新型自动土壤水分传感器与传统FDR法传感器性能对比分析

陈亚军，安学武，杨玉辉

（1内蒙古自治区大气探测技术保障中心，呼和浩特 010051；2内蒙古兴安盟气象局，内蒙古乌兰浩特 137400）

0 引言

土壤水分是土壤成分之一，土壤水分的大小直接影响土壤中气体的含量及运动、固体结构，制约着土壤中养分的溶解、转移和吸收及土壤微生物的活动，土壤水分状况的测定对农业生产实时服务和理论研究都具有重要意义[1-2]。同时，土壤水监测及研究对荒漠生态系统具有重要意义，是半干旱地区植被健康生长的关键制约因子[3-4]。

多年来，应用物理介电特性的自动土壤水分传感器获得较广泛的应用[5]，时域反射法[6]、频域反射法(Frequency Domain Reflectometry,FDR)[7]自动土壤水分传感器测量土壤水分具有较高的精度[8]，但仍受土壤类型[9]、颗粒大小、容重、有机质、盐分及温度等严重影响[10-11]，一定条件下，这些干扰因素甚至会给土壤水分测定带来毁灭性后果。

频域反射法(Frequency Domain Reflectometry,FDR)自动土壤水分传感器利用电磁脉冲在不同介质中传播时振荡频率变化来测定土壤水分[12]。其利用土壤中水分改变时，土壤的介电常数发生变化的基本原理实现土壤水分的测量[13-14]。FDR法（频域反射法）传感器利用一对铜环组成的电容作为敏感元件，利用一个固定电感元件与传感器电容形成高频LC震荡电路，通过测量震荡电路频率(100～130 MHz)的变化计算土壤水分值。这一方法的优点是电路简单，缺点是引入的电感及分布式电容造成的传感器个体差异性无法避免、高频信号更容易受到干扰、受环境温度影响过大且不可控、使用中需要标定的参数过多（7个）等弊端。

内蒙古自治区气象局于2020年开展了电容直测式土壤水分传感器技术的研究，研发设计了1套新型自动土壤水分传感器。新型土壤水分传感器仍旧利用土壤中水分改变时，土壤的介电常数发生变化的基本原理。铜环构成的电容作为敏感元件的结构不变，但重新设计了测量及主控制电路。测量电路中不使用电感原件，避免传感器的个体差异性及分布式电容的影响；使用精确中频激励源并通过精确测量容抗的方式直接测量传感器实时电容值，避免温漂影响，而且使传感器受外界噪声干扰几率大幅降低，提高仪器运行稳定性及测量准确性。所述技术由于本质上还是电容式传感器，所以现用完备的数据处理模型、数据传输等业务体系均不需更改，在现有业务站上只需更换传感器就可以实现设备的升级换代，升级成本会大幅降低。

设计完成后，在实验室内开展了新型传感器电性能、测量性能、抗温度变化特性、抗盐碱性能等传感器特性与传统FDR法自动土壤水分传感器的对比分析或试验，旨在检验新型自动土壤水分传感器各项性能，以期为自动土壤水分观测仪的升级换代提供技术支撑，探讨以较小成本提高土壤水分监测的准确性、稳定性，应用便利性的技术可行性。

1 新型自动土壤水分传感器设计简介

本文所研究的新型自动土壤水分传感器仍旧是电容式传感器，仍旧使用由一对铜环组成的电容作为敏感元件，但重新设计了测量电路。土壤水分含量的变化会导致土壤等效介电常数变化，相应地铜环等效电容也会发生变化，通过测量电容的变化即可测量土壤水分。新型自动土壤水分传感器测量电路由传感器单层感应模块和多层控制及数据处理两块电路板组合而成，单层感应模块用于感应某一层土壤中含水量的变化，完成气象要素量到电参数的转换及调理；多层控制及数据处理模块用于多层感应模块的协同工作控制及测量信号的采集、处理、传输功能。新型自动土壤水分传感器电路结构如图1所示。

2 实验室对比分析材料与方法

2.1 实验室情况

内蒙古自治区大气探测技术保障中心为内蒙古地区地面气象探测技术开发、应用及探测设备技术保障单位，中心实验室具备自动土壤水分观测及保障设备研究、试验所需设施、开发软件、各类工具等，工作人员多为电子类、计算机类专业毕业生，且从事自动土壤水分观测仪保障工作数年，对设备组成原理等相关知识熟悉，具备开发、应用、试验的能力。

