土柱入滲性能自動檢測裝置研制與試驗

賈維兵，楊啟良，李加念，劉小剛，楊具瑞

（昆明理工大學現代農業工程學院，昆明 650500）

土柱入滲性能自動檢測裝置研制與試驗

賈維兵，楊啟良※，李加念，劉小剛，楊具瑞

（昆明理工大學現代農業工程學院，昆明 650500）

為實現室內豎直土柱入滲性能的自動檢測，研制了一種土柱入滲性能自動檢測裝置。該裝置主要由傳感器位置調節裝置、土樣盛放裝置、供水裝置、檢測和控制模塊、電源模塊和上位機顯示存儲模塊組成，采用壓力應變式傳感器檢測入滲過程的累積入滲量，采用介電常數土壤水分傳感器檢測土壤含水率的變化，進而推斷濕潤鋒的運移位置。基于這2種傳感器，實現土柱入滲過程自動檢測。采用水頭為10 mm，容重為1.15、1.20和1.25 g/cm3的紅壤土進行室內土柱入滲試驗，檢驗該裝置的性能。結果表明：1）9個試驗和18個檢測位置，土壤水分傳感器進出土柱成功率為100%，表明該裝置運行可靠；2）與烘干法相比，土壤水分傳感器檢測得到土壤含水率的最大相對誤差為-4.4 %，檢測結果比較準確；3）與人工觀測濕潤鋒位置相比，土壤水分傳感器推算出的濕潤鋒位置最大相對誤差為-12.9 %，說明土壤水分傳感器檢測濕潤鋒的運移效果比較明顯；4）壓力應變式傳感器檢測累積入滲量與人工實測得到的數據對比，最大相對誤差為2.27%。該裝置可作為土柱入滲自動檢測試驗平臺。

入滲；土壤；含水率；土柱；濕潤鋒；自動檢測；裝置研制

賈維兵，楊啟良，李加念，劉小剛，楊具瑞. 土柱入滲性能自動檢測裝置研制與試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(7)：91－99.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.012 http://www.tcsae.org

Jia Weibing, Yang Qiliang, Li Jianian, Liu Xiaogang, Yang Jurui. Design and experiment of automatic detection device for soil column infiltration capacity[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(7): 91－99. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.012 http://www.tcsae.org

0 引 言

土壤入滲過程是田間土壤水分循環的重要組成部分[1]。土壤入滲研究能為地表、地下水資源的綜合評價，農田灌溉技術參數的合理確定提供科學依據[2]。大量有關土壤入滲性能的研究表明，土壤入滲能力主要受土壤機械組成、容重及入滲水頭等的影響[3-5]。

累積入滲量、濕潤鋒運移和土壤水分變化量是土壤入滲性能的重要指標。通常，在進行土壤入滲性能試驗時，供試土樣裝在圓柱型有機玻璃筒（箱）內，采用馬氏瓶或量筒供水，人工觀測馬氏瓶或量筒的水位下降高度來計算累積入滲量，人工觀測濕潤鋒的運移距離[6-15]。試驗持續時間長為60～500 min，甚至可達6 h之久，試驗過程中需人工讀取秒表記錄時間，然后觀測和記錄數據，該過程時間長，工作量大，對試驗人員是體力和耐心的極大考驗。近年來，管瑤等[16-18]將可控數碼相機和圖像識別技術應用于土壤入滲試驗研究，提高了試驗效率；圖像識別技術可以直接獲得濕潤鋒的位置計算濕潤體的體積，但不能直接檢測得到濕潤體土壤的水分動態變化，后期的計算比較復雜。其中管瑤等[16-18]采用蠕動泵和馬氏瓶提供恒定流量，然后基于流速與時間人工計算累積入滲量；劉芳芳等[19]采用電子秤讀取馬氏瓶質量的變化獲得累積入滲量，這 2種方法自動化程度低。呂華芳等[20]設計了應用于教學試驗裝置，使用數量較多的土壤水分傳感器，導致整個裝置成本較高，累積入滲量也是人工觀測。

