管式土壤水分传感器探头的研制

吕　东，王新忠，刘　飞，沙刘云

(1.江苏大学 农业装备工程学院，江苏 镇江　212013；2.上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海　201804；3.昆山市永宏温室有限公司，江苏 昆山　215332)



管式土壤水分传感器探头的研制

吕东1，王新忠1，刘飞2，沙刘云3

(1.江苏大学 农业装备工程学院，江苏 镇江212013；2.上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海201804；3.昆山市永宏温室有限公司，江苏 昆山215332)

摘要：设计了一种基于电场边缘效应的管式土壤水分传感器。为了研究圆环电极几何结构对水分传感器灵敏度及有效测量范围的影响，采用有限元分析软件Maxwell分析了不同参数组合下探头的电场分布和电容变化，得到了传感器探头最优结构参数组合。试验表明：优化后的土壤水分自制传感器测量值与传统烘干法测量值对比，两者决定系数R2=0.997 6，最大绝对误差为1.60%，提高了传感器的测量精度，可应用于农业生产实践中。

关键词：土壤水分；土壤剖面；传感器；边缘效应

0引言

对土壤剖面不同深度的水分进行连续实时监测，能及时了解土壤墒情和空间立体分布，对研究作物生理水分胁迫规律、实施合理灌溉及提高农业生产效益具有重要意义[1-4]。

目前，绝大多数土壤水分传感器的探头都是探针结构[5-7]，这些传感器只适于农业表层土壤含水率测量, 难以满足深土层条件下土壤含水率测定的需求[8]。若要实现土壤剖面不同深度的水分测量，则需沿剖面穿插数个传感器，成本倍增，能耗较大。近年来，国内外学者相继展开了利用电场边缘效应的管式土壤剖面水分传感器的研究[9-13]。其优点是对土壤结构破坏较小，基本不影响土壤水分的自由交换，能够准确检测出土壤某一深度的含水率，并且可以通过简单组合形成不同深度的多点土壤水分测量传感器。但是，当前的研究大多集中在土壤类型及理化特性对传感器测量结果影响方面[9-12]，对传感器探头自身几何结构优化方面的研究则比较少。

由于边缘电场的分布非常复杂，在进行传感器的电场分析时，通过理论计算获得传感器电场分布的解析解比较困难，目前主要通过试验或软件仿真分析的方法得到传感器的电场分布。由于试验法对测量精度要求很高，需要非常精密的测量仪器，且试验量大，存在人为误差和干扰等不利因素，容易导致测量结果不准确，甚至出现误导性结果。因此，通过软件仿真建模获得传感器电场分布具有非常重要的参考价值[14]。

边缘电场管式土壤水分传感器设计中，影响传感器灵敏度和有效测量范围的最直接和最重要的两个几何参数是两圆环轴向间距和轴向长度[14]。为了提高传感器的测量精度，本文对边缘电场土壤水分传感器结构进行了改进，采用有限元分析软件MAXWELL仿真分析了不同结构参数下圆环探头的电容值及电场能量分布规律，并在此基础上给出了圆环探头设计尺寸的优选方案。

1圆环探头电场的理论分析

边缘电场管式土壤水分传感器由1对圆环电极上下正对、嵌套于绝缘棒上构成，通过驱动电极与感应电极间形成的电场变化进行测量。待测土壤环绕在圆环电极的周围，所测得的将是以电极为两极点向周围辐射的一个椭球体区域内的土壤含水量。其单节点探头的原理结构如图1所示。

在工程电磁有限元分析中，可以从电场能量的角度来分析探头电容值[15]，即有

(1)

其中，C为探头电容值；U为构成电容的介质两端的电势之差；We为电场总的储能。

电场总能量表示为

(2)

其中，We为电场总的储能；D为电位移量；E为电场强度；Ω为有效电场区域的体积。

在电场区域中各点的电场能量为

(3)

其中，W为电场区域中各点的电场能量。

由式(1)～式(3)可知：探头的电容与非均匀电场中电场能量成正比，电场能量高的地方电容高，即对传感器的测量值影响大。本文通过定义变量L来描述传感器测量范围：L表示电极间对称中线上能量最大值所在的点(记为Wmax点)与能量为1/100最大值能量时的对应点(记为Wmax/100点)之间的距离[16]。本文对于灵敏度的广义定义为：传感器输出结果的变化量与引发该变化的输入变化量之比。具体到本文所设计传感器，是指在土壤含水率不同的情况下前后所检测出的电容差值越大，表明传感器灵敏度越高。

