一种土壤水分传感器性能测试方法及应用

宗　睿

（北京市官厅水库管理处　河北　075441）

【摘　要】　在现代化智能精量自动控制灌溉系统中，植物生命需水状况信息的实时采集起到至关重要的作用，通过土壤水分状况判断植物生命需水是方便有效的方法。测量土壤含水量的方法有很多，土壤水分传感器是简便易行又可以实时采集的方法。目前市面上的土壤水分传感器种类很多，且良莠不齐，如何选择一款合适的土壤水分传感器值得探讨，本文主要介绍一种土壤水分传感器性能测试的方法及其应用。

【关键词】　土壤水分传感器　性能测试　频域　时域

1　引言

土壤水分实时采集是按植物生命需水状况进行精准节水灌溉控制的重要依据之一。目前有许多种无损伤的土壤含水量测量方法，例如中子测量仪，γ射线测量仪，电阻、电容测量仪，石膏块测量仪等，但是这些方法都存在各自的缺点。近年来，逐渐兴起通过测量土壤的介电特性来间接获取土壤含水量的方法，其中，最具有代表性的是时域反射法（TDR）和频域反射法（FD）。

时域反射法是Topp和Davis根据电磁波在不同介电常数的介质中传播时其行进速度会有所改变的物理现象提出的土壤水分测量方法。大量研究证明TDR方法的土壤水分测量仪精度比较高，可以满足实时性和快速测定的要求。频域分解法是Hilhorst利用矢量电压测量技术，在某一理想测试频率下将土壤的介电常数进行实部和虚部的分解，由分解出的实部换算出土壤含水率，虚部可以得到土壤的电导率。

对于节水灌溉自动控制系统而言，输入到系统中的土壤水分信息的准确性，制约着系统最终的控制效果。信息的准确性主要由传感器的精度、数据的处理算法、传感器的埋设位置等决定。而市面上的土壤水分传感器种类很多，品质也良莠不齐，因此，无论是用来做实验还是用来指导农业生产实践，选择一款性能优良、测量精确的传感器很重要。目前，土壤水分传感器厂家多数没有提供合适的标定曲线，在应用前进行适当的测试和标定是有必要的。

2　实验装置及试验设计

目前，土壤水分传感器室内标定方法主要是拌土法，核心是要得到含水率均匀的土样。

拌土法是将土和水混合均匀以后填装土柱，然后用传感器进行测定，这种方法操作起来比较繁琐，当含水率较大时填装不容易实现，容易受容重的影响。

为了解决以上的问题，本实验采用四周入渗法，设计了一套装置如图1所示。该装置主要由三部分组成，两个同心PVC圆筒，筒高12cm，外围A筒直径20cm，内围B筒直径16cm，B筒四周均匀打孔，孔直径为5mm，间距10mm，筒内紧贴内壁附一层无纺布。

实验所使用的土壤水分传感器有时域反射原理的TDR－3、频域反射原理的FDS－100和LDVSC－12。各传感器基本的技术参数如表1所示。其中测量精度为0～50%（m3/m3）量程范围内。

实验在中国农业大学水利与土木工程学院实验室内进行，实验从4月中旬开始到6月底结束。实验所取土样为3种典型质地土壤：砂土、壤土、黏土，自然风干后过2mm筛以备用。土壤粒径级配见表2。试验取含水率梯度为10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%（具体值以实际水土比为准）。试验具体步骤如下：

（1）每种质地土壤取三个重复，土壤按定容重（砂土1.5g/cm3、壤土1.4 g/cm3、黏土1.3g/cm3）分层装入B筒中。称重G1。

（2）在A筒中加入100.48mL水，将B筒快速放入A筒中心，此时水正好满而不溢。然后继续加水保证水位不变，直到达到相应的含水率梯度。

（3）将B筒快速地从水中提出，用保鲜膜包裹，恒温中静置48h，从而得到不同含水量梯度的均匀土样，称重G2，通过水土比和土样容重可以计算其体积含水量。

（4）分别用三种传感器测量每个土样的含水量，传感器读数用高精度万用表读取电压值（电流值），如图2所示。并用excel对电压值（电流值）与土壤含水率进行曲线拟合。

3　结果与讨论

3.1　线性度分析

从图3～图5中可以看出，LDVSC－12在三种土壤中线性度都比较好，相关系数（R2）均在0.95以上。TDR－3在砂土和壤土中线性度比较好，相关系数均在0.95以上，但是在黏土中需要进行分段拟合。FDS－100在黏土中线性度较好，相关系数为0.97，在砂土为0.93，壤土中为0.95。

在实际生产中，土壤的种类有很多，如砂土、砂壤土、轻壤土、中壤土、重壤土、黏土等，如果传感器测量精度不受土壤质地影响或影响很小，可以采用同一条标定曲线，将给使用者带来很大的便利。从图6～图8可以看出，TDR－3在砂土、壤土、黏土中相关系数为0.84，达到极显著相关，可以满足测量精度要求，FDS－100在三种土壤中相关系数为0.78，已达到极显著相关，可以满足测量精度要求，但是为了更高的精度，建议单独标定。LDVSC－12在三种土壤中的相关系数为0.88，达到极显著相关，满足精度要求。三种传感器在不同土质中的拟合曲线方程见表3。

3.2　敏感度分析

敏感度是传感器静态特性之一，传感器输出的变化量Δy与引起该变化量的输入变化量Δx之比即为传感器的灵敏度。分别对三种传感器在不同土质中的灵敏度进行分析，结果见表4。3.3　稳定性分析

传感器的稳定性包括使用时达到稳定读数的速度和在长时间工作时输出量的变化大小。后者称为稳定度，可以用稳定误差来表示。当土壤体积含水率一定时，间隔5min重复采样，计算各个传感器在不同土壤质地中的稳定性。其中壤土中稳定度是在土壤体积含水率为43.2%时测得，砂土中稳定度是在土壤体积含水率为22.6%时测得，黏土中稳定度是在土壤体积含水率为41.7%时测得。结果见表5。

4　结论

根据实验结果，可以得出以下结论：

（1）本试验方法和装置对于短探针土壤水分传感器的标定切实可用。

（2）同一种传感器在不同质地土壤中标定曲线有所不同。但是TDR－3和LDVSC－12在砂土、黏土、壤土中相关系数（R2）大于0.8，FDS－100相关系数大于0.78，均已达到极显著相关，可以用同一条标定曲线。但是，如果追求更高的精确度，建议具体应用时应根据土壤质地情况选择合适的标定曲线。

（3）TDR－3土壤水分传感器厂家提供的标定公式在壤土中适用，测量精确度在±2%～3%。

（4）LDVSC－12在砂土、壤土、黏土中线性度都比较好；TDR－3在砂土和壤土中线性度比较好，在黏土中需要分段拟合；FDS－100在黏土中线性度比较好。

（5）综合三种传感器的共同规律发现，在壤土中各传感器的灵敏度要好于黏土和砂土，砂土中最差。建议在砂土中埋设传感器时要注意探针和土壤的接触紧密。

（6）TDR－3和LDVSC－12达到稳定的速度较快，一般在几秒钟就可以达到稳定，FDS－100稳定性稍差，尤其在黏土中，较难达到稳定。

（7）在砂土中，传感器的稳定度要比其他两种土质中差，TDR－3的稳定度要好于其他两款。

参考文献

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