土壤水分测量技术研究及实现

王中金，张振强，李明放，孟晓东，胡锦涛

土壤水分测量技术研究及实现

王中金，张振强，李明放，孟晓东，胡锦涛

（中电科信息产业有限公司，河南 郑州 450047）

土壤水分和电导率对植物生长有着重要意义，通过对土壤测量技术的研究及试验，提出一种水分、电导率同步测量的方法，进而设计出能够同时测量土壤水分、电导率、温度等参数的传感器，并对传感器的技术指标进行了测定，实现了土壤多参数的实时同步测量。

土壤水分；电导率；同步测量；多参数

土壤水分对植物生长至关重要，是其进行物质交换的重要媒介。而中国人均占有水资源贫乏，与此并存的现状是水资源的严重浪费。中国农业用水占社会总耗水量的80％以上，有效利用率只有40%左右，相比之下发达国家已达70%～80%[1]。此外，在干旱半干旱地区，土壤盐渍化严重制约了农业生产，对土壤盐分的测量也成为了土壤盐渍化研究工作中的重要内容，而电导率不仅可以反映土壤盐分，而且与土壤盐分相比更容易在同标准下进行比较，因此常常会用电导率直接估计土壤盐分[2-4]。土壤水分、电导率的测量对指导农业生产、水资源管理等有着重要意义，在气象、水利、农业等行业得到广泛关注。

1 测量原理

对土壤水分测量的方法主要有烘干法、中子法、FDR、TDR、电容法等，其中传统的烘干法测量可信度最高，但是操作复杂，不能做到实时测量。基于介电理论的测量技术以其实现简单、测量准确等优点被广泛应用，不仅操作简单、测量精度高，而且能够做到实时测量。介电理论测量土壤水分的基础是水在构成土壤的所有成分中介电常数最大，在土壤介电常数中占支配地位，可直接代表土壤介电常数。本文中测量技术基于电阻抗理论及介电理论，实现了土壤水分、电导率的同步测量，而且测量精度高、实现简单。

1.1 物理模型

本文中测量原理是采用50 MHz的高频信号，经过2个精密取样电阻，传导到发射探针，再通过探针之间的土壤到接收探针，构成回路。通过物理模型和数学建模，计算出土壤水分及电导率。物理模型原理如图1所示。

图1 物理模型示意图

1.2 数据建模

根据基尔霍夫定律列方程组：

式（1）（2）中：1，2为取样元件电阻；x为待求等效电阻；x为待求等效电容；3/信号电压微分。

然后根据土壤相对介电常数εr与土壤水分的关系，通过回归方程和试验数据，求出土壤水分：

=×εr3+×εr2+×εr+（3）

式（3）中：为土壤水分；，，，为通过试验数据求出的标定系数。

此外，根据等效电阻x的值以及电阻公式，求出电阻率值：

式（4）中：为电阻率；为等效电阻长度；为等效电阻面积（/整体作为电极常数，通过标定试验测得）。

而电导率是电阻率的倒数，因此，可求出电导率：

式（5）中：为电导率；为电阻率。

根据以上的求解过程，即可做到同步测量土壤水分和电导率。

2 传感器设计

根据测量原理部分内容设计传感器，主要包含硬件设计和软件设计两方面内容。

2.1 硬件设计

传感器探头部分采用4探针设计，如图2所示。其中，中间探针作为发射探针，其余3根探针作为接收探针，围绕中间探针周向均布。

图2 探针结构图

传感器电路模拟部分与物理模型部分保持一致，包含50 MHz高频信号产生电路、高精度采样电阻以及检波电路。探头部分作为电路一部分，和其中介质一起构成完整回路。

传感器电路数字电路部分采用高精度AD对取样点进行采样，低功耗高性能MCU计算处理采集到的数据，并通过RS485接口输出结果。

2.2 软件设计

软件设计可分为测量模块、算法模块、通信模块、参数设置模块。测量模块检测硬件电路输出的电信号；算法模块把电信号转化成水分、盐分等数字信号；通信模块负责与用户交互，接受命令，输出结果；参数设置模块可对参数读取设置，软件自动保存，掉电不丢失。软件结构如图3所示。

图3 软件框图

软件一直处于等待输入命令状态，有命令输入，软件执行相应操作，操作完成，重新回到等待命令状态。

3 实验验证

为了检验土壤水分电导率同步测量技术，本文使用传感器分别做土壤水分和电导率两个实验来测定正确性及性能。

3.1 土壤水分实验

依据自动土壤水分观测规范，土壤水分实验通过烘干称重法测量真实值，然后与机测值做标定、对比，测量结果如图4所示。土壤水分标准土样在0到饱和之间取7组，做好土样后先对传感器进行标定，然后再次做土样，对其机测值进行验证。

3.2 电导率实验

电导率实验使用台湾衡欣AZ86555型电导率仪测量值作为真实值，与传感器机测值做标定、对比，测量结果如图5所示。

图4 土壤水分实验结果

图5 电导率实验结果

4 数据分析

4.1 土壤水分实验数据分析

图4给出了传感器标定的拟合曲线，相关系数达到了0.99，直接验证了本文的方法测量土壤水分的可行性。此外体积含水量的拟合误差只有1.37%，第二次验证实验的误差也只有1.99%，小于规范中传感器最大绝对误差在实验室内可达到2.5%的要求。

4.2 电导率实验数据分析

图5给出了传感器电导率测量值与电导率仪的测量值之间的拟合曲线，相关系数达到了0.97，说明土壤水分电导率同步测量技术中电导率测量也是可行的。

5 结论

本文通过理论分析和实验验证相结合，对土壤水分、电导率同步测量技术进行了研究、验证，可得出以下结论及建议：①对土壤墒情、土壤盐分测量的需求日益增长，本文提出的土壤水分电导率同步测量技术具有实现简单、多参数同步测量等优点，是一种相当实用的测量技术；②本文设计的传感器，不仅测量准确性高，而且成本低，完全能够满足各行业对土壤的测量需求；③为了实现土壤温度测量以及对土壤水分、电导率等参数的校正，传感器中加入了温度传感器，进一步提升了实用性；④由于土壤水分和土壤盐分都会对土壤电导率产生影响，本文中电导率测量结果虽然加入了温度修正，但是其他影响因素修正仍需要做进一步研究。

［1］孙宇瑞.非饱和土壤介电特性测量理论与方法的研究［D］.北京：中国农业大学，2000.

［2］雷蕾.干旱区盐渍土介电常数特性研究与模型验证［J］.农业工程学报，2013，29（16）：125-131.

［3］孙永猛，丁建丽，瞿娟.应用电磁感应和遥感的新疆绿洲区域尺度盐渍土识别［J］.农业工程学报，2012（20）：180-187，296.

［4］田长彦，周宏飞，刘国庆.21世纪新疆土壤盐渍化调控与农业持续发展研究建议［J］.干旱区地理，2000（3）：177-181.

S156.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.025

2095－6835（2019）24－0063－02

〔编辑：张思楠〕