介电溶液测试土壤水分传感器性能的实证研究*

李加念， 洪添胜， 倪慧娜

(1.昆明理工大学 现代农业工程学院，云南 昆明 650500；2. 华南农业大学 工程学院，广东 广州 510642)

0 引 言

利用土壤水分传感器实时监测农田土壤水分，是实现农业精量灌溉自动化的关键环节之一。土壤水分测定的方法有电阻法、射线法、张力计法、介电法、近红外反射法、遥感法和探地雷达法等[1]，其中利用土壤介电特性进行间接测量的介电法是最具潜力的一类方法之一[2]，并在此方法的基础上研制了多种土壤水分传感器[3,4]。

由于土壤本身的复杂性，不同地区、类型的土壤，即使土壤含水量相同，其介电特性也可能存在差异，为精确地测定土壤水分，在研制或应用土壤水分传感器时，需对其进行性能评价分析或实际测试与校正。目前，大多数研究采取配制待测土样或农田现场取样的方式，对土壤水分传感器进行标定、校准以及性能测试与评价[5,6]。此种方式可以直接建立土壤水分传感器与土壤含水量之间的关系，并能准确衡量土壤水分传感器在该土壤中的测试性能，但土样的配制需经过风干、捣碎、除杂、过筛、烘干、兑水等环节，土样的压实度一致性和含水均匀性不易控制；从农田现场取样得到的土样，其土壤结构与实际土壤一致，但其含水量不能控制，难以在短期内得到一系列不同含水率的土样。为能以一种简便快捷的方式对土壤水分传感器进行标定与性能评估，有学者采用配制介电常数ε为已知的介电溶液替代土样进行试验[3,7]。但介电溶液中的测试结果是否与实际土样的测试结果一致，目前未研究报道。

本文分别将土壤水分传感器置于介电溶液和土样中进行试验，以验证2种待测介质中的测试结果是否一致。

1 材料与方法

1.1 土壤水分传感器的结构与工作原理

试验所用土壤水分传感器为一高频电容式传感器，其结构如图1所示，主要由探针电极、电子电路和接线电缆3部分组成[3]。该传感器的工作电压为2.7～5.0 V，其测量原理是：当土壤含水量变化时，土壤介电常数随之相应变化，从而使置于土壤中的探针的等效电容也随之改变，然后利用信号转换电路将探针上的信号转换成等效的直流电压，作为传感器的输出；传感器的输出随着土壤含水率的增加而减小。

图1 土壤水分传感器的结构示意图

1.2 试验方法

首先，利用去离子水和二氧六环(dioxane)或2—异丙氧基乙醇(2-isoproxyethanol)2种溶液两两混合，配制一系列介电常数ε不同即等效体积含水率不同的待测溶液，分别从传感器的电气特性、传感器输出与土壤体积含水率的关系、温度变异性以及稳定性等4个方面，对土壤水分传感器进行性能测试。各个等效体积含水率待测溶液的配制比例如表1所示[9]，其中介电常数为ε的溶液的等效土壤体积含水率可通过如式(1)所示的Topp经验式[9]计算得出

θv=-5.3×10-2+2.92×10-2ε-5.5×10-4ε2+

4.3×10-6ε3,

(1)

式中θv为溶液的等效土壤体积含水率，ε为待测溶液的介电常数。

表1 不同ε的待测溶液的配制比例及其等效土壤体积含水率

然后，取广州地区的典型红壤和雷州半岛的典型砖红壤，将其风干、捣碎、除杂及1 mm过筛后，通过兑水配制成一系列相应含水率的待测土样，分别从4个方面对传感器的性能进行测试与验证，并将测试结果与在土壤等效溶液中的测试结果比较，分析3种待测介质中的测试结果是否具有一致性。试验时，对于每个配制的土样需先密封静置48 h，以使水分在土样中渗透均匀；而且对于每个土样，将传感器置于土样中的3个不同方位进行测量，每个方位测量3次，取其平均值作为该土样中的最终测试结果。

2 结果与分析

2.1 传感器的电气特性

以等效土壤体积含水率为25.6 %的介电溶液、含水率为25.6 %的红壤土样和砖红壤土样作为待测介质，分别在2.7,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0 V工作电压下对传感器进行测试，试验结果如图2所示。

图2 不同工作电压下土壤水分传感器的电气特性

由图2知，传感器在介电溶液中的测试结果，与在红壤和砖红壤中的测试结果是一致的，3种介质中的测试结果均表明:其输出电压和工作电流对工作电压有显著的依赖性，与工作电压呈线性正相关，且相关系数R2均大于0.99；在相同工作电压下，3种介质中测试的传感器输出电压、工作电流略有差异。

