自动土壤水分传感器实验室校准方法探讨

韩玉婷，第五朋朋，雷晓妹

(甘肃省气象信息与技术装备保障中心，兰州730020)

0 引言

土壤水分是植物吸收水分的主要来源(水培植物除外)，土壤水分含量的状态和变化，是植物生长状况好坏的主要决定因素。对土壤水分含量的测定是保障农业生产的重要手段，同时还是科学决策和防范山体滑坡的重要参考依据[1，2]。目前全国已经布点1500多套自动土壤水分观测设备，按照《自动土壤水分观测规范(试行)》[3]的要求为国家的许多项目提供土壤水分数据支持。土壤水分传感器主要用来自动测量土壤含水量，因此，为保证测量数据的准确性，需要定期对传感器进行校准。目前主要采用的传感器为FDR自动土壤水分观测仪，其没有明确的实验室校准方法，为了使其规范并满足社会需求，需制定自动土壤水分传感器校准规范。文章通过对标准值获得方法的实验和自动土壤水分观测仪各项性能指标的实验，总结出科学合理的校准方法，为规范的起草提供依据。

1 自动土壤水分观测仪的观测原理

FDR型自动土壤水分传感器是基于频域反射(Frequency Domain Reflection)原理，根据传感器发出的电磁波在不同介电系数物质中的频率变化，计算出被测土壤的体积含水量。1对电极(平行排列的金属棒或圆形金属环)组成1个电容，电容与振荡器组成1个调谐电路，用100 MHz正弦曲线信号扫描土壤，电容量的变化与两极间被测介质(土壤)的介电常数成正比[4]。因水的介电常数比一般介质的介电常数大，所以当土壤中的水分增加时，其介电常数相应增大。根据电容量与土壤水分之间的对应关系，即可计算出土壤体积含水量。

土壤水分传感器根据输出信号的特点，可分为3类：模拟传感器，即输出模拟量(电压、电流)的传感器；数字传感器，即输出数字量(含脉冲和频率)信号的传感器；智能传感器，即一种带有嵌入式处理器的传感器，具有基本的数据采集和处理功能，可以输出并行或串行数据信号。

2 实验室校准的工作原理

利用烘干法(具体方法见《农业气象观测规范》)得出被烘干的标准土样样本中损失的含水量，进而得到原本土样的重量含水率，通过土样的容重将重量含水率转化为体积含水率，以此作为标准值衡量自动土壤水分观测仪器的测量值的准确性。

3 计量器具控制

3.1 校准条件

标准器：精密电子天平；准确度等级：Ⅱ级；最大称重：3000 g；分度值：0.01 g。

标准土样是测试自动土壤水分观测仪的标准样品，其量值计量可由称重设备——电子天平进行计量。电子天平的计量准确性由砝码保证。因此，在实验室中，砝码—电子天平—标准土样三位一体，形成对自动土壤水分观测仪进行计量的标准测量系统。

校准所使用的校准介质(即标准土样)按照校准方法中附录A提供的方法进行配制、保存和使用。

具体试验情况如下：

1)实验目的：测量实验室制备的标准土样的不确定度是否满足校准要求。

2)实验方法：

选1支新购买的型号为DZN3、编号为561的自动土壤水分传感器作为被测表，在符合校准条件的情况下，在4个校准点(5%、15%、25%和饱和)上对其测量。具体方法按校准规范执行。在重复性条件下，连续测量10次，得出各校准点上的体积含水量的测量误差，并计算实验标准偏差(表1)。

表1 DYN3型自动土壤水分传感器标准偏差 %

合成标准偏差得：

(1)

式(1)中：uA为重复性引入的标准不确定度，%；Si为第i组测量数据的标准偏差，%；m为测量组数。

由于在对土壤水分传感器校准的过程中，精密电子天平最大允许误差为±0.15 g，分辨力为0.01 g，因此，由精密电子天平引入的测量不确定度分量远小于A类不确定度的值。所以，可以忽略不计。

其合成标准不确定度为：

uc=uA=0.211%

取包含因子k=2，则其扩展不确定度为：

U=k×uc=2×0.211%=0.42%

3)实验结果

由扩展不确定度可知，在95%的置信区域内，标准土样的含水量误差范围为±0.42%，而对自动土壤水分观测仪的测量最大允许误差要求为±2.5%，标准土样的含水量最大允许误差远小于被校仪器的最大允许误差的1/3。所以，作为在95%置信区域内，误差范围小于0.42%的标准土样，可以承担对自动土壤水分观测仪的校准工作。

3.2 环境条件

环境温度：20 ℃±5 ℃。

环境相对湿度：≤75%。

校准实验室周围应无强烈振动及外磁场(地磁场除外)，应避免阳光直射和其他热源影响。

4 实验项目和实验结果

4.1 实验项目

土壤水分传感器体积含水量的测量误差。

4.2 实验结果

2018年12月-2019年1月对66支土壤水分传感器(每支上面有8个传感器，共528个)按照校准规范中的校准方法分别进行4个校准点的测试，得出其体积含水量的测量误差值。

在4个标准检测点(5%、15%、25%、饱和)上，测量误差均≤±2.5%的传感器数量为527个，占总传感器数量的99%，测量误差均≤±2%的传感器数量为497个，占总传感器数量的94%。由于在15%和25%检测点上的校准介质制作过程中人为因素影响较大，每次制作的校准介质差别较大导致其误差波动较大。

5 复校时间间隔

对4支土壤水分传感器(共32个传感器)按照校准规范中的校准方法连续测试4 a，得出其体积含水量的测量误差值。分别取4个校准点上误差值的绝对最大值。

经统计数据可得，在2016年的实验室测试中，32个传感器误差值未超差；2017年仍无超差；2018年有1个传感器超差，占比3%；至2019年共有2个传感器超差，占比6%。JJF 1139-2005《计量器具检定周期确定原则和方法》中要求在周期内可靠性R≥90%，经可靠性计算，2 a的可靠性为91%，3 a的可靠性为87%，故复校时间间隔建议不超过2 a。

6 结束语

文章通过对528个传感器的实验数据进行统计分析，对标准器的性能要求、自动土壤水分传感器的技术要求及复校准时间间隔等进行了充分说明。

1)自动土壤水分传感器的最大允许误差值为±2.5%；

2)建议复校时间间隔不超过2 a。