一种智能型电导率仪的设计与研究

电导率仪是一种应用非常广泛的测量仪器。山西农业大学设计并通过省级鉴定的TYZ-3智能型综合土壤养分测试仪一部分的电导率测量系统是一种智能式系统。通过充分利用单片机的分析判断能力以及软件误差补偿校正优势。该系统不但能温度自动补偿和电容自动补偿，而且不需分档。经计量部门测试可达国家0.2级仪器的精度要求。可应用于农业、工业、环境保护部门。     

土壤探针阻抗计算方法的理论分析与实验研究

在基于TDR、FD和SWR等不同方法的土壤水分测量仪器中 ,多针土壤探头作为采样传感器的一个重要组成部分 ,深入研究它的阻抗计算方法对于改进这些仪器的测量精确度具有很高的理论与应用价值。由于描述多针土壤探头电磁特性的麦克斯韦尔方程的边界条件很难确定 ,所以试图利用麦氏方程的解析解分析其阻抗特性从理论上说是“可望而不可及”的。本文依据高频传输线阻抗变换理论与数学分析中夹逼定理的思想 ,提出了一种土壤探针阻抗计算模型。进一步通过对该模型的计算机仿真与实验研究 ,发现土壤探针的阻抗特性可随着测试频率与针长等相关参数的改变在感性负载与容性负载间相互转化。此外 ,当这些相关参数改变时 ,土壤探针的阻抗计算模型还存在着周期性的间断点。     

基于Wenner和Schlumberger双组态融合的土壤电导率测量装置

土壤电导率的准确、实时和原位获取可为农业生产精准管理提供有效的数据支撑,为提高传统电流-电压四端法测量精度,该研究基于电流-电压四端法3种测量组态,开展土壤电导率主要影响因素（土壤含水率、电极入土深度、土壤坚实度和土壤处理方式）对电流-电压四端法的3种测量组态测量精度影响的试验。结果表明,Wenner和Schlumberger两种测量组态可较好的适用于不同土壤环境条件。进一步以Wenner和Schlumberger两种测量组态所测土壤电导率值为输入量,基于BP神经网络构建了双组态融合的土壤电导率回归模型,并在此基础上设计了一种土壤电导率测量装置,该装置主要包括JESTON nano、STM32单片机数据采集模块、传感器、激励源及差分放大模块等组件。工作稳定性试验结果显示,该装置在不同土壤电导率梯度条件下测量数据的标准偏差均小于0.43 μS/mm,田间性能对比试验结果显示,该装置测量数据的均方根误差值为0.18 μS/mm,测量精度优于传统单独测量组态和市面常用土壤电导率测量仪,以上结果表明所研制的土壤电导率测量装置具有较好的工作稳定性和测量精度。该研究可为田间土壤信息的实时原位采集提供一种高精度的检测工具和技术手段。     

宇宙射线土壤水分观测方法在黄土高原草地植被的应用

宇宙射线土壤水分观测系统(COSMOS)是一种测量直径达600 m以上表层土壤平均含水量的新型土壤水分测量仪器。在黄土高原一片草地植被上测试COSMOS仪器测量土壤水分的效果,并与烘干法及Hydra ProbeⅡ土壤湿度传感器测量结果进行比较。结果表明,COSMOS测量结果与烘干法结果一致性好;与Hydra ProbeⅡ点尺度测量结果存在不同时间段的差别,暗示了黄土高原土壤水分空间变异性及其时间变化。COSMOS仪器能够很好地测量黄土高原破碎表面观测范围内表层平均土壤含水量,并为研究土壤含水量的空间变异性提供了潜在工具。     

多土壤信息测量传感器的硬件系统集成设计（英）

土壤在作物的生长过程中起到了重要的作用,所以对于基于决策的作物生产管理,土壤信息是必需的。传统的土壤取样获取土壤信息技术耗时且成本高,尤其是对于大规模农田土壤信息测量。目前一些近地面的可连续测量的土壤信息传感器技术能够提供高精度的数字土壤信息地图,然而这些商业化的技术成熟的传感器通常需要单独使用。该文提出了将γ射线光谱仪GR320、利用电磁感应原理的EM38和EM31以及Veris 3100和Veris pH这些可在农田近地面连续测量的土壤特性测试传感仪器集成在一起同时使用的方案,介绍了此集成系统的硬件设备和相关特性参数以及今后需要继续研究解决的问题。利用该系统可一次获得不同的土壤特性参数数据,如土壤矿物质含量,不同深度的土壤电导率值和土壤pH值等,可避免多次测量车辆行走对土壤的压实。多传感器数据之间的互相补充可以进一步提高且更有利于精确农业中基于土壤信息的决策规划。该系统适用于大面积农田土壤特性测量。     

