土壤水分传感器（FDR）在作物精准灌溉中的标定与应用

唐玉邦等

摘要：随着农业现代化的发展，大田及各种大棚环境条件下的作物栽培对灌溉的要求越来越高，基于用土壤水分传感器的精准灌溉系统正逐步应用到设施农业当中。由于土壤水分传感器测定土壤水分含量时受土壤质地和压实程度的影响较大，为减小测定误差设计了相关试验，通过研究明确了在同一土壤水分条件下（15%）土壤容重与水分传感器输出电压值的关系。提出了用田间原状土对土壤水分传感器进行水分特征曲线的标定方法，并在生产中得到了应用，降低了精准灌溉系统土壤水分测定的误差。

关键词：土壤含水量； 水分传感器； 精准灌溉； 标定

中图分类号： S277.9 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2014）04-0343-02

收稿日期：2013-07-25

基金项目：江苏省农业科技自主创新资金[编号：CX（10）222]。

作者简介：唐玉邦（1959—），男，上海人，副研究员，从事设施种植环境监控研发工作。Tel：（025）84390180； E-mail：tangyubang_007@sina.com 。灌溉是农业生产过程中的重要环节和技术措施，科学的灌溉是农作物健康生长的必备条件之一。我国灌溉技术与农业发达国家相比还比较落后，很多地区仍停留在“经验模式” 的人工灌溉阶段， 作物很难得到最合适的水分补给，在干旱缺水地区尤为突出。为解决这一问题，近年来农业工作者提出了精确灌溉的概念[1]。精确农业灌溉技术是以大田耕作为基础，按照作物生长过程的要求，通过现代化的监测手段，对作物的每一个生长发育状态过程以及环境要素的现状实现数字化、网络化、智能化监控，根据监控结果，采用最精确的灌溉设施对作物进行严格有效的施肥灌水，以确保作物在生长过程中的需要。在这一过程中最基本的单元是土壤水分传感器，水分传感器将土壤湿度参数量化，传到现场控制单元， 单片机通过对数据的分析比较，决定是否开启水阀及开启时间[2-4]。近年来随着设施农业在我国迅猛发展，精确灌溉技术已不局限于大田耕作，而是越来越多地应用到了温室中。在温室生产中，水分对土壤、植物、环境空气的影响更直接，灌水量过大无效蒸腾增加，造成水分浪费，土壤积水过多根系受害，温室内空气湿度增加病害严重[5]。利用计算机技术、自动控制技术和通信技术， 通过数据采集、信息处理和分布调控等方式就可实现农业节水灌溉自动化。农业节水灌溉系统包括水泵、管路、灌水器、闸阀等。自控系统通过对土壤墒情信息的实时采集， 经过处理后， 要求实现基于预定模型的远程控制灌溉、自动灌溉和精确灌溉[6-9]。而土壤墒情信息采集的准确与否直接关系到灌溉的精准程度。本研究针对水分传感器采集土壤墒情信息时所受到的环境干扰因素和标定方法做了探讨，以使测得的土壤水分数值更接近田间的实际。

1材料与方法

1.1材料

土壤水分传感器采用自主研发产品MP-308型，其工作原理是通过特殊设计的传输线（该传输线的阻抗随土壤阻抗变化而变化）产生高频信号，测量土壤水分参数。阻抗包括表现介电常数和离子传导率。选用电信号的频率使离子传导率的影响最小，以使传输线阻抗变化几乎仅依赖于土壤介电常数的变化。这些变化产生一个电压驻波。驻波随不锈钢探针周围介质的变化增减由晶体振荡器产生电压，利用晶体振荡器产生的电压和探针返回电压的差值测量土壤介电常数。

1.2方法

3结论

土壤水分传感器在精准灌溉上的应用是可行的，并逐步得到推广应用；但传感器出厂时的曲线标定是在特定环境下进行的，土壤质地和土壤容重与田间实际情况存在差异，进而影响传感器的输出电压。为更好地反映田间水分实际情况，可用田间原状土对土壤水分传感器进行水分特征曲线的标定，降低精准灌溉系统土壤水分测定的误差。

参考文献：

[1]周明耀，邵孝侯. 精确灌溉技术体系研究[J]. 中国农村水利水电，2002（2）：35-37.

