賀　蕾，馬英杰，張建豐

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830052；2.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048)

RV-1型TDR土壤水分傳感器基本特性研究

賀蕾1，馬英杰1，張建豐2

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830052；2.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048)

[摘要]土壤水分測(cè)量在許多研究中具有重要意義，基于土壤介電理論，以 TDR(時(shí)域反射法)為原理開發(fā)一種RV-1型土壤水分傳感器，并對(duì)其特性進(jìn)行標(biāo)定。通過測(cè)定不同土壤含水量條件的傳感器輸出電壓值，利用三次多項(xiàng)式、生長(zhǎng)曲線和分段直線函數(shù)分別對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行擬合分析建立兩者的函數(shù)關(guān)系。研究認(rèn)為用直線的分段函數(shù)來(lái)表達(dá)這種土壤水分傳感器特征，其結(jié)果最為理想。

[關(guān)鍵詞]TDR；土壤水分傳感器；基本特性

時(shí)域反射法是一種介電測(cè)量中的高速測(cè)量技術(shù),以Feidegg(1969)等人關(guān)于許多液體介電特性的研究為基礎(chǔ)而發(fā)展起來(lái)的。最初被用來(lái)定位通訊電纜的缺陷。Topp(1975)和Davis(1975)將其引入用于土壤水分測(cè)量的研究。根據(jù)電磁波在不同介電常數(shù)的介質(zhì)中傳播時(shí)其行進(jìn)速度會(huì)有所改變的物理現(xiàn)象提出了時(shí)域反射法(Time-Domain Reflecometry)，簡(jiǎn)稱TDR測(cè)量方法[1]。

這種方法目前在國(guó)外應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普遍國(guó)內(nèi)運(yùn)用只有二十多年的歷史。TDR是一個(gè)類似于雷達(dá)的系統(tǒng)，有較強(qiáng)的獨(dú)立性。當(dāng)獲得土壤介電常數(shù)ε和土壤體積含水量θv之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系后，便可以很容易地由ε推算出θv。TDR正是基于以上的思想，根據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳播的時(shí)間計(jì)算出土壤的介電常數(shù)ε，從而利用經(jīng)驗(yàn)公式得到土壤體積含水量θv。土壤的介電常數(shù)ε在電磁波頻率為1 MHz～1 GHz時(shí)，與電磁波在電極(長(zhǎng)度l)中往復(fù)的傳播速度v的公式。

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程發(fā)展過程中，自動(dòng)檢測(cè)儀器越來(lái)越多的運(yùn)用到大田測(cè)量中。國(guó)外的傳感器對(duì)核心技術(shù)基本壟斷，且沒有對(duì)傳感器的特性曲線進(jìn)行公開，國(guó)內(nèi)在土壤水分傳感器方面起步較晚，與國(guó)外還有一定差距。近幾年，國(guó)內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)生產(chǎn)出一些傳感器設(shè)備，但深入性不夠，對(duì)傳感器的特性研究較少，傳感器的在精度等方面存在有待提高的空間[4]。從現(xiàn)有的研究結(jié)果來(lái)看，國(guó)內(nèi)對(duì)此類研究還沒有取得重大突破，所以需要對(duì)此進(jìn)一步研究以得到更好的發(fā)展。而對(duì)傳感器進(jìn)行檢測(cè)后的數(shù)據(jù)處理也是影響研究進(jìn)展的一項(xiàng)重要因素。本實(shí)驗(yàn)對(duì)TDR傳感器進(jìn)行檢測(cè)，由此對(duì)基本特性曲線進(jìn)行分析，為TDR傳感器的進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)條件

