土壤水分-基质势-温度复合传感器研制

林昱槟，程 强，向梓薇，颜小飞

土壤水分-基质势-温度复合传感器研制

林昱槟1，程 强2，向梓薇1，颜小飞1※

（1. 北京林业大学工学院，北京 100083；2. 中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083）

土壤水分、基质势是描述土壤持水特性的重要参数，不同类型土壤的水分特征曲线存在明显差异。目前在野外环境下通常采用传感器分离测量法测定土壤水分特征曲线，但因土壤的空间异质性导致较大的测量误差。为此，该研究设计了一种可同步测量土壤水分、基质势和温度的复合传感器，主要组成部分包括32位MCU主控芯片、继电器切换模块、介电水分/基质势测量模块和温度测量模块，主控芯片通过控制继电器切换实现土壤水分、基质势和温度的同步测定，同时进行温度校正。采用森林土壤、农田壤土和砂土对复合传感器进行性能测试、标定和观测试验，并与商业化仪器的测量结果进行对比。结果表明：在干燥至近饱和范围内，复合传感器测定的土壤水分和基质势均具有良好的单调性，决定系数2均大于0.98，土壤体积含水率和基质势的测量范围分别为0%～40%和-1 500～-15 kPa，水分和基质势的响应时间分别为450 ms和150 s。采用商业化仪器分离测量方法与本文复合传感器分别同步测定森林土壤、农田壤土和砂土的水分特征曲线，2种方法测得的土壤水分特征曲线的皮尔逊相关系数均大于0.96。本文研制的复合传感器可以实现不同类型土壤水分特征曲线的准确测定，为农业生产和环境监测等领域提供可靠的技术支持。

传感器；温度；土壤；基质势；特征曲线

0 引 言

土壤水分特征曲线（soil water characteristic curve，SWCC）描述了土壤水分与吸力（基质势）之间的关系，是土壤水力特性的重要指标，反映了土壤水的数量与能量之间的关系[1]。通过SWCC可探究不同质地土壤的持水特性、植物可利用的有效土壤水分、土壤孔隙结构的分布特征等，同时在利用数学物理方法分析土壤中水的运动规律时具有重要作用[2]。

目前SWCC的测定主要采用水分和基质势分离测量的方法，土壤水分测量方法主要有烘干法、遥感法、放射法、介电法等[3-6]；土壤基质势测量方法主要有张力计法、压力室法、介电法、离心机法等[7]。在土壤水分测量方法中，烘干法作为最准确的测量方法，一般用于实验室测量，缺点在于对土壤取样是破坏性的，且耗时较长[8]；遥感法通常用于测量大片区域的土壤表层水分，但是容易受到地表植被覆盖的影响[9]；放射法的测定依据是土壤中的水分会影响放射线的衰减，测量准确，其缺点在于放射线对人体有伤害[10]；介电法具有操作方便、响应速度快、可用于野外原位测量等优点，成为目前主要的土壤水分测量方式[11-12]。在土壤基质势测量方法中，张力计可用于田间原位测量，但测量范围较小（-80～0 kPa），且需要较长的平衡时间[13]；压力室测量最为准确但平衡时间最长，需要对土壤进行破坏性采样且只能在实验室中测量[14-15]；离心机法通过设定转速对土壤施加不同压力，会导致土壤吸力发生变化，影响SWCC测量的准确性，同时也需要破坏性采样，只适用于实验室测量[16]；介电法可实现原位测定，通过测量与土壤达成水力平衡的介质的基质势来间接获得土壤基质势，如商用的TEROS 21传感器[17-18]，但其价格比较昂贵。本课题组研制的基于介电法的同轴多孔传感器[19]可用于土壤基质势的低成本原位测量。

采用分离测量法测定SWCC会不可避免地因土壤空间异质性存在测量误差，而且现有测量仪器存在价格昂贵、测量范围小或无法进行原位测定等缺点。因此，本文基于介电法研制了一种可同步测量土壤水分、基质势和温度的复合传感器，以降低分别放置传感器时因土壤空间异质性造成的测量误差，实现SWCC的原位测定。

1 材料与方法

1.1 测量原理

1.1.1 水分测量原理

水的相对介电常数（常温下为81）与干土的相对介电常数（约为3）差异较大，可通过测定土壤介电常数变化来反映土壤水分变化[20]，因此，本文基于驻波比原理来实现土壤水分和基质势的测定。根据传输线理论，传输线阻抗与负载阻抗相等时，传输线上不会产生反射波，当传输线与负载阻抗不匹配时，传输线上则会产生反射波，入射波与反射波叠加形成驻波。驻波比定义为驻波的波峰与波谷的比值，传输线阻抗与负载阻抗不匹配的程度影响反射波的大小，因此也会影响驻波比的大小。

本文所设计的测量电路主要由有源晶体振荡器、检波器和放大器组成，如图1所示。研究表明，土壤介电常数的测定受测量频率影响，在低于100 MHz的测量频率下，土壤中的盐分会对测量结果造成较大干扰，而在100～500 MHz的测量频率范围内，测量结果受到的干扰较小[11,21]。因此，本文采用100 MHz作为测量频率。在设计电路时，首先需要进行阻抗匹配，使传输线的特征阻抗0与置于空气中的探头阻抗相等。当探头埋入土壤中，探头及其周围土壤的阻抗Z发生变化，此时0与Z不匹配，传输线上产生驻波，通过检波器检测电压差并最终通过放大器输出为电压值U：

