0.159。基于该模型计算的土壤含水率与实际含水率的绝对误差为-3.440%~4.039%。     

基于时域反射法土壤探头的性能研究

TDR时域反射法(Time Domain Refletrometry)是近些年发展起来的一种测定土壤含水量的新技术,因其快速、简便、高可靠性、高精度等优点受到越来越多的关注.为此,介绍了基于相位检测的TDR时域反射法土壤探头的测试原理以及结构组成,从理论上推导出该土壤探针采用PVC绝缘涂层和增加探针首端与同轴电缆同的阻抗变换能够有效地增大测量值的线性范围,改善土壤水分含量与信号传播时间间的线性关系.从土壤针绝缘涂层的对比实验和阻抗变换影响的对比实验中验证了上述结论.     

绿豆介电特性的研究

以绿豆为对象,研究了测量信号频率、含水率、温度、容积密度对绿豆介电参数的影响。研究结果表明:在1k～1MHz频率范围内,绿豆的相对介电常数和介质损耗因数皆随着频率的增大单调减小;当绿豆的含水率与温度增高时,其相对介电常数和介质损耗因数均呈增大的趋势;但容积密度对绿豆介电参数的影响并未呈现出一定的规律性。     

基于微波自由空间测量的小麦含水率检测方法

为了实现小麦含水率的快速检测,采用微波自由空间测量法研究了信号频率(1～4 GHz)、温度(10～40℃)、含水率(11. 35%～17. 79%)和容积密度(低、高)对小麦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,建立了不同频率下小麦含水率的预测模型,并对模型进行了验证。研究结果表明,在1～4 GHz频段内,小麦的相对介电常数随含水率、温度和容积密度的增大而增大,随着信号频率的增大而减小;所建立的支持向量机模型取得了很好的预测效果,对比于单频和多频,全频下的预测模型最优,其预测集相关系数、预测集均方根误差和剩余预测偏差分别达到了0. 992 9、0. 051 3%和18. 67。研究表明,微波自由空间法可用于检测小麦含水率。     

用中子仪测定土壤含水率时的标定问题研究

以均质沙壤土和由沙壤土与沙土组成的层状土为材料,在室内对中子水分探测仪进行了土壤水分标定试验.供试土壤装填在直径57 cm、高90 cm的塑料桶内,其中层状土的分层次序为沙壤土、沙土、沙壤土,每层厚度30 cm.试验中同时观测中子计数和土壤质量含水率;利用统计学方法分析中子计数与土壤含水率之间的相关关系.试验结果表明:中子计数与土壤含水率之间的标定关系存在有效适用范围,即当土壤含水率低于某一个值时,中子仪的标定关系与大于该值时的标定关系完全不同;中子仪在均质土壤中的标定关系可用线性关系表示,而且用整体标定的线性关系代替分层标定的线性关系仍然可以得到满意的精度;但是,中子仪在层状土壤中的标定关系表现出明显的非线性特点,如果用线性关系采标定,则只有用分层标定才能得到满意的精度.该研究结果时改进中子仪标定方法有帮助.     

应用电特性测量大豆含水率的实验研究

对基于电特性的大豆含水率测量方法进行研究,自制圆筒形电容器,利用智能 LCR 测量分析仪对不同含水量的大豆样品进行测试。实验结果表明,在1 kHz 频率下,大豆含水率与其等效电容值之间有显著相关性;利用BP 神经网络对实验数据建模,结果表明, BP 神经网络预测值和实验值非常接近;利用大豆电特性进行含水量检测,可以满足大豆含水率快速无损检测的要求。     

基于IBAS-BP算法的冬小麦根系土壤含水率预测模型

为在节水灌溉系统中精确测量和预测根系土壤含水率,将传统天牛须算法每次迭代过程中的一只天牛改进为一个天牛种群,建立了基于改进天牛须搜索算法优化的IBAS-BP预测模型,并利用实测浅层土壤含水率数据,对深度50 cm冬小麦根系土壤含水率进行预测.结果 表明,与PSO-BP预测模型、GA-BP预测模型以及原始BAS-BP模型...     

