FDR土壤水分傳感器在高介電值段失真及準確性分析

彭星碩　李若冰　李海鵬

摘 要：目前對FDR土壤水分傳感器在高介電值下失真現象究較少。本實驗對不同介電值（6～60）的液體和不同體積含水量（5%～35%）的仿真土壤和真實土壤進行測試。并通過MATLAB軟件對輸入信號與輸出信號進行二階曲線擬合處理，發現傳感器在在不同介電常數下和土壤下表現出不同的特性。本研究對相關部門測試選取該類型傳傳感器以及傳感器元件改進方面具有借鑒意義。

關鍵詞：農業電氣化與自動化；FDR傳感器；土壤水分；失真；準確性

中圖分類號：S24 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170632059

土壤是陸基生物最基本的載體。如今測量土壤含水量的方法有很多種，如烘干法，張力計法，電阻法，中子法，時域反射法，頻域反射法等。其中頻域分解（Frequency Domain Reflectometry，FDR）土壤水分傳感器具有測量快速，經濟實惠，不破壞土壤，不污染環境，測量準確等優點[1]。多年來，科研工作者致力于土壤介電特性和FDR土壤水分傳感器結構的研究，通過建立三維數學模型對FDR土壤水分傳感器進行校正補償，解決了溫度，電導率，土壤質地，容重等對FDR土壤水分傳感器精度的影響。以及對FDR土壤水分傳感器的頻率以及探頭長度進行對比分析，提高了傳感器的精度。

1 實驗

1.1 實驗材料制備

介電容液具有成分單一，易于配制，可與傳感器緊密連接的優點。因此為了研究FDR土壤水分傳感器在不同介電常數下的性質，實驗選用介電常數溶液作為實驗對象，介電容液由乙酸乙酯（6.02，25℃），乙醇（24.55，25℃），去離子水（78.36，25℃），三種液體配制而成，共22組。每種介電常數配置500mL，裝入廣口瓶封存。

為了避免土壤中鹽分，有機物等外界因素影響實驗，本實驗采用有石英粉配成的仿真土壤進行試驗。根據土壤分類標準，采用沙粒級石英粉（80目），粉粒級石英粉（800目），粘粒級石英粉（5000目）進行不同質量分數的配比配制仿真土壤。配制比例見表1，將石英砂配置完畢后，用攪拌機攪拌均勻，裝入保鮮袋封存。試驗用土壤樣品來源于陜西楊凌西北農林科技大學水利與建筑工程學院的試驗田。土壤類型為陜西省中部地區的塿土。在自然條件下晾曬后，剔除其中的石子、雜草等雜質，用粉碎機磨成粉，用 80目（孔徑 0.2 mm）的篩子過篩，以粒徑小于0.2 mm的土壤為試驗對象。將實驗用土放入烘箱中烘干至恒重，稱取 11份 土壤樣品。在已知初始含水率和土壤樣品質量的情況下計算出所需添加的去離子水，用以配制不同含水率的土壤樣品。配置時將去離子水分幾次噴入，并用攪拌機攪拌均勻，將配置好的土樣放入20號自封袋密封，靜置24h后裝入PVC管（直徑70mm，高100mm）中，并用自動壓力器壓到標準體積。最終實際含水量用烘干法校準，結果為仿真土壤：4.91%、7.93%、10.98%、13.55%、16.89%、19.74%、22.99%、 26.46%、28.56%、31.83%、34.64%。真實土壤：4.92%、8.26%、10.87%、13.51%、17.00%、20.50%、23.22% 25.71%、28.92%、31.71%、35.21%。

1.2 FDR水分土壤傳感器

本實驗以Decagon devices公司生產的ECH2O EC-5型，及配套數采。

1.3 實驗方法及步驟

將防腐蝕漆在傳感器探頭以外部分均勻涂抹，防止有機試劑乙酸乙酯將其溶解。把待測介電溶液置于25℃的電子恒溫箱中，將傳感器垂直插入介電溶液中，并將FDR傳感器探頭完全置于介電溶液中。帶數據穩定后，用數據采集器每1min采集1次輸出電壓信號，每種介電溶液記錄20組電壓信號，取平均值。

將FDR土壤水分傳感器探頭垂直完全插入待測仿真土壤的容器中間部分，用力均勻，做到傳感器探頭和仿真土壤之間沒有空隙，待傳感器示數穩定時，每隔1min取1次數據，每組不同含水量的仿真土壤土壤記錄20組數據，取平均值。

真實土壤的測量步驟如仿真土壤。

2 結果與分析

2.1 關于高介電值失真對傳感器準確性影響

圖1、圖2是在25℃條件下，土壤傳感器在低介電值（6～30）時和高介電值（30～60）以及圖3全域介電值（6～60）時，進行二次曲線擬合的輸入輸出特性曲線。對比傳感器對不同范圍介電值的擬合優度相關系數R?，低介電值下相關系數為0.9933，高介電值下相關系數在0.9351。傳感器在全域介電常數值下，擬合相關系數為0.9774。低介電常數（常見土壤含水量）下的傳感器擬合優度很高，高介電值下傳感器擬合優度低，部分傳感器表現出明顯的失真現象。在全域介電值下傳感器輸入輸出特性曲線表現出明顯滿足二次函數曲線。

2.2 關于仿真土壤和真實土壤二階擬合曲線相似程度

本實驗將用傳感器測量相同含水量的仿真土壤與真實土壤，并對輸出進行對比，輸出電壓的差值越小說明傳感器受土壤成分影響越小。圖4表示的是傳感器在同一含水量區間（5%～35%）仿真土壤和真實土壤的輸出特性曲線。傳感器對仿真土壤和真實土壤的擬合優度相關系數分別為0.9873和0.9853，用于測量的實驗材料為實驗室配制，每組實驗材料成分一致。而實際生產中的土壤，成分復雜，除了了含有SiO2，Al2O3，蒙脫石等無機成分以外，還含有各種有機質。

3 結論

傳感器在低介電值下輸入輸出擬合優度相關系數較大，高介電值下擬合優度相關系數較低，全域介電值下擬合優度相關系數居中，表現出明顯的二次曲線。高介電值部分靈敏度（du/dt）偏小，FDR土壤傳感器屬于高頻電路，無法在較低的靈敏度下保持傳感器的準確性。輸出響應變化較h，會導致絕對誤差增大，甚至會出現失真現象。

針對土壤中除水和空氣外其他因素對傳感器準確性的干擾，通過對比傳感器對仿真土壤和真實土壤的響應值，發現傳感器受外界因素影響很大，這是制約傳感器準確性重要原因。

參考文獻

[1]蘇志誠，張立禎，丁留謙，等.四種新型土壤墑情傳感器的對比分析[J].水文，2014（4）：55-60.