試驗(yàn)所取西安本地土壤，西安土質(zhì)屬于濕陷性黃土。濕陷性黃土的主要特征為黃色為主要色調(diào)，含鹽量較大，粉土顆粒含量較多，具有大孔性，在天然剖面上有垂直節(jié)理。土質(zhì)穩(wěn)定性好，在沒有遇到水的情況下，土質(zhì)堅(jiān)硬。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用RV-1型土壤水分傳感器及其配套數(shù)據(jù)采集器由西安理工大學(xué)和西安碧水環(huán)境新技術(shù)有限公司聯(lián)合研制。傳感器探頭總長(zhǎng)9.5 cm，探針長(zhǎng)5.5 cm，探針厚度2 mm。傳感器的工作頻率為70 MHZ。圖1為RV-1型土壤水分傳感器實(shí)物圖。數(shù)據(jù)采集器將土壤水分傳感器探頭采集到的電壓值通過處理器進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)換為直觀的土壤含水率，并可以設(shè)置一定的時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量且保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)所用萬(wàn)用表為RIGOL型號(hào)DM3058的臺(tái)式數(shù)字萬(wàn)用表。其直流電壓量為200 mV ～1 000 V，直流電流量程200 μA ～10 A。

圖1　RV-1型土壤水分傳感器

1.3試驗(yàn)方法

按要求取西安本地土20 kg以上，自然風(fēng)干，過2 mm篩，去除較大的砂石、柴草等雜物。在不同部位隨機(jī)取土形成3個(gè)土樣，用烘干法得到初始風(fēng)干重量含水率。根據(jù)預(yù)設(shè)容重1.38 g/cm3和土樣容器容積3L計(jì)算出需要的干土重，分別配置不同土壤含水量的土樣，分別裝入不同的容器中密封保持24 h以上，利用烘干法測(cè)出其重量含水量分別為3.52%、3.68%、7.29%、12.49%、18.48%、25.74%、30.55%、30.69%、40.99%、41.94%。標(biāo)準(zhǔn)土樣制備完成后，將土壤水分傳感器分別埋入土樣中進(jìn)行測(cè)定。萬(wàn)用表的數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定后再讀數(shù)，記錄一段時(shí)間的讀數(shù)值。傳感器每測(cè)量完一個(gè)樣品后，立即對(duì)該樣品取土樣，用烘干法測(cè)量該樣品的重量含水量進(jìn)行復(fù)核[5-9]。

2結(jié)果與分析

2.1樣品實(shí)際含水率、測(cè)量電壓值與數(shù)據(jù)采集器測(cè)量值

由于配土不均勻與水分蒸發(fā)等因素的影響，使測(cè)量時(shí)土壤水分與配土?xí)r的計(jì)算值存在一定差異。實(shí)際含水率取測(cè)量時(shí)的平均值。

測(cè)量時(shí)萬(wàn)用表與數(shù)據(jù)采集器同時(shí)記錄數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)時(shí)共進(jìn)行三次，每隔兩小時(shí)一次。第一組與第二、三組傳感器的插入位置不同，導(dǎo)致讀數(shù)有偏差，第二、三組位置相同。用SPSS對(duì)三組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表1、2。

表1　土壤水分傳感器測(cè)量電壓值相關(guān)性分析

2.2模型的建立與分析

將萬(wàn)用表所測(cè)電壓值與數(shù)據(jù)采集器值用三種模型進(jìn)行分析，分別為三次多項(xiàng)式、生長(zhǎng)曲線及分段直線函數(shù)。

2.2.1三次多項(xiàng)式模型

用三次多項(xiàng)式y(tǒng)=ax3+bx2+cx+d擬合萬(wàn)用表電壓值與數(shù)據(jù)采集器值曲線，擬合結(jié)果如表3和表4。但由圖2、3可以看出，兩組數(shù)據(jù)分別所得的四條擬合曲線在含水量較低時(shí)均上翹，不符合傳感器測(cè)量值的實(shí)際規(guī)律。

表2　土壤水分傳感器測(cè)量數(shù)采值相關(guān)性分析

表3　傳感器基本特性曲線擬合參數(shù)表(電壓值)