基于此，本研究旨在研制能夠實現土柱入滲過程自動檢測的低成本裝置，并通過試驗驗證其可靠性，以提高土柱入滲性能的試驗效率。大多數電子秤使用壓力應變式傳感器稱質量[21]。介電常數型土壤水分傳感器能夠對土壤含水率進行連續測定[22-24]。本文采用壓力應變式傳感器來檢測入滲過程的累積入滲量，采用介電常數土壤水分傳感器來檢測土壤含水率的變化，進而推斷濕潤鋒的運移位置。基于這 2種傳感器，實現土柱入滲過程自動檢測。

1 土柱入滲性能自動檢測裝置總體設計

1.1 總體設計要求

室內土柱入滲性能自動檢測裝置試驗應滿足 4點要求：1）裝置能夠自動檢測土柱入滲過程中隨時間變化的累積入滲量；2）裝置能夠在入滲過程中連續測量土壤含水率的變化；3）裝置能夠根據檢測得到的數據判斷濕潤鋒的運移位置，進行下一位置的土壤含水率檢測；4）裝置檢測得到的累積入滲量和土壤含水率的數據能夠動態顯示和存儲，方便試驗人員查看和后期分析處理。

基于上述要求，提出該裝置的原理框圖如圖1所示，由傳感器位置調節裝置（土壤水分傳感器、水平電機、豎直電機與行程開關構成）、土樣盛放裝置（土柱、步進電機和行程開關構成）、供水裝置（馬氏瓶和壓力應變式傳感器構成）、檢測和控制模塊（A/D轉換、電機驅動器和單片機開發板構成）、按鍵、數碼管顯示模塊、電源模塊和上位機顯示存儲軟件組成。

圖1 土柱入滲性能自動檢測裝置的原理框圖Fig.1 Functional block diagram of automatic detection device for soil column infiltration capacity

1.2 裝置檢測工作原理

基于Green-Ampt[25-26]的4個基本假設，土柱在入滲過程中，濕潤鋒面為水平面，濕潤鋒后濕潤區土壤含水率為飽和含水率，導水率為飽和導水率。

土柱體積含水量采用頻域反射（frequency domain reflectometry，FDR）土壤水分傳感器檢測（大連哲勤科技有限公司，檢測精度為±3%），如圖2所示，測量區域為以中央探針為中心，直徑為70 mm、高為70 mm的圓柱體。

圖2 土壤水分傳感器檢測范圍示意圖Fig.2 Range diagram of soil moisture sensor detection

根據土壤水分傳感器的測量范圍和Green-Ampt的4個基本假設，當土壤水分傳感器水平插入土柱中，濕潤鋒運移到水分傳感器所能測量的范圍內時，土壤水分傳感器能夠檢測得到體積含水量的動態變化，隨著入滲的進行，傳感器所能測的范圍達到飽和含水量，傳感器檢測范圍的體積含水量保持不變。由此可認為土壤水分傳感器檢測值開始逐漸增大時為濕潤鋒到達傳感器所在高度上35 mm處的時刻，土壤水分傳感器檢測值增長到一定值保持不變時，濕潤鋒運移到傳感器所在高度下35 mm處。

郭文川等[27]進行了土壤溫度和容重對頻域反射儀FDR土壤水分傳感器測量精度的影響，得出計算含水率與實際含水率的絕對誤差為?2.638%～2.812%。本文設定FDR土壤水分傳感器檢測得到的數值變化率≤5%時，濕潤鋒運移通過土壤水分傳感器的測量范圍，裝置進行下一位置的土壤水分變化檢測。

選用CLZ-A壓力應變式傳感器和HX711 24位高精度稱質量傳感器模塊，組成電子秤連續測量馬氏瓶的質量變化，進而獲得累積入滲量。

檢測得到的累積入滲量和土壤水分變化量通過數碼管顯示，并通過串口發送至上位機軟件進行顯示存儲。進行下一位置土壤水分變化檢測時，單片機向控制模塊發送信號，使土壤水分傳感器離開土柱，下降一定高度再次進入土柱進行檢測，運動過程中使用行程開關限制運動極限位置。