为保证试验项目顺利进行，中心组织专家对设备组成结构、试验技术路线、试验可行方案做了充分论证，重要步骤经过了前期实验验证。

2.2 试验及对比分析对象

待验证设备为自行研发的新型自动土壤水分传感器，利用土壤中水分改变时土壤的介电常数发生变化的基本原理，通过直接测量传感器实时电容值计算土壤水分值。对比参照设备为气象部门业务用FDR（频域反射法）传感器，同样利用土壤中水分改变时土壤的介电常数发生变化的基本原理，通过测量震荡电路频率(100～130 MHz)的变化计算土壤水分值。在测试介质容器内制作各测试点的标准样本，其土壤体积含水量作为试验分析的真值。

2.3 对比分析内容

传感器性能原理性对比分析（理论验证）为对比分析2种传感器性能，组织专家组对新型自动土壤水分传感器样机与传统FDR法自动土壤水分传感器的测量电路组成原理进行了分析，并结合长期对业务用传统FDR法自动土壤水分观测仪的维修保障经验，客观对比分析了现业务站用传统FDR法传感器与电容直测式土壤水分传感器组成结构及测量方法的差异性。

新型传感器测量电性能测试试验 在实验室可实现的条件下，对新型自动土壤水分传感器样机进行实验室静态测试，通过实验定量分析传感器的测量电性能。

自动土壤水分传感器抗土壤温度变化特性、抗盐碱特性定性对比分析：受实验室条件所限，传感器的抗土壤温度变化特性、抗盐碱特性无法做到准确的定量分析，采用了定性的方法对比验证了新型传感器的抗土壤温度变化特性、抗盐碱特性。

2.4 试验方法

2.4.1 新型传感器测量电性能测试试验

（1）测试试验。测试介质容器为亚克力圆柱体容器，上方有可完全打开的圆形盒盖，中央部位镶嵌有直径5.5 cm的圆柱型PVC套管，材质与自动土壤水分传感器安装套管一致。测试介质选用240目石英砂模拟土壤样本，其常用于自动土壤水分传感器实验室试验或校准[15]。

（2）试验方法。在测试介质容器内制作厚度12 cm的240目石英砂与蒸馏水的混合物模拟土壤，作为测试介质的标准样本。240目石英砂模拟的土壤容重取为1.5 g/cm3，根据各测试点体积含水量计算标准样本所需石英砂和水量。

（3）标准样本制作。使用指定目数的石英砂与蒸馏水混合，通过控制加入水量的比例，搅拌均匀压制在测试容器内，得到不同体积含水量的模拟土壤样本，作为试验中的标准土壤体积含水量。

2.4.2 自动土壤水分传感器抗土壤温度变化特性、抗盐碱特性定性对比分析试验

（1）抗土壤温度变化特性试验。使用240目石英砂与不同温度的蒸馏水混合，通过控制加入水量的比例，搅拌均匀压制在测试容器内，得到不同体积含水量、不同温度的模拟土壤样本。

（2）抗盐碱特性试验。先在蒸馏水中融入不同量的食用盐，再与石英砂混合，通过控制加入水量的比例，搅拌均匀压制在测试容器内，得到不同体积含水量、不同盐碱度的模拟土壤样本。

3 结果与分析

3.1 传感器原理性性能分析（理论验证）

3.1.1 实际应用中存在的问题 传统土壤水分测量是通过一个LC振荡回路的频率变化来间接测量土壤水分。因为铜环的等效电容与土壤水分相关，因此电容的变化会使输出频率变化。OSC振荡源一般采用射频OSC振荡集成电路来实现。在实际应用中会有如下问题：

（1）LC振荡回路在制造中由于采用人工绕制的电感，导致出厂初始频率一致性较差；射频OSC振荡集成电路的输入分布电容有离散性，每个集成电路的输入电容不一致；半导体的PN结输入电容受到温度的影响很大，在不同温度下的振荡输出频率不一致，导致测量误差。同时以上原因会使得传感器初始频率（空气中，水中频率）个体差异性很大，必须进行校准后才能使用。

