土壤水分測量技術研究及實現

王中金，張振強，李明放，孟曉東，胡錦濤

土壤水分測量技術研究及實現

王中金，張振強，李明放，孟曉東，胡錦濤

（中電科信息產業有限公司，河南 鄭州 450047）

土壤水分和電導率對植物生長有著重要意義，通過對土壤測量技術的研究及試驗，提出一種水分、電導率同步測量的方法，進而設計出能夠同時測量土壤水分、電導率、溫度等參數的傳感器，并對傳感器的技術指標進行了測定，實現了土壤多參數的實時同步測量。

土壤水分；電導率；同步測量；多參數

土壤水分對植物生長至關重要，是其進行物質交換的重要媒介。而中國人均占有水資源貧乏，與此并存的現狀是水資源的嚴重浪費。中國農業用水占社會總耗水量的80％以上，有效利用率只有40%左右，相比之下發達國家已達70%～80%[1]。此外，在干旱半干旱地區，土壤鹽漬化嚴重制約了農業生產，對土壤鹽分的測量也成為了土壤鹽漬化研究工作中的重要內容，而電導率不僅可以反映土壤鹽分，而且與土壤鹽分相比更容易在同標準下進行比較，因此常常會用電導率直接估計土壤鹽分[2-4]。土壤水分、電導率的測量對指導農業生產、水資源管理等有著重要意義，在氣象、水利、農業等行業得到廣泛關注。

1 測量原理

對土壤水分測量的方法主要有烘干法、中子法、FDR、TDR、電容法等，其中傳統的烘干法測量可信度最高，但是操作復雜，不能做到實時測量。基于介電理論的測量技術以其實現簡單、測量準確等優點被廣泛應用，不僅操作簡單、測量精度高，而且能夠做到實時測量。介電理論測量土壤水分的基礎是水在構成土壤的所有成分中介電常數最大，在土壤介電常數中占支配地位，可直接代表土壤介電常數。本文中測量技術基于電阻抗理論及介電理論，實現了土壤水分、電導率的同步測量，而且測量精度高、實現簡單。

1.1 物理模型

本文中測量原理是采用50 MHz的高頻信號，經過2個精密取樣電阻，傳導到發射探針，再通過探針之間的土壤到接收探針，構成回路。通過物理模型和數學建模，計算出土壤水分及電導率。物理模型原理如圖1所示。

圖1 物理模型示意圖

1.2 數據建模

根據基爾霍夫定律列方程組：

式（1）（2）中：1，2為取樣元件電阻；x為待求等效電阻；x為待求等效電容；3/信號電壓微分。

然后根據土壤相對介電常數εr與土壤水分的關系，通過回歸方程和試驗數據，求出土壤水分：

=×εr3+×εr2+×εr+（3）

式（3）中：為土壤水分；，，，為通過試驗數據求出的標定系數。

此外，根據等效電阻x的值以及電阻公式，求出電阻率值：

式（4）中：為電阻率；為等效電阻長度；為等效電阻面積（/整體作為電極常數，通過標定試驗測得）。

而電導率是電阻率的倒數，因此，可求出電導率：

式（5）中：為電導率；為電阻率。

根據以上的求解過程，即可做到同步測量土壤水分和電導率。

2 傳感器設計

根據測量原理部分內容設計傳感器，主要包含硬件設計和軟件設計兩方面內容。

2.1 硬件設計

傳感器探頭部分采用4探針設計，如圖2所示。其中，中間探針作為發射探針，其余3根探針作為接收探針，圍繞中間探針周向均布。

圖2 探針結構圖

傳感器電路模擬部分與物理模型部分保持一致，包含50 MHz高頻信號產生電路、高精度采樣電阻以及檢波電路。探頭部分作為電路一部分，和其中介質一起構成完整回路。

傳感器電路數字電路部分采用高精度AD對取樣點進行采樣，低功耗高性能MCU計算處理采集到的數據，并通過RS485接口輸出結果。

2.2 軟件設計

軟件設計可分為測量模塊、算法模塊、通信模塊、參數設置模塊。測量模塊檢測硬件電路輸出的電信號；算法模塊把電信號轉化成水分、鹽分等數字信號；通信模塊負責與用戶交互，接受命令，輸出結果；參數設置模塊可對參數讀取設置，軟件自動保存，掉電不丟失。軟件結構如圖3所示。

圖3 軟件框圖

軟件一直處于等待輸入命令狀態，有命令輸入，軟件執行相應操作，操作完成，重新回到等待命令狀態。

3 實驗驗證

為了檢驗土壤水分電導率同步測量技術，本文使用傳感器分別做土壤水分和電導率兩個實驗來測定正確性及性能。

3.1 土壤水分實驗

依據自動土壤水分觀測規范，土壤水分實驗通過烘干稱重法測量真實值，然后與機測值做標定、對比，測量結果如圖4所示。土壤水分標準土樣在0到飽和之間取7組，做好土樣后先對傳感器進行標定，然后再次做土樣，對其機測值進行驗證。

3.2 電導率實驗

電導率實驗使用臺灣衡欣AZ86555型電導率儀測量值作為真實值，與傳感器機測值做標定、對比，測量結果如圖5所示。

圖4 土壤水分實驗結果

圖5 電導率實驗結果

4 數據分析

4.1 土壤水分實驗數據分析

圖4給出了傳感器標定的擬合曲線，相關系數達到了0.99，直接驗證了本文的方法測量土壤水分的可行性。此外體積含水量的擬合誤差只有1.37%，第二次驗證實驗的誤差也只有1.99%，小于規范中傳感器最大絕對誤差在實驗室內可達到2.5%的要求。

4.2 電導率實驗數據分析

圖5給出了傳感器電導率測量值與電導率儀的測量值之間的擬合曲線，相關系數達到了0.97，說明土壤水分電導率同步測量技術中電導率測量也是可行的。

5 結論

本文通過理論分析和實驗驗證相結合，對土壤水分、電導率同步測量技術進行了研究、驗證，可得出以下結論及建議：①對土壤墑情、土壤鹽分測量的需求日益增長，本文提出的土壤水分電導率同步測量技術具有實現簡單、多參數同步測量等優點，是一種相當實用的測量技術；②本文設計的傳感器，不僅測量準確性高，而且成本低，完全能夠滿足各行業對土壤的測量需求；③為了實現土壤溫度測量以及對土壤水分、電導率等參數的校正，傳感器中加入了溫度傳感器，進一步提升了實用性；④由于土壤水分和土壤鹽分都會對土壤電導率產生影響，本文中電導率測量結果雖然加入了溫度修正，但是其他影響因素修正仍需要做進一步研究。

［1］孫宇瑞.非飽和土壤介電特性測量理論與方法的研究［D］.北京：中國農業大學，2000.

［2］雷蕾.干旱區鹽漬土介電常數特性研究與模型驗證［J］.農業工程學報，2013，29（16）：125-131.

［3］孫永猛，丁建麗，瞿娟.應用電磁感應和遙感的新疆綠洲區域尺度鹽漬土識別［J］.農業工程學報，2012（20）：180-187，296.

［4］田長彥，周宏飛，劉國慶.21世紀新疆土壤鹽漬化調控與農業持續發展研究建議［J］.干旱區地理，2000（3）：177-181.

S156.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.025

2095－6835（2019）24－0063－02

〔編輯：張思楠〕