土壤水分传感器实验室标定和测试方法探讨

智永明，何生荣，刘满红，邓 超，艾钰蓉

（1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；

2.水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心，江苏 南京 210012；

3.水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012）

土壤水分传感器实验室标定和测试方法探讨

智永明1，3，何生荣2，刘满红2，邓 超2，艾钰蓉1

（1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；

2.水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心，江苏 南京 210012；

3.水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012）

通过在实验室制作标准试样（土壤）标定及测试土壤水分传感器，研究土壤水分传感器在实验室标定及测试的步骤和方法，探讨土壤水分传感器实验室环境下率定关系式的建立，提高土壤水分传感器在实验室环境下数据测试的准确性和权威性，在于探讨土壤水分传感器实验室标定和测试方法，为土壤水分传感器的实验室检测提供方法支撑。

土壤水分传感器；烘干法；潮土；试样；环刀；率定

为提高土壤水分监测仪器的准确性、可靠性和灵敏性，建立土壤水分监测仪器准入制度是十分必要的。为此，国家防汛抗旱总指挥办公室会同水利部水文局组织制订了《土壤水分监测仪器通用技术条件》（试行），在实施国家防汛抗旱指挥系统二期工程和开展土壤墒情监测系统建设时试行。不同品牌、型号的监测仪器须经水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心检测合格后，由国家防汛抗旱总指挥部办公室列入推荐使用目录，并定期进行复检查[1]。

本文针对水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心建议使用的标准土样，探讨实验室环境下土壤水分传感器的标定及测试方法，以提高实验室环境下土壤水分传感器的测试精度，探索减少人工操作误差的方法，进而提高实验室标定及测试的数据权威性。

1 土壤试样的标定及测试

本次标定及测试实验用的土壤试样为安徽亳州潮土，实验用的传感器为铜环式和插针式传感器，均为介电类法测试。图1 所示为铜环式传感器，标定及测试时，将铜环式传感器直接插入土中的 PVC套管内测试数据；图2 所示为插针式传感器，标定及测试时，将插针式传感器垂直插入土壤中测试数据。传感器标定所需要的土壤试样按体积含水量5%，7%，10%，15%，17%，27% 和 36% 配置，其中体积含水量为 5%，7%，10% 的土壤试样设计容重为 1.40 g/cm3，体积含水量为 15%，17% 的土壤试样设计容重为 1.45 g/cm3，体积含水量为 27% 的土壤试样设计容重为 1.50 g/cm3，体积含水量为 36% 的土壤试样设计容重为 1.55 g/cm3。

图1 铜环式传感器

图2 插针式传感器

1.1 土壤试样制作

土壤试样制作步骤如下：

1）筛土。取足量土样平铺在阴凉通风处风干，风干后，先将土碾碎，用孔径 2 mm 的土壤筛过筛1 遍；然后再用孔径 1 mm 的土壤筛过筛 1 遍，获得土壤备用。

2）拌土。将称好的土壤放入塑料盆中，称好的蒸馏水放入喷壶中；边喷水边人工拌样，拌样要做到充分拌匀及水的充分利用，拌样均匀是标定成功的关键。标定样本的土壤体积含水量区间不少于7 个，分别为小于 10%，10%～15%，15%～20%，20%～25%，25%～30%，30%～35% 和大于 35% 等7 个等级。

3）醒土。 配置完成的土样搅拌均匀后，放入恒温恒湿培养箱或密封塑料袋内静置平衡 24 h。水样采用去离子水或者蒸馏水。

4）分土。将醒好的试样称总重，再用称重的方式均分成 4 份。

5）装土。将装土壤用的容器用尺在高度方向均匀分成 4 份，将称好的第 1 份土样放入装土容器中，用辅助工具抚平整，用击实工具均匀击实土样，击实过程要保证均匀击实，这是标定成功最关键的步骤；将土样击实到装土容器的第 1 条刻度线，再装入第 2 份称好的土样，抚平、击实；依次将 4 份土样装入容器并均匀击实到相应的刻度线位置，加盖并用胶带封口，1 份试样制作完毕备测。重复上述步骤，制作好标定需要的 7 份试样备测。

1.2 土壤标定

土壤标定步骤如下：

1）机测数据。将铜环式传感器放入制作好的试样中，稳定后读取原始测量频率值，重复读几组数据；依次读取 7 份试样机测的频率值。取出铜环式传感器，将插针式传感器插入试样，稳定后读取原始测量电压值，重复读几组数据；依次读取 7 份试样机测的电压值。

2）环刀取样。将插针式传感器拔出，将环刀均匀放入试样，用榔头敲击环刀手柄使环刀进入试样，到位后取下环刀手柄，在挖出环刀的操作过程中要避免环刀中的试样掉落，在用刀具修平环刀试样两端时要避免试样掉落。

3）湿样称重。用环刀取好样后，放入铝盒（铝盒的盖和盒体要标记一致），注意在放的过程中不要掉落试样，用感量 0.01g[2]4的电子秤称量试样湿重（含铝盒），依次称量环刀取样湿重。

4）烘干试样。将称好湿重的铝盒打开盖，并将盖反盖在盒体下面，放入托盘，放进烘箱，设置温度为 105ºC[2]2，烘干时间为 24 h。

5）干样称重。将烘干的试样逐一称重。

6）标定关系式。根据机测数据和试样烘干水分值，通过数学计算（MATLAB 计算）标定出传感器的关系式，本次试验标定出的铜环式传感器关系式为 y = 32.69 x4.007+ 3.643，关系曲线如图3 所示；标定出的插针式传感器关系式为 y = 0.887 4 x2.414+ 0.030 8，关系曲线如图4 所示。