表4　傳感器基本特性曲線擬合參數(shù)表(數(shù)采值)

圖2　三次多項(xiàng)式擬合土壤含水率-電壓值曲線

圖3　三次多項(xiàng)式擬合土壤含水率-數(shù)采值曲線

2.2.2生長(zhǎng)曲線模型

已知生長(zhǎng)曲線模型如式(5)

其中t為含水率，a,b,為參數(shù)，k是當(dāng)t趨于無(wú)窮時(shí)N所能達(dá)到的最大值，是需要計(jì)算的。用最小二乘法配置直線，用SPSS軟件擬合可得幾組數(shù)據(jù)的參數(shù)值如表5。

表5　SPSS擬合參數(shù)值

由圖4可以看出在含水率由第一個(gè)點(diǎn)至20%與25%至最后一個(gè)點(diǎn)區(qū)間的斜率較小，也就導(dǎo)致在此區(qū)間內(nèi)傳感器的靈敏度小于20%～25%，在實(shí)際運(yùn)用中達(dá)不到預(yù)期的良好效果。由圖中函數(shù)走勢(shì)可以看出，生長(zhǎng)曲線走勢(shì)基本符合TOPP經(jīng)驗(yàn)函數(shù)，但標(biāo)定函數(shù)形式較為復(fù)雜，使傳感器數(shù)據(jù)采集的運(yùn)算量較大[10-12]。

圖4　生長(zhǎng)曲線擬合土壤含水率曲線

擬合直線abc第一段5.6084294.240.951第二段41.845-379.151第三段8.3045485.950.9773

2.2.3分段函數(shù)模型

將十個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)分為三段，前四個(gè)點(diǎn)擬合出一條直線，中間兩個(gè)點(diǎn)擬合出一條直線，后四個(gè)點(diǎn)擬合出一條直線，如圖5，擬合所得直線參數(shù)如表6，三條直線方差均達(dá)0.95以上。這種標(biāo)定方法可使傳感器在數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí)變得十分簡(jiǎn)單，大大降低傳感器芯片的運(yùn)算量，在不降低測(cè)量精度的前提下實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便運(yùn)算。

圖5　分段函數(shù)擬合土壤含水率曲線

3結(jié)語(yǔ)

傳感器測(cè)量樣品電壓值與樣品實(shí)際質(zhì)量含水量、樣品數(shù)據(jù)采集器測(cè)量值具有顯著相關(guān)的多元線性回歸關(guān)系，且樣品實(shí)際質(zhì)量含水量是影響傳感器測(cè)量樣品電壓值的主要指標(biāo)。本文運(yùn)用三種模型對(duì)樣品電壓值與樣品實(shí)際含水量進(jìn)行擬合，結(jié)果顯示分段函數(shù)法的相關(guān)性與在實(shí)用性最好。

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Basic Characteristics Study of RV-1 TDR Soil Moisture Sensor

HELei1，MA Ying-jie1，ZHANG Jian-feng2

(1.Xinjiang Agriculture University, Urumqi 830052, Xinjiang；2. Xi’an Science and Technology University Xi’an 710043, Shaanxi)

Abstract:Soil moisture measurement has important significance in many studies, soil dielectric Based on TDR (time domain reflectometry) is a principle developed an RV-1 type of soil moisture sensor, and its characteristics were calibrated. In the paper, the soil moisture sensor voltage value were measured to establish its functional relationship with soil moisture content. Using the cubic polynomial, piecewise linear function and growth curve to fit the results, the results of the piece wise functions are ideal.

Key words:TDR；Soil moisture sensor；Demarcate and Basic features

[收稿日期]2016-03-24

[基金項(xiàng)目]“863” 國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2011AA100509—01)

[作者簡(jiǎn)介]賀蕾(1990-)，女，陜西西安人，在讀碩士研究生，主攻方向：節(jié)水灌溉理論與技術(shù)。

[中圖分類號(hào)]P641.2

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)03-0018-03