1.PVC绝缘管　2.PVC套筒　3.土壤　4.驱动电极

2圆环探头优化尺寸的仿真分析

圆环探头的优化设计应该从探头的灵敏度、测量范围等几方面考虑。本文采用Maxwell有限元分析软件计算出探头电容容量，进而分析传感器的灵敏度，通过仿真分析探头周围能量分布规律来刻画传感器的测量范围，最终确定传感器节点圆环探头的结构优选参数。

2.1圆环电极轴向间距对传感器的影响

2.1.1圆环电极轴向间距与灵敏度的关系

圆环探头电容器电容的大小同轴向间距有关，还受探头表面土壤介电常数的影响。本文采用有限元数值计算方法，取圆环轴向长度b=20mm，以圆环轴向间距a为参数，设定圆环探头材料为紫铜，驱动电极的电位为4.24V，感应电极的电位为0V，PVC介电常数为3.0，圆环外径R=19mm，PVC套筒厚度2mm。仿真计算探头在不同土壤介电常数εi时的电容值C，如表1所示。

表1　不同轴向间距情况下圆环探头电容的容值

εi为土壤介电常数(i=1,2,3)；ΔC12为不同εi之间的电容差值。

由表1可知：在相同圆环轴向间距a的情况下，随着土壤介电常数ε的增加，圆环电容的容值也增加；随着圆环轴向间距a增大，相同的轴向间距情况下探头所感知的这两种土壤的电容的电容差值就增大。也就是说，在土壤介电常数ε不同的情况下，探头所感知的电容差值将随圆环电极轴向间距的增大而增大，因而传感器的灵敏度也就越大。所以，在其他条件相同时，可以通过选择圆环轴向间距较大的探头，提高传感器灵敏度。

2.1.2圆环电极轴向间距与测量敏感区域的关系

同样，取圆环电极轴向长度b=20mm，以圆环轴向间距a为参数，利用有限元法可计算电场能量沿对称中线上的分布。图2为土壤介电常数ε=12时电场能量沿对称中线上的分布。

由图2可知：对于同一介电常数的土壤，当圆环轴向间距较小时，电场能量大，衰减较快；当圆环轴向间距较大时，电场能量较小，衰减较慢。

图3所示为不同圆环轴向间距a取值的情况下，对称中线上Wmax点与Wmax/100点之间距离的变化，即近似为土壤水分传感器探头的测量范围的变化。由图3可以看出：在相同圆环轴向间距a的状态下，随着土壤介电常数变化，传感器的测量范围变化较小；随着圆环轴向间距增大，传感器的测量范围也随之增大。所以，在其他条件相同时，可以通过选择圆环轴向间距较大的探头来增大传感器的测量范围。

图2　土壤介电常数为12时电场能量沿对称中线上的分布

图3　不同轴向间距a情况下电极的测量范围

2.2圆环电极轴向长度对传感器的影响

2.2.1圆环电极轴向长度与灵敏度的关系

设定圆环电极轴向间距a=10mm，以圆环轴向长度b为变量，仿真计算出圆环探头电容的容值如表2所示。

表2　不同轴向长度情况下圆环探头电容的容值

由表2可知：在相同圆环轴向长度的情况下，随着土壤介电常数ε的增加，圆环电容的容值C也增加；随着圆环轴向长度增大，对同一轴向长度的探头所能感测到的两种土壤电容的电容差值ΔC就增大。也就是说，在土壤介电常数不同的情况下，探头所感测的电容差值将随圆环电极轴向长度的增大而增大，因而传感器的灵敏度也就越大。所以，在其他条件一样的情况下，可以通过选择圆环轴向长度较大的探头，提高传感器灵敏度。

2.2.2圆环电极轴向长度与测量敏感区域的关系

同样，设定圆环电极轴向间距a=10mm，以圆环轴向长度b为变量，利用有限元法计算出电场能量沿对称中线上的分布。图4所示为土壤介电常数ε=12时电场能量沿对称中线上的分布。