2.2 传感器输出与土壤含水率的关系

以3.0 V为工作电压，分别在土壤(等效)体积含水率为0.9 %～51.8 %的待测介电溶液、红壤土样和砖红壤土样中，测试传感器输出电压与土壤含水率的关系。试验过程中，用离心管盛装待测溶液，用玻璃烧杯盛装待测土样，并分别将它们置于25 ℃的恒温水浴锅(恒温精度为±0.2 ℃)内，同时用数字温度计(精度为±0.1 ℃)监测待测介质的温度，当其温度维持在(25±0.2)℃时，将传感器置于待测介质中进行测试。试验结果如图3所示。

图3 传感器输出电压与土壤体积含水率的关系

从图3可以看出：在介电溶液、红壤和砖红壤3种待测介质中测试时，传感器的输出电压均与土壤体积含水率呈线性负相关关系，其相关系数R2分别为0.979,0.96和0.981；土壤体积含水率相同时，3种待测介质中测试的传感器输出电压略有差异，介电溶液略小于红壤(最大相差0.119 V)，红壤中略小于砖红壤(最大相差0.192 V)，出现差异现象的主要原因为，传感器依据待测介质的介电常数进行测量，而土壤颗粒的成分较为复杂，即使含水率相同其介电常数也可能不尽相同。

由上述可知，可以用土壤等效介电溶液替代土样，测试传感器输出电压与土壤体积含水率的关系。但将传感器应用于实际土壤时，为提高其检测精度，需用该土壤重新对传感器进行标定。

2.3 传感器的温度变异性

温度变异性是指土壤水分传感器检测同一待测土壤时，由于温度变化而引起其输出电压的变化。本文以25 ℃时的测量数据为基准衡量传感器的温度变异性，其温度变异性可用式(2)计算

(2)

式中θT为传感器输出电压的变异率，%；Vx为传感器在某一温度下的输出电压，V；V25为传感器在25 ℃时的输出电压，V。

分别以土壤(等效)体积含水率为40.6 %的介电溶液、红壤土样和砖红壤土样为待测介质，在不同的温度下测试传感器的输出电压，并计算其温度变异性。然后，分析比较介电溶液的测试结果是否与2种土样的测试结果一致。试验结果如图4所示，输出电压变异性为负值，表示此温度下的传感器输出电压小于25 ℃时的输出电压，为正值则表示大于25 ℃时的输出电压。

图4 传感器输出电压对温度的变异性

由图4可知,1)在5～45 ℃范围内，介电溶液中所测得的传感器输出电压变异性与红壤和砖红壤2种土样中的测试结果基本上一致，均表现为与温差(试验温度与25 ℃的差值)呈线性正相关，其相关系数R2均大于0.995，而且当试验温度大于25 ℃时为正值，小于25 ℃时为负值；2)相同温度下，介电溶液测试的输出电压变异性与红壤、砖红壤的测试结果相差很小，其最大差值分别为0.256 %和0.164 %。这表明3种待测介质中的输出电压变异性基本上一致。

2.4 传感器的稳定性

传感器置于同一个待测介质中长时间连续测量时，其输出电压是随着时间发生漂移或波动的幅度越小则说明传感器的稳定性越好，反之，稳定性越差。分别以土壤(等效)体积含水率为25.6 %的介电溶液、红壤土样和砖红壤土样作为待测介质，在3.0 V工作电压下，将传感器置于其中并连续72 h监测传感器的输出电压，每5 min测量1次数据。试验过程中，待测介质密封置于25 ℃电子恒温箱中，试验结果如表2所示。

由表2可知，传感器分别在3种待测介质中的72 h连续测量过程中，输出电压均表现为很稳定，在介电溶液、红壤和砖红壤中测试的输出电压的最大波动比例分别为0.22 %，0.27 %和0.33 %；若考虑电源稳定性和数据采集系统的测量误差对测试结果的影响，传感器输出电压的波动范围会更小一些。由此可见，传感器在土壤等效介电溶液中的稳定性测试结果与2种土样中的稳定性测试结果是基本一致的。

表2 3种介质中传感器输出电压的稳定性

3 结 论

本文对传感器在介电溶液中的性能测试结果进行了验证试验，试验结果表明:在介电溶液、红壤和砖红壤3种介质中的测试结果基本上一致：传感器的输出电压和工作电流均与工作电压呈线性正相关，且相关系数R2均大于0.99；输出电压均与土壤体积含水率呈线性负相关关系，其相关系数R2均大于0.96；输出电压的变异性与温差(试验温度与25 ℃的差值)呈线性正相关，其相关系数R2均大于0.995；输出电压的最大波动比例分别为0.22 %，0.27 %和0.33 %；相同条件下3种介质中对同一指标的测试值的差异很小。因此，可以利用土壤等效溶液替代土样进行传感器的性能测试与评估。但土壤的成分复杂，不同类型、地区的土壤虽含水率相同但其介电常数不一定相同，在实际应用时应对传感器进行重新标定，以减小测量误差。

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