一种土壤电导率测量方法的数学建模与实验研究

针对一种土壤电导率的测量方法——“电流—电压四端法”，从理论上深入探讨了该方法的测量原理，建立了对应的数学模型。关于Wenner分布、Schlumberger分布和 Polar dipole分布3种测量组态计算公式的正确性也通过实验进行了检验。     

四端法土壤电导率原位快速检测传感器设计与试验

实现土壤电导率的快速获取可为农业生产精准管理提供有效的数据支撑。目前,田间电导率采集在农业生产前进行,需要专门的电导率检测设备对种植田块开展大范围数据采集并生成电导率空间分布图,该方式操作繁琐、费时费力,同时检测的电导率值由于时间滞后原因,难以准确反映农业生产各环节(如播种)实施过程中的真实电导率情况。针对上述问题,基于交流"电流-电压"四端法原理,该研究设计了一种土壤电导率原位快速检测传感器,用于搭载在不同的农业生产机具上,实现土壤电导率的实时检测与作业参数的在线调整。该传感器以STM32处理器为核心,配合电源电路、交流信号源电路、有效值检测电路及其他外围电路搭建了硬件及软件架构,同时集成了信息的实时检测与显示、定时存储与无线传输等功能,实现了土壤电导率的原位高精度获取。传感器标定试验及工作稳定性试验结果表明,传感器输出值与DDB-303A电导率仪测得的电导率值呈明显线性关系,线性拟合R2为0.995,且在不同电导率水平下,连续测量的标准偏差均小于0.76μS/cm,具有较高的准确性及工作稳定性。与JXBS-3001传感器在实验室条件下(温度25℃),对配置的不同电导率浓度土样(含水率15%)检测的对比试验结果表明,所设计的电导率传感器的测量误差及响应时间更低,绝对误差为-5.9～19.4μS/cm,相对误差为-1.05%～2.39%,响应时间小于2.01s。利用电导率传感器在现场(温度20.6℃)对地块不同位置测量的绝对误差为-11.36～25.30μS/cm,相对误差为-7.91%～7.88%。综合而言,该研究所设计的土壤电导率传感器能快速准确的检测土壤电导率信息,可为无人农场的土壤信息采集提供一种高精度的检测工具。     

土壤水分-基质势-温度复合传感器研制

土壤水分、基质势是描述土壤持水特性的重要参数,不同类型土壤的水分特征曲线存在明显差异。目前在野外环境下通常采用传感器分离测量法测定土壤水分特征曲线,但因土壤的空间异质性导致较大的测量误差。为此,该研究设计了一种可同步测量土壤水分、基质势和温度的复合传感器,主要组成部分包括32位MCU主控芯片、继电器切换模块、介电水分/基质势测量模块和温度测量模块,主控芯片通过控制继电器切换实现土壤水分、基质势和温度的同步测定,同时进行温度校正。采用森林土壤、农田壤土和砂土对复合传感器进行性能测试、标定和观测试验,并与商业化仪器的测量结果进行对比。结果表明：在干燥至近饱和范围内,复合传感器测定的土壤水分和基质势均具有良好的单调性,决定系数R2均大于0.98,土壤体积含水率和基质势的测量范围分别为0～40%和-1 500～-15 kPa,水分和基质势的响应时间分别为450 ms和150 s。采用商业化仪器分离测量方法与本文复合传感器分别同步测定森林土壤、农田壤土和砂土的水分特征曲线,2种方法测得的土壤水分特征曲线的皮尔逊相关系数均大于0.96。本文研制的复合传感器可以实现不同类型土壤水分特征曲线的准确测定,为农业生产和环境监测等领域提供可靠的技术支持。     