2 土柱入滲性能自動檢測裝置硬件設計

2.1 傳感器位置調節裝置

傳感器位置調節裝置（圖3）用來調節土壤水分傳感器在水平和豎直方向的位置，實現土柱不同高度的土壤體積水分的連續檢測。

圖3 傳感器位置調節裝置結構示意圖Fig.3 Structure diagram of sensor position adjustment device

如圖3所示，土壤水分傳感器安裝在傳感器夾持機構上，傳感器夾持機構在水平方向和豎直方向均設有絲桿螺母。在水平方向上，根據土壤水分傳感器進出土柱的阻力，選用28BYJ-48步進電機（相電壓5 V，步距角5.6°）驅動螺桿（螺距2 mm），螺桿與水平方向絲桿螺母配合完成傳感器水平進出土柱；在豎直方向上，根據傳感器夾持機構在豎直方向運動的受力情況，選用 2個42BYGH47步進電機（相電壓12 V，步距角1.8°）驅動螺桿（螺距2 mm），螺桿與豎直方向絲桿螺母配合完成水分傳感器在豎直方向高度調節。豎直方向設有2根光軸作為傳感器豎直方向運動導桿。水分傳感器兩側分別設有左右行程開關，分別用來限制傳感器進出土柱的極限位置。水分傳感器夾持機構上下分別設有行程開關，分別用來限制傳感器在豎直方向運動的極限位置。上述行程開關均選用德力西LXW5-11N1行程開關。

2.2 土樣盛放裝置和供水裝置

土樣盛放裝置用來盛放試驗土樣，供水裝置向土柱提供一定水頭的入滲水。如圖 4所示，土樣盛放裝置主要由圓柱筒體和支撐座構成，圓柱筒體為內徑為140 mm、外徑為150 mm、高為200 mm的亞克力筒體，安裝在下部的支撐座上。筒體上設有乳膠管安裝孔，同時徑向開有若干與傳感器探針相配合的傳感器出入孔。

圖4 土樣盛放裝置和供水裝置結構示意圖Fig.4 Structure diagram of soil laying and water supply device

為了保證檢測過程中，土壤水分傳感器探針能夠順利進出土柱，在土樣盛放裝置支撐座底部設置57BYG250B步進電機（相電壓24V，步距角1.8°），該電機驅動圓柱筒體在水平面內旋轉，在支撐座上部設置了行程開關，配合電機使傳感器出入孔與傳感器探針對齊，行程開關仍選用德力西LXW5-11N1行程開關。

供水裝置由馬氏瓶、CZL-A壓力應變式傳感器、乳膠管和傳感器支座組成，CZL-A壓力應變式傳感器安裝在馬氏瓶底部，乳膠管的另一端安裝在筒體上，向土柱供水。試驗過程中調節傳感器支座的高度來調節入滲水頭。

2.3 檢測和控制模塊

檢測和控制模塊由檢測模塊電路、控制模塊電路和單片機組成，檢測模塊電路是單片機與FDR土壤水分傳感器和CLZ-A壓力應變式傳感器連接的電路，以及單片機與數碼管顯示模塊和上位機連接的電路；控制模塊電路是單片機與傳感器位置調節裝置上水平電機、豎直電機和行程開關，以及土樣盛放裝置底部的步進電機和行程開關連接的電路，也包括單片機與按鍵之間的電路。

因本裝置檢測模塊電路、控制模塊電路與單片機相連需要較多的I/O接口，所以本文選用具有54路數字輸入/輸出口，16路模擬輸入Arduino mega 2560開發板[28]作為檢測和控制核心板，該開發板工作電壓為5 V直流電。