图4　土壤介电常数为12时电场能量沿对称中线上的分布

由图4可知：对于同一介电常数的土壤，当圆环轴向长度b较小时，电场能量小，衰减较快；当圆环轴向长度b较大时，电场能量较大，衰减较慢。

图5所示为圆环轴向长度b不同设定值时，电极对称中线上Wmax点与Wmax/100点之间距离的变化。由图5可以看出：在相同圆环轴向长度b的情况下，随着土壤介电常数变化，传感器的测量范围波动较小；随着圆环轴向长度增大，传感器的测量范围也随之增大。所以，在其他条件相同时，可以通过选择圆环轴向长度较大的探头，增大传感器的测量范围。

综上所述：从土壤水分传感器圆环探头的灵敏度和测量范围考虑，圆环电极轴向间距应尽量取大，圆环电极轴向长度也应尽可能取大；但是，考虑到测量土壤某一特定深度含水量的要求，探头两个圆环电极与轴向间距之和以不超过50mm为宜(2b+a≤50mm)。比较符合这一条件的几种探头结构组合的灵敏度与测量范围可知：当圆环轴向间距a=10mm、圆环轴向长度b=20mm时，灵敏度最高，测量范围最大，适宜作为传感器探头的几何参数。

3试验分析

实验室环境下，采用镇江地区典型土壤黄棕壤，取电导率0.04mS/cm、容重1.06g/cm3配制8种不同体积含水量的土样(由低到高趋于饱和)：0、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35m3/m3。使用本文所设计的传感器、传统烘干法、EC-5土壤水分传感器分别对土样进行测量试验，然后对比分析所测量土壤水分。其中，EC-5土壤水分传感器是由美国Decagon公司生产，测量范围0～100%，测量精度±3%(EC<8dS/m的所有类型土壤)，±1%(经过单独标定)。

图6所示为自制传感器测量值与烘干法测量值的回归分析，回归函数y=1.0476x-0.0071，相关系数R12=0.9976，均方0.115。图7所示为EC-5测量值与烘干法测量值的对比分析，回归函数y=1.0245x-0.0002，相关系数R22=0.999 6，均方0.110。试验结果表明：EC-5传感器的测量精度较高，与烘干法相比最大绝对误差仅为1.20%；自制传感器的误差范围为±2%，最大绝对误差为1.60%，测量体积含水率范围可达0～34%，能够满足土壤含水量准确测量的要求。

图5　不同轴向长度状态下的电极测量范围

图6　自制传感器测量值与烘干法测量值的回归分析

图7　EC-5测量值与烘干法测量值的回归分析

4结论

本文以提高土壤水分测量灵敏度和测量范围为目的，根据管式电极边缘电场的计算原理，从优化传感器探头结构出发，对探头几何结构参数对周边电场的影响进行了深入研究。数值分析试验表明：当圆环轴向间距a=10mm、圆环轴向长度b=20mm时，为管式电极最优组合。试验结果表明：该自制传感器与传统干燥法测量值对比，两者决定系数R2=0.967 9，最大测量绝对误差为1.60%，可以满足农业生产实践的要求。

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Development of Probe of Tube Access Soil Moisture Sensor

Lv Dong1, Wang Xinzhong1, Liu Fei2, Sha liuyun3

(1.College of Agricultural Equipment Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China；2.Technical Center of SAIC Motor, Shanghai 201804, China；3. Kunshan Yonghong Greenhouse Co. Ltd., Kunshan 215332, China)

Abstract：A tube access soil moisture sensor based on marginal effect of electric field was developed. Maxwell finite element analysis software analyzes the electric field distribution and capacitance, and how axial length of probe electrode or axial spacing length of two rings influence sensitivity and effective range , find the optimal combination of sensor probe structure. The results showed that the value of comparative measure this moisture sensor measurements with conventional drying method, the coefficient of determination R2=0.997 6 , the maximum absolute error of 1.60%. Improved the measurement accuracy of the sensor can be used in agricultural production practices.

Key words：soil moisture; soil profile; sensor; marginal effect of electric field

文章编号：1003-188X(2016)06-0069-05

中图分类号：S237

文献标识码：A

作者简介：吕东(1990-),男，济南人，硕士研究生，(E-mail) zgshidi@163.com。通讯作者：王新忠(1969-)，男，石家庄人，教授，(E-mail) xzwang@ujs.edu.cn。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD08B03)；昆山市农业科技计划项目(KN1408)

收稿日期：2015-05-06