[2]钟诗恩. 智能灌溉施肥控制系统在温室中的应用[J]. 广东农机，2003（1）：9-10.

[3]秦明军. 精确灌溉及前景分析[J]. 东北水利水电，2009（2）：38-41.

[4]周超. 农场智能灌溉系统设计[J]. 科技创新导报，2009（16）：130-131.

[5]王志伟 ，郁继华， 郭晓冬. 日光温室甜瓜节水灌溉土壤水分上限指标研究[J]. 华中农业大学学报，2004，35（增刊）：198-202.

[6]蔡亮，李浩. 农业节水灌溉自控工程的设计与实现[J]. 吉林水利，2006（6）：22-26.

[7]许生国，王根宝，丁秀萍，等. 棚室蔬菜水分管理技术[J]. 上海蔬菜，2007（1）：40-41.

[8]魏恒文，杨培岭. 日光温室黄瓜智能灌溉控制指标研究[J]. 灌溉排水学报，2008，27（3）：63-65.

[9]郭正琴，王一鸣，杨卫中，等. 基于模糊控制的智能灌溉控制系统[J]. 农机化研究，2006（12）：103-108.

摘要：随着农业现代化的发展，大田及各种大棚环境条件下的作物栽培对灌溉的要求越来越高，基于用土壤水分传感器的精准灌溉系统正逐步应用到设施农业当中。由于土壤水分传感器测定土壤水分含量时受土壤质地和压实程度的影响较大，为减小测定误差设计了相关试验，通过研究明确了在同一土壤水分条件下（15%）土壤容重与水分传感器输出电压值的关系。提出了用田间原状土对土壤水分传感器进行水分特征曲线的标定方法，并在生产中得到了应用，降低了精准灌溉系统土壤水分测定的误差。

关键词：土壤含水量； 水分传感器； 精准灌溉； 标定

中图分类号： S277.9 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2014）04-0343-02

收稿日期：2013-07-25

基金项目：江苏省农业科技自主创新资金[编号：CX（10）222]。

作者简介：唐玉邦（1959—），男，上海人，副研究员，从事设施种植环境监控研发工作。Tel：（025）84390180； E-mail：tangyubang_007@sina.com 。灌溉是农业生产过程中的重要环节和技术措施，科学的灌溉是农作物健康生长的必备条件之一。我国灌溉技术与农业发达国家相比还比较落后，很多地区仍停留在“经验模式” 的人工灌溉阶段， 作物很难得到最合适的水分补给，在干旱缺水地区尤为突出。为解决这一问题，近年来农业工作者提出了精确灌溉的概念[1]。精确农业灌溉技术是以大田耕作为基础，按照作物生长过程的要求，通过现代化的监测手段，对作物的每一个生长发育状态过程以及环境要素的现状实现数字化、网络化、智能化监控，根据监控结果，采用最精确的灌溉设施对作物进行严格有效的施肥灌水，以确保作物在生长过程中的需要。在这一过程中最基本的单元是土壤水分传感器，水分传感器将土壤湿度参数量化，传到现场控制单元， 单片机通过对数据的分析比较，决定是否开启水阀及开启时间[2-4]。近年来随着设施农业在我国迅猛发展，精确灌溉技术已不局限于大田耕作，而是越来越多地应用到了温室中。在温室生产中，水分对土壤、植物、环境空气的影响更直接，灌水量过大无效蒸腾增加，造成水分浪费，土壤积水过多根系受害，温室内空气湿度增加病害严重[5]。利用计算机技术、自动控制技术和通信技术， 通过数据采集、信息处理和分布调控等方式就可实现农业节水灌溉自动化。农业节水灌溉系统包括水泵、管路、灌水器、闸阀等。自控系统通过对土壤墒情信息的实时采集， 经过处理后， 要求实现基于预定模型的远程控制灌溉、自动灌溉和精确灌溉[6-9]。而土壤墒情信息采集的准确与否直接关系到灌溉的精准程度。本研究针对水分传感器采集土壤墒情信息时所受到的环境干扰因素和标定方法做了探讨，以使测得的土壤水分数值更接近田间的实际。