2.3.1 檢測模塊電路

本文選用的FDR土壤水分傳感器的工作電壓為5 V直流電，同時該傳感器內部設有抗干擾的A/D轉換模塊，輸出信號為直流電壓信號，所以信號端直接連接在開發板的模擬輸入接口上。CLZ-A壓力應變式傳感器輸出的信號較弱，單片機接口不能直接識別，需要經過A/D轉換和放大，本文選用 24位高精度稱質量傳感器模塊[29]HX711進行A/D轉換，HX711的電路圖如圖5 所示。該模塊的工作電壓為2.6～5.5 V。

圖5 HX711電路示意圖Fig.5 Schematic drawing of HX711 circuit

由于CLZ-A壓力應變式傳感器輸入HX711 的電壓較小（約4 mV），容易受到電磁對檢測結果的干擾，所以壓力應變式傳感器與HX711之間的電路越短越好。同理，HX711與單片機之間的線路也不能太長。由于壓力應變式傳感器安裝在馬氏瓶底部，Arduino Mega 2560單片機安裝在傳感器位置調節裝置下部，兩個位置距離較遠，且Arduino Mega 2560上連接的電路較多，所以為了避免電磁對檢測結果的影響，本文選用Arduino Uno單片機單獨檢測壓力應變式傳感器的值。

土壤水分傳感器和壓力應變式傳感器檢測得到的值通過數碼管顯示模塊顯示，并通過串口發送至上位機軟件進行顯示存儲。

2.3.2 控制模塊電路

本文傳感器位置調節裝置水平電機選用28BYJ-48步進電機，該電機的工作電壓為5 V，由ULN2003A電機驅動器[22]提供脈沖信號驅動，驅動器的脈沖由 Arduino Mega 2560單片機數字輸入/輸出接口提供。傳感器位置調節裝置豎直電機選用42BYGH47步進電機，該電機工作電壓為12 V，相電流為1.5 A，土樣盛放裝置底部的電機選用力矩較大的 57BYG250B步進電機，工作電壓為24 V，相電流為3.0 A。TB6600電機驅動器（最高工作電壓50 V）上設有M1、M2和M3 共3個細分來調整輸出脈沖的電壓和電流大小，電路板接口如圖 6所示。雖然上述 2種電機工作電壓和相電流不同，但通過調整驅動器上的細分就可以滿足，這2種電機均由TB6600驅動器控制，其控制信號由Arduino Mega 2560單片機數字輸入/輸出接口提供。

圖6 TB6600驅動板接口示意圖Fig.6 Diagram of TB6600 board interface

該裝置共有5個同型號的行程開關，工作電壓為5 V，故行程開關電源由Arduino Mega 2560開發板提供，開關開閉信號直接輸入到數字輸入/輸出接口。

2.4 裝置供電分配

本裝置Arduino Mega 2560開發板、Arduino Uno開發板、FDR土壤水分傳感器、CLZ-A壓力應變式傳感器、LXW5-11N1行程開關、28BYJ-48步進電機、 ULN2003A電機驅動器的工作電壓均為5 V直流電，且Arduino Mega 2560開發板上有若干5 V電源接口，所以將220 V的交流電通過變壓器轉換為 5 V的直流電，提供給 Arduino Mega 2560開發板，就可以保證上述部件的正常運行。42BYGH47步進電機的工作電壓為12 V，57BYG250B步進電機的工作電壓為24 V，所以分別選用220 V交流轉12 V直流變壓器和220 V交流轉24 V直流變壓器保證這2種電機的正常運行。裝置的供電分配圖如圖7所示。

圖7 裝置供電分配圖Fig.7 Diagram of device power supply distribution

3 土柱入滲性能自動檢測裝置軟件設計

3.1 上位機軟件設計

本文利用LabVIEW軟件開發了上位機數據實時顯示存儲界面，該界面如圖 8所示，界面的主要功能有：實時顯示和存儲入滲時間、串口接收到的累積入滲量和土壤含水率的數值，并通過接收到的土壤含水率變化，推算濕潤鋒運移至土壤水分傳感器檢測范圍最低和最高處的時刻，試驗結束后，可用這 2個時間計算土柱入滲的入滲率。