基于Landsat8与Sentinel-1遥感图像融合的土壤含水率反演模型

针对当前运用单一光学卫星反演土壤含水率时易受到云的影响,单一SAR卫星反演土壤含水率时易受到地表粗糙度和植被影响的问题,以内蒙古河套灌区沙壕渠为研究区域,以4个深度的土壤含水率为研究对象,分别采用主成分分析(PCA)、施密特正交变换(GS)融合Landsat8和Sentinel-1图像以减少云、植被、土壤粗糙度的影响,并对融合后的图像质量进行评价,然后用融合图像的灰度构建1 134种遥感指数,基于相关系数分析、变量投影重要性分析、灰色关联分析3种变量筛选方法与BP神经网络(BP)、极限学习机(ELM)、随机森林(RF)、支持向量机(SVM)4种机器学习算法的耦合模型反演沙壕渠土壤含水率。研究结果表明：经PCA、GS融合后的融合图像可同时保持Sentinel-1和Landsat8图像的优势,并成功定量反演土壤含水率。基于融合图像构建的三维指数普遍比二维指数对土壤含水率更敏感。在表层土壤含水率反演中,基于GS融合的VIP-ELM模型精度最高(决定系数R²=0.66,均方根误差(RMSE)为1.35%)。将GS融合的VIP-ELM模型应用于其他土壤深度含水率的反演后发现...     

电容法粮食物料含水率与介电常数关系研究

粮食物料含水率是影响其介电特性的主要因素,电容法是通过粮食的介电特性来测定含水率的间接方法.试验采用圆筒式电容传感器,研究了3种粮食物料含水率与其相对介电常数的关系.试验表明,含水率与相对介电常数之间有较好的线性相关性,可以建立两者之间的数学模型.同时,不M种粮食物料的关系模型不同,相关性程度也有差异.需要建立含水率与介电常数、容积密度及环境因素等多参数之间的关系模型,才能提高电容法检测的精确度.     

土壤剖面水分线性尺度测量方法

针对现有土壤水分点尺度下测量的局限性,提出了一种线性尺度下的土壤剖面水分测量方法,并设计了一种基于驻波比法的土壤剖面水分信息测量传感系统。借助HFSS高频电磁场仿真软件与网络矢量分析仪对传感器环形探头的电场强度分布情况与阻抗特性进行了分析研究,确定了环形探头适应性与敏感区域。以2种不同质地的土壤作为试验样本,对土壤水分传感器的输出与对应的测量值进行了多项式拟合,决定系数均达到了0.99以上,传感器的稳态与动态性能均能满足土壤剖面水分的测量要求。通过多层水分土柱穿层试验与对比试验表明,该系统能够满足线性尺度下土壤剖面水分的实时测量需求,具有较高的测量精度与稳定性。设计的土壤剖面水分线性测量系统的各项指标均达到实际应用的需求,具有较高的应用推广价值。     

农田土壤剖面水分探头布设及数据处理技术研究

通过分析定点埋设的SWR-2型土壤水分传感器采集的土壤水分数据,分析了农田土壤水分信息的时空变化规律及不同深度土层含水率间的相关关系。结果表明,冬小麦和夏玉米生长条件下农田土壤剖面适宜埋设的探头数目为1～4个,并提出了相应的水分探头布设方案及数据处理技术。     

基于介电特性与回归算法的玉米叶片含水率无损检测

利用0.06~200 k Hz范围内拥有36个频率点的LCR测量仪及自制夹持平行电极板,测量280片不同含水率玉米叶片的相对介电常数ε'及介电损耗因子ε″;利用干燥法测量玉米叶片的湿基含水率。利用逐步回归法(SWR)与多元线性回归(MLR)结合的线性建模方法和连续投影算法(SPA)与支持向量回归(SVR)结合的非线性建模方法,分别建立玉米叶片介电参数(ε'、ε″及两者融合信息3种参数)与湿基含水率的关系模型,并应用留一交叉验证法选取2种建模方法的最佳关系模型。分析表明,非线性模型较线性模型具有更高的预测能力,且基于ε'与ε″的融合信息运用连续投影算法(SPA)与支持向量回归(SVR)相结合的非线性建模方法使模型原72个变量精简到10个,剔除了模型中冗余度较高的变量,有效降低了模型的复杂度,得到最高的测试集决定系数R2P(0.804)和最小的测试集均方根误差RMSEP(0.017 6)。结果表明基于介电特性的玉米叶片含水率无损检测方法是可行的,为快速检测其他农作物的生理信息提供了一种可靠的方法。