一种土壤电导率实时分析仪的试验研究

开发了一种适合我国较小地块应用的便携式土壤电导率实时分析仪,室内性能试验表明,探针在Wenner组态和Schlumberger组态条件下,仪器输出电压与土壤电导率具有一致的变化趋势,特别是在Schlumberger组态某结构下,传感器获得了最高的测量精度.对实验结果进行了非线性回归建模,采用的3个模型分别是幂函数模型、多项式模型和指数模型,模型分析结果显示,幂函数模型具有最优的预测结果,模型测定系数达到0.994.幂函数模型的常数项与传感器结构有关,乘幂项则不随传感器结构参数变化,而受土壤质地、土壤密度等因素的影响.模型还需要通过田间试验进一步验证.     

电导率法在土壤盐渍化中的改进和应用进展

土壤盐渍化是常见的地质灾害之一,对土壤盐分状况及盐渍化程度的空间分布特征进行了解是有效治理的前提条件。电导率法作为一种快速稳定测定土壤盐分时空分布特性的方法被广泛应用于土壤盐渍化研究中。土壤溶液电导率(ECw)、土壤浸出液电导率(ECe)及土壤表观电导率(ECa)都可以对土壤盐渍化程度进行量化,土壤溶液电导率(ECw)可以通过原位取样器和盐分传感器进行测量,通过制备饱和土浆则可以对土壤浸出液电导率(ECe)进行测量,电阻率法和电磁感应法则可以测定土壤的表观电导率(ECa)。本文就不同电导率法的测量原理及实际测量对象、常用技术设备、优缺点进行综述。为更好的理解电导率法在土壤盐渍化中的应用提供参考     

植物叶面积无损测量方法及仪器开发

为了快速、无损、准确地测量植物叶面积,设计了一种利用多晶硅光电感应板与平板均匀发光光源照射系统构成的叶面积测量装置。通过试验,建立了植物叶片叶面积与光源光强、光源对叶片透射率、环境温度、光电感应板的光电感应电压值间的BP神经网络关系。结果表明：该仪器可测量不同形状、厚度、软硬程度、叶片大小的植物叶片面积,模型预测值与实际值决定系数R2为0.98,测量精度为94.8%,为叶片叶面积测量提供了一种新的测量方法和装置。     

基于统计理论数据融合的水流泥沙含量测量仪

水流泥沙含量的测量在土壤侵蚀和水土保持研究中具有重要意义。采用自行研制的便携式水流泥沙含量测量仪测量了水流泥沙含量。结果表明，水流泥沙混合液质量与泥沙含量之间呈线性关系，可采用荷重传感器测量水流泥沙含量；通过采用基于统计理论的数据融合法来处理测量结果，可大大提高测量的准确性和重复性；其测量精度为0.63%，重复性误差小于0.49%；该测量系统为水流泥沙含量的快速、准确测量提供了一种新的、有效的方法。     

野外叶面积指数自动测量仪器设计及应用试验

为提高长时间序列叶面积指数测定模型的模拟精度,该文设计一种可以长期在野外间接测量叶面积指数仪器,仪器由太阳能提供持久电能,利用单片机控制垂直水平舵机,带动光强传感器记录多角度光线强度,在2台仪器同时测量的情况下,获得光线透过林分冠层多角度光强衰减率,通过编写计算程序解算林分叶面积指数。使用商品化光学仪器LAI-2200验证该仪器测量精度,对24块样地叶面积指数进行测量,两仪器测量结果高度吻合R2为0.927,绝对标准误差为0.36。长时间野外叶面积指数自动测量获取数据可节省人力、减少人为误差。     

近红外反射土壤含水率测量仪设计

水资源是制约中国农业生产最重要的因素之一,土壤含水率的检测对农业生产实践具有至关重要的指导意义。该文根据土壤水分对不同光谱的吸收和反射特性,以发光二极管作为测量仪器光源,中心波长为1 940 nm的光为测量光,1 800 nm为参考光设计了专用的测量电路和相应的软件程序来测量土壤含水率。系统光源发出的光照射到土壤表面,经反射后光电转换器,再送至放大电路、模数转换器、显示和存储。试验表明:土壤含水率与相对吸收深度之间存在正比例关系,线性回归的确定系数为0.86。为了证明测量仪器的测量进度,将实际土壤含水率与仪器的测量结果进行比较修正,结果表明:烘干法与本仪器测量的土壤含水率的结果的均方根误差均为3.9%。因此,本次设计的测量仪器可满足对土壤含水率的测量要求,研究结果在指导农业生产,水资源合理利用,精细灌溉的实时监测中具有良好的应用前景。     