圖8 上位機主界面Fig.8 Main interface of upper computer

3.2 底層軟件設計

系統控制程序在Arduino 1.0.5軟件中用C語言開發，編譯后下載到Arduino Uno和Arduino Mega 2560單片機自帶的flash中，程序流程如圖9所示。本程序還編寫了開關機和調節相鄰傳感器出入孔間距的程序，通過按鍵控制裝置運行與否，也可以通過按鍵來調節相鄰 2個傳感器檢測位置的間距，提高裝置的適用性。

圖9 程序流程圖Fig.9 Program flow chart

4 土柱入滲性能自動檢測裝置性能測試

4.1 供試材料

試驗土樣選用耕作過的昆明呈貢寶珠梨生產基地表層（0～200 mm深）土壤，其質地為粉壤土，有機質質量分數為0.68%～1.15%,共取30 kg土樣，經風干、粉碎、過篩（孔徑l mm）、混勻，備用。采用烘干法在105 ℃下烘12 h，測定土樣的平均初始含水率為3.4%。

4.2 試驗裝置

分別以容重為1.15、1.20和1.25 g/cm3分層（10 mm）裝填圓柱筒體土柱，裝土過程中用鎮壓裝置進行鎮壓和平整，保證裝入土樣容重均勻一致。為了減小試驗誤差，每個容重水平重復 3次。調節馬氏瓶的高度，使馬氏瓶供水頭高度相對于土樣表層的高度為10 mm，馬氏瓶通過乳膠管向土柱提供恒壓入滲水。試驗開始前，用止水夾夾持乳膠管。試驗裝置如圖10所示。

圖10 試驗裝置圖Fig.10 Photo of detection device

土柱高度為190 mm，土壤水分傳感器檢測的范圍為圓柱體（高和底的直徑均為70 mm），每個入滲試驗，檢測區域不重復，土壤水分傳感器可以檢測2個位置（本文設定為距土柱表面 35 mm的位置 1、距土柱表面120 mm的位置2）。

4.3 試驗方法

裝置的性能通過以下4個方面進行測試和驗證：1）裝置的運行性能測試，通過人工觀測入滲過程中FDR土壤水分傳感器和盛土圓柱筒體能否回到初始位置，同時觀測土壤水分傳感器能否順利進出土柱的 2個檢測位置來驗證；2）土壤水分檢測準確性試驗；3）驗證檢測出濕潤鋒位置準確性；4）累積入滲量檢測準確性試驗。

4.3.1 裝置運行試驗

土壤水分傳感器和盛土圓柱筒體回到初始位置的成功率

式中Fc為FDR土壤水分傳感器和盛土圓柱筒體回到初始位置的成功率，%；P為FDR土壤水分傳感器和盛土圓柱筒體回到初始位置的成功次數；Q為土柱入滲試驗的總次數。

土壤水分傳感器進出土柱的成功率

式中Fh為土壤水分傳感器進出土柱的成功率，%；N為土壤水分傳感器進出土柱的成功次數；M為土壤水分傳感器進出土柱的總次數。

4.3.2 土壤水分檢測準確性試驗

根據Green-Ampt 4個基本假設，土柱入滲過程中，濕潤鋒運移通過土壤水分傳感器的檢測范圍時，認為此范圍的土壤水分達到飽和，土壤水分傳感器開始下一位置檢測。通過數碼管或上位機軟件查看該時刻傳感器檢測值，同時在傳感器所在高度，人工采集土樣，采用烘干法進行測定其含水率，將土壤水分傳感器檢測得到的體積含水量轉換為含水率后進行對比分析，獲得土壤水分含量檢測的準確度。