图3 铜环式传感器标定关系式

图4 插针式传感器标定关系式

1.3 土壤测试

土壤测试步骤如下：

1）测试土样。选取体积含水量在 5%～10%，15%～20%，25%～30%，35%～40% 等 4 个区间[2]8内的 7%，17%，27% 和 36% 的土壤作为测试用土样，选用的装土容器同标定时相同，土样制作与标定时工序相同。

2）机测数据。步骤与标定测试操作步骤相同。

3）烘干数据。将经过机测的试样用环刀取样，从环刀中挑取 50～80 g 土样放入铝盒中，经烘箱烘干获得烘干质量含水率，再根据实测的容重获得体积含水率。

4）测试结果。铜环式传感器测试数据如表1所示，表1 中 Fa，Fb，Fc分别为在空气中、水中、土壤中测得的频率值，7%，17%，27% 和 36% 试样对应的平均误差分别为 0.86%，0.55%，1.09%，1.68%，绝对误差的平均绝对值均不大于 2%，铜环式传感器准确性测试合格。插针式传感器测试数据如表2 所示，7%，17%，27%和 36% 的试样对应的平均误差分别为 0.65%，0.63%，1.13%，0.48%，绝对误差的平均绝对值均不大于 2%[2]5，插针式传感器准确性测试合格。

表1 铜环式传感器测试数据

2 土壤试样标定和测试的问题探讨

1）土样的容重设计。土样的容重设计需要结合土壤类型和不同水分值配样综合考虑，结合本实验中涉及的亳州潮土，经过大量实验，不同水分值的潮土试样容重设计范围为 1.40～1.55 g/cm3，这样做既有利于不同水分值土样的制备，也能满足数据测试精度的要求。在实验室测试中，如果不重视土样容重的设计，势必带来测试数据的不确定性。

2）土样制作差异控制。通过近几年制作的大量土样，得出的经验是，需要通过大量制作土样来提高操作水平，土样的制作步骤比较多，每个步骤的误差都会累积到土样的最后制作上，在土样制作中一定要按照步骤严格操作，在实际操作中还要控制好动作的一致性，土样的制备需要合格的操作工完成，这是标定和测试成败的关键步骤，必须重视。

3）标定关系式确定。在对标定关系式计算的研究中发现，有些学者使用在 Excel 电子表格中添加趋势线的方法确定标定关系式，用线性相关系数 R² 值的大小筛选最佳关系式；有些公司土壤水分传感器的标定关系式甚至选用 4 或 5 次多项式来表述。其实介电常数法的土壤水分传感器标定关系式选用幂函数或 3 次多项式为宜。

3 结语

通过在实验室制作不同含水量土壤试样的方式，可以对介电类法土壤水分传感器的准确性性能指标进行评估。概括而言，先制作不少于 7 份的含水量由低到高的不同土壤试样，标定出传感器关系式；再制作 4 份含水量由低到高的不同土壤试样，用传感器标定关系式后测量出的体积含水量与人工烘干法测量并转化出的体积含水量值比对，判断土壤水分传感器准确性性能指标。文中论述的土壤水分传感器实验室标定和测试方法可操作性强，测试数据精度满足《土壤水分监测仪器通用技术条件》（试行）要求，可以作为实验室检测传感器准确性性能指标的方法推广使用。

表2 插针式传感器测试数据

实验室环境下不同水分值土样的容重设计必须结合土壤类型和水分值的大小综合确定，并且容重设计范围要适当。不同水分试样的实际容重误差必须控制在适当范围，熟练的操作质量有助于保障试样制作中的均匀一致性。如果容重设计不当、实际容重差异偏大，将直接导致对传感器准确性性能指标判断的不准确。容重指标控制的好坏，直接影响测试结果的成败，因此，实验室环境下土壤水分传感器的标定和测试方法，必须解决好容重问题，这是数据准确性的关键问题。

文中提及的土壤试样制作流程全为手工操作，手工操作流程存在均匀一致性的可持续保障问题，为解决手工操作存在的问题，在后续的科研工作中需要开展土壤试样的自动化制作方法的探讨，以降低土壤试样制作的劳动强度，同时解决好操作的均匀一致性问题，从根本上提高土壤水分传感器实验室检测效率和检测精度。

[1] 国家防汛抗旱总指挥部办公室.关于印发《土壤水分监测仪器通用技术条件》（试行）的通知[R].北京：2012: 1-2.

[2] 国家防汛抗旱总指挥部办公室.土壤水分监测仪器通用技术条件（试行）[S].北京：国家防汛抗旱总指挥部办公室，2012.

Explore on Laboratory Calibration and Test Methods of Soil Moisture Sensor

ZHI Yongming1,3, HE Shengrong ², LIU Manhong ², DENG Chao ², AI Yurong ¹

(1.Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China;
2.Hydrological Instruments & Geotechnical Instrumentation for Quality Supervision and Testing Center, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China;
3.Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China)

Through making of standard samples (soil) to calibrate and test the soil moisture sensor in the laboratory, it researches calibration and test steps and method of soil moisture sensor in the laboratories, explores establishing its rate equation in the laboratory environment, improves its data accuracy and authority in a laboratory environment.The study is to investigate laboratory calibration and test methods of soil moisture sensor, providing method support for laboratory testing of soil moisture sensors.

soil moisture sensor; oven-drying method; moisture soil; samples; cutting ring; calibration

S152.7

A

1674-9405(2014)04-0040-04

2014-03-31

智永明（1966－），男，山西晋中人，高级工程师，主要研究方向为土壤水分自动监测技术。