基于水平尺度扩展的土壤水分介电传感技术

设计了一种水平放置管式结构的介电水分传感器测量系统,通过水平往复移动扫描,测量一定深度下水平剖面的土壤水分。水分传感器的测量原理为频域(FD)外缘场阻抗法,该系统实现了土壤水平剖面含水率的线扫描测量,其最大扫描长度为380 cm。为了检验该测量系统的技术性能与可应用性,结合农田滴灌试验给出了2个点源激励下土壤入渗的应用测试案例。试验结果显示了不同质地土壤的入渗差异并记录了点源激励下土壤入渗过程的时间、空间三维数据。     

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。     

基于驻波率原理的森林枯落物和土壤含水率测量方法

枯落物含水率测定在森林水文学、碳循环、林火蔓延以及火险等级评估等研究中具有重要作用。本文提出了一种基于驻波率(SWR)原理的森林枯落物含水率测量方法,所设计的SWR水分传感器具有复用双环式探头结构,可分时测量枯落物或土壤的含水率和电导率。实验结果表明,传感器输出电压与半分解、全分解枯落物和土壤含水率呈现良好的线性关系。与商品化TDR水分传感器相比,SWR传感器测量枯落物和土壤含水率的平均绝对误差较小,且在厚度小于10 cm的枯落物含水率测量以及测量成本方面具有明显优势。在对枯落物含水率进行长期原位测定时,SWR传感器可通过测量电导率判断半分解的枯落物是否随时间推移而完全分解,以便及时调整传感器水分测量的标定曲线,最大程度降低因枯落物成分改变对传感器测量精度造成的影响,为准确测量森林地表枯落物含水率奠定基础。     

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RC峰值检测的土壤水分传感器设计与性能试验

针对现有电容式土壤水分传感器精度低、功耗高、价格高、标定过程复杂等问题,基于RC稳态响应峰值检测原理,设计了一款土壤水分传感器,并对传感器敏感区域、电学特性、标定模型、温度和电导率特性进行了测试。实验结果表明,传感器测量体积含水率平均灵敏度为12. 187 mV,敏感区域为3. 8 cm×2. 5 cm×7. 2 cm;输出信号不受供电电压影响,消耗电流仅为3～4 mA;通过在不同介电常数溶液中标定,结合TOPP经验公式,建立的指数标定模型的决定系数R~2均大于0. 96;传感器温漂引起的测量误差约为0. 5%,在0～2 000μS/cm范围内电导率引起的最大测量误差小于4. 2%,传感器最大实测误差为2. 17%。     

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。     

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.     

智能化土壤水分分布速测系统

从精准农林业测量的实时快速性要求出发,研制了连接GPS接收机与SWR土壤水分传感器的智能化土壤水分分布速测系统,该系统可完成GPS数据接收与处理、土壤水分采集与存储等工作。选择了合适的GPS测量方法进行试验,并应用GIS软件ArcView生成了土壤水分分布图。     

柔性电导率芯片设计与营养液监测试验研究

设计并制备了一种基于喷墨打印的纳米银/单壁碳纳米管柔性电导率传感芯片。通过交流阻抗法对传感芯片进行建模标定，系统测试了该传感芯片的响应时间、稳定性、重复性、弯折及封装影响等性能，并与商用EC电极进行了性能对比，验证了该柔性芯片在无土栽培生菜营养液EC在线监测中的可行性。试验结果表明，叉指柔性EC芯片的电导率测定范围为25.8～3 098μS/cm,标准电导率溶液的测定相对误差小于8.02%,芯片响应时间为10 s, 12 h测定数据漂移小于3.91μS/(cm·h),稳定性和重复性与商用EC电极相当，0°～90°范围内弯折、PDMS封装对其性能无影响。水培生菜EC监测中，柔性EC传感芯片可准确获取营养液EC波动，检测结果与商用EC电极的最大绝对误差小于46μS/cm,最大相对误差小于3.2%,两种传感器测量结果均方根误差为28.29μS/cm。自制柔性电导率传感芯片与商用EC电极的性能相近，具有微小且可弯折等独特农业应用优势。     