4.3.3 濕潤鋒位置準確性檢測

由裝置原理部分可知，試驗過程中，濕潤鋒自上向下運移，依次經過檢測位置1和位置2。土壤水分傳感器檢測范圍的最高處和最低處的高度分別記為H0和H1。試驗過程中，濕潤鋒運移經過這 2個位置，土壤水分傳感器檢測得到的值開始增加和保持不變（變化率≤5%），所以根據土壤水分檢測結果推斷濕潤鋒運移至位置 H0 和H1的時刻，人工觀測濕潤鋒運移的真實位置，并將這個位置與高度H0和H1與進行比較分析，驗證裝置檢測出濕潤鋒位置的準確性。

4.3.4 累積入滲量檢測準確性試驗

常規的入滲試驗累積入滲量的檢測沒有標準的方法，試驗進行過程中，打開供水開關，人工觀測馬氏瓶水位的變化，記錄時間來計算累積入滲量，與裝置檢測得到的值進行對比，得出裝置累積入滲量檢測的準確度。供水開始時，土柱表面與供水乳膠管中心的高度差為10 mm，馬氏瓶中的入滲水流入土柱表面速率較快，隨著土柱表面的入滲水頭逐漸增大到10 mm時，馬氏瓶中的入滲水流速降低，入滲過程開始的1 min內，每5 s觀測馬氏瓶水位，1 min后每10 s觀測馬氏瓶水位。

4.4 傳感器標定

試驗前先對FDR水分傳感器和CLZ-A壓力應變式傳感器進行標定，并將標定后的修訂值輸入到裝置檢測程序中。

根據《JJG 1036-2008電子天平檢定規程》的檢定要求[30]，對CLZ-A壓力應變式傳感器進行標定，并對傳感器的重復性和示值誤差進行試驗測試，得到最大絕對誤差為1.3 g，滿足試驗的精度要求。

對FDR傳感器進行標定時，不考慮溫度和容重對土壤水分傳感器測量精度的影響，將水和試驗土樣配置成土壤含水率為5%、10%、20%、30%、40%、50%和60%的樣品，均勻攪拌后靜置12 h以上，將FDR土壤水分傳感器插入樣品中進行測量，每個樣品重復測量 5次，然后取平均值，采用數值分析中的拉格朗日插值算法計算得到關系式

式中Y為土壤含水率，%；x為傳感器檢測輸出的電壓，V。

參考滑動均值濾波法[21]分別對 2種傳感器檢測得到的值進行平滑濾波，分別在檢測程序中輸入傳感器標定和平滑濾波相關公式校正檢測值。

4.5 結果與分析

4.5.1 裝置運行結果

裝置運行結果如表1所示。3個容重水平，3個重復試驗共9個試驗過程中，FDR土壤水分傳感器和盛土圓柱筒體回到初始位置的成功率Fc為100%。9個試驗共18個檢測位置中，土壤水分傳感器進出土柱的成功率為100%，說明該裝置運行可靠，能作為土柱入滲性能自動檢測裝置。

4.5.2 土壤水分傳感器檢測結果準確性

土壤水分傳感器檢測值轉換為質量含水率后與烘干法測得的含水率比較見表2，由表可知，相對誤差最大為?4.4%，最小為?1.5%，滿足上述設定的土壤水分傳感器檢測值變化率≤5%的設定條件。從表中可以看出，除了容重為1.15 g/cm3的試驗，其余試驗傳感器檢測得到的值均小于采用烘干法測得值，這可能是由于土壤水分傳感器插入土柱過程中，由于盛土圓柱筒體有一定的厚度，導致傳感器探針沒有完全插入到土壤中，導致傳感器檢測得到的數值小于標準值。