基于变论域模糊控制算法的树木年轮测量仪直流电机转速控制

为提高电机转速控制精度,分析了PID控制算法和变论域模糊控制算法原理,分别使用这2种控制算法控制年轮测量仪直流电机,并对落叶松、油松、云杉、山杨、白桦、红桦、辽东栎等7个树种圆盘进行测试,每个树种测试10次。变论域模糊控制算法电机转速在电机启动后约90 ms后进入稳定状态,PID控制算法约需要160 ms才进入稳定状态。在70组测试数据中,变论域模糊控制算法的误差标准差的总平均值是33.8r/min,PID控制算法的误差标准差的总平均值是40.3 r/min,模糊控制算法的控制精度比PID控制算法高0.21%。试验结果表明:变论域模糊控制算法与PID控制算法相比,变论域模糊控制算法响应速度快、鲁棒性好、稳态误差小。在变论域模糊控制算法的控制下,年轮测量仪对7个树种的平均年轮测量精度是84.38%,而PID控制算法下的平均测量精度是78.13%。因此,年轮测量仪直流电机控制算法选用变论域模糊控制算法。     

土壤温湿度测量仪的研制

为快速测量大田土壤温湿度,而设计的仪器,湿度测量采用电容法。非电量经A/D转换后,通过EPROM制表的方法,实现了数据线性化。温度传感器采用AD590。     

土壤水压榨取样仪的研制及其应用

经性能测试和技术检验表明，中国科学院地理研究所研制的土壤水压榨取样仪性能较稳定，重现性良好，具有取样速度快、操作简便等特点，可用于土壤水化学研究中的土壤水取样，且可用于含水量较低的土壤（>10%即可）。本文介绍了该仪器的构造、工作原理及性能。     

基于虚拟仪器技术的光电式坡面径流流速测量系统

在水土流失研究中，坡面径流流速是径流计算、土壤侵蚀预报中不可缺少的水动力参数。目前尚没有广泛应用的测量径流流速的仪器，该研究从两相流理论出发，基于相关流速测量理论，采用Lab VIEW虚拟仪器开发平台，研制了一套径流流速在线测量系统，包括红外光电传感器、信号调理电路、PCI-6040E数据采集卡以及使用Lab VIEW开发的相关测量软件等。采用室内模拟水槽试验，结果表明，该测量系统适用的泥沙含量范围为0～250 kg/m³，以染料示踪法测得流速作为标准值进行标定试验，系统最大相对误差为4.14%；基于相关流速理论所建立的虚拟仪器系统测量坡面径流流速是可行的。     

可见-近红外作物氮素光电测量仪开发

为了解决当前作物氮素含量无损检测手段欠缺问题,利用氮元素在可见-近红外波段的光谱特性,通过对两路入射光和两路反射光的测量,采用最小二乘估计法进行自动标定,开发了一种非接触测量植株氮素的光电测量仪,通过信号的调理解决了光电信号弱和太阳角影响问题。该仪器测得的双波段光谱数值与地物光谱仪相比具有很好的相关性,决定系数分别是0.994和0.985,而且能够方便地测定用于作物氮素营养评价的优化植被指数值。对小麦试验结果表明,该仪器可以用于植株氮素营养快速无损监测评价,具有操作简便、功耗低、灵敏度高、响应时间快的特点,测量的作物氮素可以用来指导变量施肥。     

便携式智能拉力仪设计

便携式智能拉力仪是为测量农业机械牵引力而设计的。该设计选用了新型器件,可靠性高;采用了较先进的软件技术实现自动校正零点误差和数字滤波,精度高;电路使用共基准电压,消除了因电压变化而引起的误差;由于广泛选用CMOS芯片,功耗低、热稳定性好。设计的产品经用户一年的使用。各项指标达到或超过了行业标准。