水分传感器埋设深度及个数对墒情精度的影响

在灌溉预报过程中,要利用土壤水分传感器监测土壤墒情,同一剖面土壤水分传感器埋设数量越多,测墒精度就越高,在实际应用时,就要求减少土壤水分传感器的埋设数量以降低系统的成本,并保证一定的测墒精度。选取4个试验区,在0～100 cm土层深度内,采用取土烘干法测得5个测试深度土壤水分数据。分析了0～60和0～100 cm土壤剖面平均含水率与监测点含水率的相关关系,并设置了1个监测点和2个监测点不同组合的对比,分别计算了各种情况下土壤剖面平均含水率与监测点含水率的相关系数(R2)、平均相对误差(δR)以及均方根误差(RMSE)。研究结果显示:一个监测点时,40 cm深度的含水率能较好地反映0～60 cm土壤剖面平均含水率,R2达到0.95以上; 0～100 cm土壤剖面平均含水率用60 cm深度含水率反映,R2能达到0.93。两个监测点时,20/50 cm处的含水率与0～60 cm土壤剖面平均含水率的相关性最高,R2为0.994; 0～100 cm土壤剖面平均含水率与40/70 cm处的含水率相关性最高,各试验区平均的R2为0.965。     

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。     

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．     

商丘农田土壤水分测定探头埋设位置研究

利用在商丘野外生态试验站定点埋设的SWR-2型土壤水分测定探头采集的数据,通过主成分分析和因子分析,对玉米试验区不同土层深度土壤水分试验数据进行了相关分析和检验,研究了农田中不同深度层土壤水分的相互关系,结果表明,地表下30 cm土层与20 cm、40 cm、50 cm处土壤体积含水率线性相关;主要根系区70 cm土层与60 cm、80 cm9、0 cm处土壤体积含水率线性相关;130 cm、140 cm、150 cm土层之间同样存在着线性相关,初步得出本地区土壤水分测定探头合适埋设位置是地表下10 cm、30 cm7、0 cm1、00 cm、140 cm 5个深度。     

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。     

近红外传感器测量不同种类土壤含水率的适应性研究

采用我国不同土壤类型地区的5种土壤样品,利用自行设计的近红外传感器测量不同土壤含水率对应的反射光强。选取中心波长1 940 nm的近红外光为测量光,1 800 nm为参考光,将两波长的反射光强值换算为相对吸收深度。实测结果表明,随着土壤含水率的增加,相对吸收深度增加,两者间呈线性相关关系。选取独立样品对线性标定模型进行验证,除红土外,其他4种样品的均方根误差均小于6%。通过标定,所设计的传感器能够较好地测定不同土壤的含水率。     

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。     

Interfacial contribution to two-electrode soil moisture sensor readings

Summary Contribution of electrochemical polarization, occurring at the electrode-moist soil interface, to soil moisture sensor readings is discussed for two bare electrodes or for soil moisture blocks. A soil moisture sensor can be considered as an electrolytic cell, the electrical impedance of which is the resultant of several component subimpedances arising from a diversity of phenomena causing sensor electrical polarization. It is shown that within the range of commonly applied frequencies: readings of sensors' electrical capacitance are totally masked by interfacial pseudocapacitance while the readings of the sensor electrical resistance are influenced by interfacial phenomena unless the read-out device compensates for the capacitive component of the sensor impedance.     

基于物联网技术的智能灌溉系统设计

为了实时监测土壤湿度,通过Wi-Fi技术、土壤湿度传感器、Arduino Uno微处理器和Web服务器设计出基于物联网技术的智能灌溉系统,搭建了以土壤湿度传感器和Arduino Uno微处理器为核心的硬件体系,并通过Java语言编写JSP程序完成软件设计。通过试验,该系统可实时监测土壤水分,当测量数据小于设定的阈值时,自动开启浇灌设备,对土壤水分进行智能调节。采用此方法,可使用简单的电路完成复杂的功能,大大降低设计成本,适用于需要实时监测土壤水分的场合。