4.5.3 濕潤鋒位置準確性測試結果

試驗18個檢測位置中，裝置推算出的濕潤鋒運移至傳感器檢測范圍最高處H0和最低處H1時距離土柱表面的距離，與同一時刻人工觀測濕潤鋒運移位置距離土柱表面距離的比較如表2所示，表中以傳感器的檢測范圍直徑70 mm作為人工觀測的濕潤鋒與裝置自動檢測濕潤鋒距離土柱表面距離的相對誤差的基準，分別計算了檢測位置1和2處3次重復試驗相對誤差的平均值，表中相對誤差的正負分別表示人工觀測位置位于裝置自動檢測位置的上方和下方。由表2可知，裝置檢測得到的濕潤鋒位置與人工實測的位置之間的高度相對誤差最大為?12.9%，最小為?4.2%，即2種測定方法測定的最大的高度差為9 mm，最小為3 mm，說明該土壤水分傳感器能夠很好地根據水分含量的變化來推斷濕潤鋒的運移位置。同時由表可知，人工觀測得到的濕潤鋒位置均位于裝置自動檢測得到的位置下方，這主要是由于設定土壤傳感器檢測值變化率≤5%為達到飽和含水率的時刻，造成傳感器判斷濕潤鋒位置有一定的滯后性。

表2 土壤水分傳感器及土柱入滲性能自動檢測裝置濕潤鋒測量精度Table2 Accuracy of soil moisture sensor and wetting position measurements by automatic device for soil column infiltration capacity

4.5.4 累積入滲量檢測準確性試驗結果

壓力應變式傳感器檢測得到的累積入滲量如圖 11 a所示。由圖11可知，3個容重水平，3個重復入滲試驗中，在0～120 s時間段內，3個容重水平的累積入滲量的增長速率基本相等，在120 s以后，累積入滲量的增長速率隨著容重增大而降低。如圖11 b所示，將檢測得到的累積入滲量與人工方法觀測到的數值進行逐一對比，得到 3個容重水平容重從小到大的最大相對誤差分別為2.05%、2.27%和1.76%，3個容重水平（容重從小到大）的均方根誤差分別為0.62、0.65和0.59 g，最大為0.65 g。與人工方法相比，自動檢測省去了記錄時間和計算累積入滲量的過程，提高了試驗效率。

圖11 累積入滲量測定結果Fig.11 Results of cumulative infiltration measurements

5 結 論

本文以Atmega2560單片機為核心器件，基于 FDR土壤水分傳感器和CLZ-A壓力應變式傳感器，研制了土柱入滲性能自動檢測裝置。該裝置能夠檢測土柱入滲過程中土壤含水率的動態變化和累積入滲量，并根據土壤含水率變化推斷濕潤鋒的運移位置，檢測得到的數據能夠通過上位機軟件實時顯示和存儲。

運行試驗結果表明，3個容重水平，3個重復試驗中，共18個檢測位置，該裝置運行穩定，土壤水分傳感器進出土柱的成功率為100%，土壤水分傳感器檢測土壤含水率與標準值的最大相對誤差為?4.4%，壓力應變式傳感器檢測累積入滲量與實測值的最大相對誤差為2.27%，最大均方根誤差為0.65 g，裝置推算濕潤鋒位置與實測位置的最大相對誤差為?12.8%，裝置檢測精度較高，可用作土柱入滲試驗的平臺。

該裝置提高了試驗的效率，降低了試驗人員的勞動強度，對于不同類型土壤的效果和不同指標還有待繼續研究和開發，以滿足不同的試驗要求。

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Design and experiment of automatic detection device for soil column infiltration capacity

Jia Weibing, Yang Qiliang※, Li Jianian, Liu Xiaogang, Yang Jurui
(College of Modern Agricultural Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming650500,China)

