赵燕东，李 博，刘卫平，宋润泽，米 雪

土壤剖面水分传感器的边缘电磁场分析

赵燕东1,2,3，李 博1,3，刘卫平1,2，宋润泽4，米 雪5

（1. 北京林业大学工学院，北京 100083；2. 城乡生态环境北京试验室，北京 100083；3. 林草生态碳中和智慧感知研究院，北京 100083；4. 中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100091；5. 定州市绿谷农业科技发展有限公司，定州 073006）

为了提高基于驻波比原理（Standing Wave Ratio，SWR）的土壤剖面水分传感器非接触式测量精度及传感器在田间土壤水分测量中的实用性，该研究基于电磁仿真软件和印刷电路板工艺设计了一种基于边缘电磁场理论的小型定向测量探头，并进行了探头阻抗变换电路的设计，最后借助矢量网络分析仪探究了探头阻抗与介质、电导率的关系。在论证检测原理有效性的基础上，首先采用High Frequency Structure Simulator电磁场仿真验证探头结构的合理性。并配置不同介电常数的介质溶液进行试验，确定了剖面土壤水分传感器的阻抗特性及测量范围。同时，为了分析土壤电导率对测量结果的影响，配置不同水分、电导率梯度的土壤样本，利用矢量网络分析仪分析了探头阻抗与水分及电导率的关系。结果表明，在土壤含水率3%～56%、土壤电导率0～6 300S/cm时，测量最大绝对误差6.33%。与ET-5、5TE两种商用传感器受土壤电导率影响精度性能进行对比，传感器在非盐碱土壤（电导率在0～6 300S/cm内）土壤体积含水率相对误差相比其他两款传感器减少了0.17～5.27个百分点，受电导率影响在非盐碱土壤测量时更小，基本满足非盐碱地土壤田间实际检测需求。……