1材料与方法

1.1材料

土壤水分传感器采用自主研发产品MP-308型，其工作原理是通过特殊设计的传输线（该传输线的阻抗随土壤阻抗变化而变化）产生高频信号，测量土壤水分参数。阻抗包括表现介电常数和离子传导率。选用电信号的频率使离子传导率的影响最小，以使传输线阻抗变化几乎仅依赖于土壤介电常数的变化。这些变化产生一个电压驻波。驻波随不锈钢探针周围介质的变化增减由晶体振荡器产生电压，利用晶体振荡器产生的电压和探针返回电压的差值测量土壤介电常数。

1.2方法

3结论

土壤水分传感器在精准灌溉上的应用是可行的，并逐步得到推广应用；但传感器出厂时的曲线标定是在特定环境下进行的，土壤质地和土壤容重与田间实际情况存在差异，进而影响传感器的输出电压。为更好地反映田间水分实际情况，可用田间原状土对土壤水分传感器进行水分特征曲线的标定，降低精准灌溉系统土壤水分测定的误差。

参考文献：

[1]周明耀，邵孝侯. 精确灌溉技术体系研究[J]. 中国农村水利水电，2002（2）：35-37.

[2]钟诗恩. 智能灌溉施肥控制系统在温室中的应用[J]. 广东农机，2003（1）：9-10.

[3]秦明军. 精确灌溉及前景分析[J]. 东北水利水电，2009（2）：38-41.

[4]周超. 农场智能灌溉系统设计[J]. 科技创新导报，2009（16）：130-131.

[5]王志伟 ，郁继华， 郭晓冬. 日光温室甜瓜节水灌溉土壤水分上限指标研究[J]. 华中农业大学学报，2004，35（增刊）：198-202.

[6]蔡亮，李浩. 农业节水灌溉自控工程的设计与实现[J]. 吉林水利，2006（6）：22-26.

[7]许生国，王根宝，丁秀萍，等. 棚室蔬菜水分管理技术[J]. 上海蔬菜，2007（1）：40-41.

[8]魏恒文，杨培岭. 日光温室黄瓜智能灌溉控制指标研究[J]. 灌溉排水学报，2008，27（3）：63-65.

[9]郭正琴，王一鸣，杨卫中，等. 基于模糊控制的智能灌溉控制系统[J]. 农机化研究，2006（12）：103-108.

摘要：随着农业现代化的发展，大田及各种大棚环境条件下的作物栽培对灌溉的要求越来越高，基于用土壤水分传感器的精准灌溉系统正逐步应用到设施农业当中。由于土壤水分传感器测定土壤水分含量时受土壤质地和压实程度的影响较大，为减小测定误差设计了相关试验，通过研究明确了在同一土壤水分条件下（15%）土壤容重与水分传感器输出电压值的关系。提出了用田间原状土对土壤水分传感器进行水分特征曲线的标定方法，并在生产中得到了应用，降低了精准灌溉系统土壤水分测定的误差。

关键词：土壤含水量； 水分传感器； 精准灌溉； 标定

中图分类号： S277.9 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2014）04-0343-02

