彭星硕　李若冰　李海鹏

摘 要：目前对FDR土壤水分传感器在高介电值下失真现象究较少。本实验对不同介电值（6～60）的液体和不同体积含水量（5%～35%）的仿真土壤和真实土壤进行测试。并通过MATLAB软件对输入信号与输出信号进行二阶曲线拟合处理，发现传感器在在不同介电常数下和土壤下表现出不同的特性。本研究对相关部门测试选取该类型传传感器以及传感器元件改进方面具有借鉴意义。

关键词：农业电气化与自动化；FDR传感器；土壤水分；失真；准确性

中图分类号：S24 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170632059

土壤是陆基生物最基本的载体。如今测量土壤含水量的方法有很多种，如烘干法，张力计法，电阻法，中子法，时域反射法，频域反射法等。其中频域分解（Frequency Domain Reflectometry，FDR）土壤水分传感器具有测量快速，经济实惠，不破坏土壤，不污染环境，测量准确等优点[1]。多年来，科研工作者致力于土壤介电特性和FDR土壤水分传感器结构的研究，通过建立三维数学模型对FDR土壤水分传感器进行校正补偿，解决了温度，电导率，土壤质地，容重等对FDR土壤水分传感器精度的影响。以及对FDR土壤水分传感器的频率以及探头长度进行对比分析，提高了传感器的精度。

1 实验

1.1 实驗材料制备

介电容液具有成分单一，易于配制，可与传感器紧密连接的优点。因此为了研究FDR土壤水分传感器在不同介电常数下的性质，实验选用介电常数溶液作为实验对象，介电容液由乙酸乙酯（6.02，25℃），乙醇（24.55，25℃），去离子水（78.36，25℃），三种液体配制而成，共22组。每种介电常数配置500mL，装入广口瓶封存。

为了避免土壤中盐分，有机物等外界因素影响实验，本实验采用有石英粉配成的仿真土壤进行试验。根据土壤分类标准，采用沙粒级石英粉（80目），粉粒级石英粉（800目），粘粒级石英粉（5000目）进行不同质量分数的配比配制仿真土壤。配制比例见表1，将石英砂配置完毕后，用搅拌机搅拌均匀，装入保鲜袋封存。试验用土壤样品来源于陕西杨凌西北农林科技大学水利与建筑工程学院的试验田。土壤类型为陕西省中部地区的塿土。在自然条件下晾晒后，剔除其中的石子、杂草等杂质，用粉碎机磨成粉，用 80目（孔径 0.2 mm）的筛子过筛，以粒径小于0.2 mm的土壤为试验对象。将实验用土放入烘箱中烘干至恒重，称取 11份 土壤样品。在已知初始含水率和土壤样品质量的情况下计算出所需添加的去离子水，用以配制不同含水率的土壤样品。配置时将去离子水分几次喷入，并用搅拌机搅拌均匀，将配置好的土样放入20号自封袋密封，静置24h后装入PVC管（直径70mm，高100mm）中，并用自动压力器压到标准体积。最终实际含水量用烘干法校准，结果为仿真土壤：4.91%、7.93%、10.98%、13.55%、16.89%、19.74%、22.99%、 26.46%、28.56%、31.83%、34.64%。真实土壤：4.92%、8.26%、10.87%、13.51%、17.00%、20.50%、23.22% 25.71%、28.92%、31.71%、35.21%。

1.2 FDR水分土壤传感器

本实验以Decagon devices公司生产的ECH2O EC-5型，及配套数采。

1.3 实验方法及步骤

将防腐蚀漆在传感器探头以外部分均匀涂抹，防止有机试剂乙酸乙酯将其溶解。把待测介电溶液置于25℃的电子恒温箱中，将传感器垂直插入介电溶液中，并将FDR传感器探头完全置于介电溶液中。带数据稳定后，用数据采集器每1min采集1次输出电压信号，每种介电溶液记录20组电压信号，取平均值。

将FDR土壤水分传感器探头垂直完全插入待测仿真土壤的容器中间部分，用力均匀，做到传感器探头和仿真土壤之间没有空隙，待传感器示数稳定时，每隔1min取1次数据，每组不同含水量的仿真土壤土壤记录20组数据，取平均值。

真实土壤的测量步骤如仿真土壤。

2 结果与分析

2.1 关于高介电值失真对传感器准确性影响

图1、图2是在25℃条件下，土壤传感器在低介电值（6～30）时和高介电值（30～60）以及图3全域介电值（6～60）时，进行二次曲线拟合的输入输出特性曲线。对比传感器对不同范围介电值的拟合优度相关系数R?，低介电值下相关系数为0.9933，高介电值下相关系数在0.9351。传感器在全域介电常数值下，拟合相关系数为0.9774。低介电常数（常见土壤含水量）下的传感器拟合优度很高，高介电值下传感器拟合优度低，部分传感器表现出明显的失真现象。在全域介电值下传感器输入输出特性曲线表现出明显满足二次函数曲线。

2.2 关于仿真土壤和真实土壤二阶拟合曲线相似程度

本实验将用传感器测量相同含水量的仿真土壤与真实土壤，并对输出进行对比，输出电压的差值越小说明传感器受土壤成分影响越小。图4表示的是传感器在同一含水量区间（5%～35%）仿真土壤和真实土壤的输出特性曲线。传感器对仿真土壤和真实土壤的拟合优度相关系数分别为0.9873和0.9853，用于测量的实验材料为实验室配制，每组实验材料成分一致。而实际生产中的土壤，成分复杂，除了了含有SiO2，Al2O3，蒙脱石等无机成分以外，还含有各种有机质。

3 结论

传感器在低介电值下输入输出拟合优度相关系数较大，高介电值下拟合优度相关系数较低，全域介电值下拟合优度相关系数居中，表现出明显的二次曲线。高介电值部分灵敏度（du/dt）偏小，FDR土壤传感器属于高频电路，无法在较低的灵敏度下保持传感器的准确性。输出响应变化较h，会导致绝对误差增大，甚至会出现失真现象。

针对土壤中除水和空气外其他因素对传感器准确性的干扰，通过对比传感器对仿真土壤和真实土壤的响应值，发现传感器受外界因素影响很大，这是制约传感器准确性重要原因。

参考文献

[1]苏志诚，张立祯，丁留谦，等.四种新型土壤墒情传感器的对比分析[J].水文，2014（4）：55-60.