（2）在LC回路中，铜环就是一个等效天线，根据天线互易原理，铜环容易接收到外界电磁波干扰信号，导致测量误差（比如手机或基站在附近，经常会产生野值）；LC振荡回路容易产生频率牵引现象，在强的接近无线干扰源附件，LC振荡回路会被牵引到干扰源频率上不动或受到较大影响，产生巨大误差。

（3）温度变化会导致频率值变化，这在实际工作中无法校准。

（4）传统传感器使用的频率段为80～150 MHz，在某种土壤环境中可能会出现频率倒置现象，即水中频率大于土壤中频率（校准时水中频率是最低的，对应土壤水分100%），此时土壤的水分超过了100%，测量失去意义。

3.1.2 土壤水分传感器的测量方法 本研究设计的传感器采用的测量方法为直接微小电容测量法，测量频率为晶体振荡器输出的固定频率，具备以下优点：

（1）稳定性远远大于普通LC振荡回路所产生的频率（稳定度为10-6量级）其次不存在输入分布电容及受外界温度影响观测结果的问题。

（2）测量频率采用固定中高频率，没有频率倒置现象。

（3）测量电容变化转换为直流电压输出，通过单片机的ADC通道采集，直流电压上设置了低通滤波器，可有效滤除干扰。

（4）由于采用的是固定主动频率源激励，铜环即使去掉，频率输出也不会变化，因此不存在频率牵引现象。

经分析认为，本项目技术从测量稳定性、测量准确度、校准便利性方面远优于传统FDR法传感器。

3.2 电容直测式土壤水分传感器的测量电性能

按照新型传感器测量电性能测试试验方法，在测试介质容器内制作了厚度12 cm的240目石英砂与蒸馏水的混合物模拟土壤，作为测试介质的标准样本。测试的模拟土壤体积含水量分别为0%（空气中）、100%（水中）、0.5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%。测量数据如表1所示。

数据表中的归一化电容按照公式(1)进行计算。

为了反应土壤含水量与传感器电容测量值之间的关系，对新型自动土壤水分传感器归一化电容与土壤容积含水量θv进行了多项式拟合。拟合曲线图及关系式如图2所示。传统FDR法传感器拟合曲线图如图3所示[16-17]。

图2 新型自动土壤水分传感器归一化电容与土壤容积含水量θv的多项式拟合曲线图

图3 传统自动土壤水分传感器归一化频率与土壤容积含水量θv的多项式拟合曲线图

通过拟合曲线可以看出，新型自动土壤水分传感器多项式拟合曲线相关系数接近于1，远优于现业务用传统FDR法传感器。

经实验室静态测试，本文所设计的自动土壤水分传感器能够实现土壤水分的测量。其测量性能与传统FDR法传感器相比，测量精度及测量准确性更高。

3.3 新型传感器与传统FDR传感器的抗土壤温度变化特性定性对比分析

经实验定性对比分析，本项目所设计的自动土壤水分传感器受环境温度影响极小，可忽略不计。而传统FDR法传感器受温度影响较大。

3.4 新型传感器与传统FDR法传感器的抗土壤温度变化特性定性对比分析

无论是本项目技术还是传统FDR法传感器，都是通过土壤特性对电磁辐射的反馈原理实现测量的，土壤盐碱性对测量结果有不可忽略的影响[18]。

经实验定性对比分析，本研究所设计的自动土壤水分传感器因使用固定中高频信号激发传感器工作，受土壤盐碱性影响在可接受范围内，远小于现业务用传统FDR法传感器。而现业务用传统FDR法传感器受土壤盐碱性影响较大，土壤湿度越大则频率越低，相应的盐碱度影响越大[19-22]，测试中发现某型号传感器在高湿高盐的土壤环境中出现频率倒置现象[23-25]。

4 结论与讨论

通过对比分析或试验，结果表明新型自动土壤水分传感器可以实现土壤水分的连续监测，满足传感器的测量性能需求。新型自动土壤水分传感器与传统FDR法自动土壤水分传感器相比，标定过程相对简单、测量精度及测量准确性更高、抗干扰性更强、稳定性更高、受环境温度影响极小、受土壤盐碱性影响远小于现业务用传统FDR法传感器，具备继续研究的价值。同时新型自动土壤水分传感器性能只完成了实验室静态测试，还需要大量更准确详细的实际业务应用测试。另外目前完成的只是传感器关键技术，业务应用前需要进行自动土壤水分观测仪的设计。