收稿日期：2013-07-25

基金项目：江苏省农业科技自主创新资金[编号：CX（10）222]。

作者简介：唐玉邦（1959—），男，上海人，副研究员，从事设施种植环境监控研发工作。Tel：（025）84390180； E-mail：tangyubang_007@sina.com 。灌溉是农业生产过程中的重要环节和技术措施，科学的灌溉是农作物健康生长的必备条件之一。我国灌溉技术与农业发达国家相比还比较落后，很多地区仍停留在“经验模式” 的人工灌溉阶段， 作物很难得到最合适的水分补给，在干旱缺水地区尤为突出。为解决这一问题，近年来农业工作者提出了精确灌溉的概念[1]。精确农业灌溉技术是以大田耕作为基础，按照作物生长过程的要求，通过现代化的监测手段，对作物的每一个生长发育状态过程以及环境要素的现状实现数字化、网络化、智能化监控，根据监控结果，采用最精确的灌溉设施对作物进行严格有效的施肥灌水，以确保作物在生长过程中的需要。在这一过程中最基本的单元是土壤水分传感器，水分传感器将土壤湿度参数量化，传到现场控制单元， 单片机通过对数据的分析比较，决定是否开启水阀及开启时间[2-4]。近年来随着设施农业在我国迅猛发展，精确灌溉技术已不局限于大田耕作，而是越来越多地应用到了温室中。在温室生产中，水分对土壤、植物、环境空气的影响更直接，灌水量过大无效蒸腾增加，造成水分浪费，土壤积水过多根系受害，温室内空气湿度增加病害严重[5]。利用计算机技术、自动控制技术和通信技术， 通过数据采集、信息处理和分布调控等方式就可实现农业节水灌溉自动化。农业节水灌溉系统包括水泵、管路、灌水器、闸阀等。自控系统通过对土壤墒情信息的实时采集， 经过处理后， 要求实现基于预定模型的远程控制灌溉、自动灌溉和精确灌溉[6-9]。而土壤墒情信息采集的准确与否直接关系到灌溉的精准程度。本研究针对水分传感器采集土壤墒情信息时所受到的环境干扰因素和标定方法做了探讨，以使测得的土壤水分数值更接近田间的实际。

1材料与方法

1.1材料

土壤水分传感器采用自主研发产品MP-308型，其工作原理是通过特殊设计的传输线（该传输线的阻抗随土壤阻抗变化而变化）产生高频信号，测量土壤水分参数。阻抗包括表现介电常数和离子传导率。选用电信号的频率使离子传导率的影响最小，以使传输线阻抗变化几乎仅依赖于土壤介电常数的变化。这些变化产生一个电压驻波。驻波随不锈钢探针周围介质的变化增减由晶体振荡器产生电压，利用晶体振荡器产生的电压和探针返回电压的差值测量土壤介电常数。

1.2方法

3结论

土壤水分传感器在精准灌溉上的应用是可行的，并逐步得到推广应用；但传感器出厂时的曲线标定是在特定环境下进行的，土壤质地和土壤容重与田间实际情况存在差异，进而影响传感器的输出电压。为更好地反映田间水分实际情况，可用田间原状土对土壤水分传感器进行水分特征曲线的标定，降低精准灌溉系统土壤水分测定的误差。

参考文献：

[1]周明耀，邵孝侯. 精确灌溉技术体系研究[J]. 中国农村水利水电，2002（2）：35-37.

[2]钟诗恩. 智能灌溉施肥控制系统在温室中的应用[J]. 广东农机，2003（1）：9-10.

[3]秦明军. 精确灌溉及前景分析[J]. 东北水利水电，2009（2）：38-41.

[4]周超. 农场智能灌溉系统设计[J]. 科技创新导报，2009（16）：130-131.

[5]王志伟 ，郁继华， 郭晓冬. 日光温室甜瓜节水灌溉土壤水分上限指标研究[J]. 华中农业大学学报，2004，35（增刊）：198-202.

[6]蔡亮，李浩. 农业节水灌溉自控工程的设计与实现[J]. 吉林水利，2006（6）：22-26.

[7]许生国，王根宝，丁秀萍，等. 棚室蔬菜水分管理技术[J]. 上海蔬菜，2007（1）：40-41.

[8]魏恒文，杨培岭. 日光温室黄瓜智能灌溉控制指标研究[J]. 灌溉排水学报，2008，27（3）：63-65.

[9]郭正琴，王一鸣，杨卫中，等. 基于模糊控制的智能灌溉控制系统[J]. 农机化研究，2006（12）：103-108.