In this research, a new automatic device was designed for the indoor soil column infiltration detection, which was mainly composed of a sensor position adjusting device, a soil sample laying device, a water supply device, a frequency domain reflectometry (FDR) soil moisture sensor, a CLZ-A pressure-strain type sensor, an Arduino mega 2560 development board, an Arduino UNO development board, a TB6600 byte rotor driver and upper desk software. The sensor position adjusting device was composed of the FDR soil moisture sensor, a 28BYJ-48 byte rotor, two 42BYGH47 byte rotors and four limit switches. The FDR soil moisture sensor was driven by 28BYGJ-48 byte rotor in the horizontal direction. The FDR soil moisture sensor was driven by 42BYGH47 byte rotor in the vertical direction. Two limit switches were fixed on both sides of the FDR soil moisture sensor in the horizontal direction. The other limit switch was fixed on both sides of the FDR soil moisture sensor in the vertical direction. The soil sample laying device was a cylinder with holes made of acrylic materials. The probe of FDR soil water moisture sensor could go in or out of the holes. The cylinder was driven by a 57BYG250B byte rotor until the soil moisture sensor probe could go in or go out from the holes in the cylinder. The water supply device was composed of a Markov bottle, a CLZ-A pressure-strain type sensors and a support board. The CLZ-A pressure-strain type sensor was placed in the bottom of Markov bottle. The signal of the CLZ-A pressure-strain type sensor was transformed into digital signal by HX711 24 bit A/D transfer, and then the digital signal was inputted into Arduino UNO interface. FDR soil moisture sensors could give digital signal, which was inputted into Ardunio mega 2560 interface. The 28BYJ-48 byte rotor was controlled by the ULN2003 byte rotor driver, and the 42BYGH 47 byte rotor and 57BYG250B byte rotor were controlled by the TB6600 byte rotor driver. Both ULN2003 byte rotor driver and TB6600 byte rotor driver

control signal that came from Arduino mega 2560 single-chip. The area of FDR soil water moisture sensor was on the surface of a cylinder. When the FDR soil moisture was driven into the soil column in the horizontal direction, there was a one-to-one correspondence between response of FDR soil moisture sensor and water content of the soil column. For this reason, with the infiltration continued, the wetting front moved downward and the detection device obtained the change of soil moisture. According to the 4 basic assumptions of Green-Ampt, when the wetting front had arrived the highest position of area that soil moisture sensor detected, the value of sensor would become bigger until the wetting front had reached the lowest position. When the value change was less than or equaled to 5%, the sensor position adjusting device would adjust the FDR soil moisture sensor position and the next position would be detected. Main interface of upper desk had been designed using the LabVIEW software. To evaluate the device’s measuring accuracy, the FDR soil moisture sensor had detected a series of soil samples with different bulk densities (1.15, 1.20, and 1.25 g/cm3). Each soil sample was tested 3 times and the infiltration water head was 10 mm. The response of FDR soil moisture sensor was measured by the device. The results showed that the sensor position adjusting device and soil sample container all could return to the initial position successfully. The success rate of the sensor returning to the initial position and in or out of the soil column was 100%, indicating the reliability of the device for automatic detection. Compared with the soil moisture determined by the oven-drying method, the sensor measurement results had the maximum relative error of -4.4%, suggesting the reliability of soil moisture detection by the sensor. Compared with the wetting front obtained by the labor method, the maximum and the minimum relative distance measurement error of the wetting front position were -12.9% and -4.2%. The maximum relative error for the artificially measured and automatically detected cumulative infiltration was only 2.27% and the maximum root mean square error was 0.65 g. Those results demonstrated that the device developed could be used as the reliable soil column infiltration automatic test platform.

infiltration; soils; water content; soil column; wetting front; automatic detection; device design

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.012

S152.7+2

A

1002-6819(2017)-07-0091-09

2016-08-31

2017-03-10

國家自然科學基金（51379004、51009073）；云南省應用基礎研究面上項目（2013FB024）；昆明理工大學學生課外學術科技創新基金課題項目（2015YB060）

賈維兵，男，甘肅天水人，主要從事農業智能化檢測與控制技術研究。昆明 昆明理工大學現代農業工程學院，650500。

Email：jwb1510843575@126.com

※通信作者：楊啟良，男，甘肅通渭人，博士，教授，主要從事高新技術在農業工程中的應用研究。昆明 昆明理工大學現代農業工程學院，650500。

Email：yangqilianglovena@163.com