式中A为放大器的增益。通过放大器放大检波输出U与U的电压差值，得到传感器的输出电压。由图1可知，电压与阻抗的关系为

式中Z为探头及其周围土壤的混合阻抗，Ω，为土壤的介电常数。

将式（2）代入式（1）可得：

由式（3）可知，当探头周围的土壤水分含量发生变化时，传感器的输出电压U也随之改变。

注：U、U为检波器A、B的电压，V；U为传感器的输出电压，V；0为传输线的特征阻抗，Ω；Z为探头与周围土壤的混合阻抗，Ω。

Note: U、Uis the voltage of detector A and B,V. Uis the output of sensor, V;0is the transmission line characteristic impedance, Ω.Zis the mixed impedance of probe and surrounding soil, Ω.

图1 测量电路原理图

Fig.1 Schematic of measurement circuit

1.1.2 基质势测量原理

土壤基质势的测定同样基于介电原理，在所设计的基质势测量探头中填充水分特征曲线稳定的多孔材料。基质势探头埋置于土壤后，根据水力平衡原理，土壤与探头中的多孔材料有势能差，致使水分在两者之间运动并最终达到平衡，此时土壤与探头中多孔材料的基质势相等，即

1.1.3 温度测量原理

常用的温度传感器有数字式温度传感器、集成温度传感器、热电偶以及热电阻等。热电阻以其成本低廉、使用简单、适用范围广的特点得到了广泛应用。在测量范围（-200～850 ℃）内，PT100的温度计算式为

PT100有多种接线方式，其中两线制最简单，四线制精度最高，本文综合接线和精度要求，采用三线接法，同时使用恒流源连接铂电阻[26]。温度变化会引起铂电阻的阻值变化，从而转变为微弱的电压变化，再通过放大电路以及A/D转换电路和公式换算获得温度值。

1.2 复合传感器探头

土壤基质势探头如图2所示。同轴多孔探头包含内外2个电极，电极材料为不锈钢，内部电极作为发射极，外部环形多孔电极作为接收极，内外电极之间填充的多孔材料为石膏，土壤中的水分可通过多孔电极与内部填充的石膏进行交换，从而达到内外的基质势平衡，即电极外部土壤与内部石膏的基质势相同。

所设计的复合传感器如图2c所示。温度测量采用PT100铂电阻。采用探头复用的方式进行水分测量，将温度探头和基质势探头作为土壤水分测量的2个电极，其中温度探头外壳作为发射极，与基质势探头外部电极组成类双针式测量结构，可测量温度探头与基质势探头之间的土壤水分。传感器工作电压范围为6～32 V，水分测量电路的输出信号为模拟信号，输出电压为0～2 V，温度测量范围-25～45 ℃。

复合传感器的测量过程如下：首先进行基质势和温度测量。基质势探头带有中心发射极和接收极，可直接测量探头中柱状石膏的水分，在探头内的石膏与土壤达到水力平衡后，传感器的输出值反映了石膏的水含量，通过标定建立传感器输出与土壤基质势的对应关系，从而得到获得土壤基质势。同时，温度探头测量此时的土壤温度。然后，控制切换电路进行土壤水分测量，此时温度探头作为发射极，基质势探头的外壳作为接收极，测量两个探头之间的土壤水分，从而完成一次土壤水分、基质势和温度的测量，并将测量数据存储于TF卡中。

1.供电模块 2.控制模块 3.存储模块 4.土壤水分测量电路 5.切换电路 6.土壤基质势探头 7.温度探头 8.土壤水分探头

1.3 性能测试试验

1.3.1 复合传感器的单调性

复合传感器使用继电器切换测量通路，切换电路以及探头分布造成的参数变化会使传感器与探头之间的传输线阻抗出现不匹配的现象，从而导致传感器在测量水分以及基质势的过程中输出值不单调，影响传感器测量的准确性，因此需要设计不同长度的传输线来保证阻抗匹配。本文设计包含不同长度传输线的PCB板，调整传感器至探头间传输线的长度，然后依次连接探头，测试探头在干燥至湿润过程中传感器输出电压的变化。若传感器输出电压不单调，则调整传输线长度，直至复合传感器的水分和基质势输出电压与土壤水分之间呈现单调性。

1.3.2 复合传感器的标定

为保证测量的准确性，在实验室条件下对传感器进行标定。本文分别对3种不同类型的土壤（森林土壤、农田壤土和砂土）进行水分测量标定。其中，森林土壤采集自北京市鹫峰国家森林公园（39°54′N，116°28′E）中鹅耳栎、油松和栓皮栎混交林，农田壤土和砂土采集自中国农业大学甘肃石羊河试验站（45°93′N，114°83′E）。首先使用粗筛（孔径6 mm）将土壤中的石块、树枝等杂物滤除，然后使用细筛（孔径2 mm）将土壤过筛，在105 ℃下烘干24 h。

取640 g烘干后的土壤，加入32 g水，搅拌均匀，分层放入测试容器中（长16.2 cm，宽7 cm，高5 cm）并逐层压实，同时将复合传感器埋置于土壤中，测量土壤体积，计算质量含水率和土壤容重，进而得到待测土壤的体积含水率。用保鲜膜覆盖测试容器并静置4 h，记录水分探头的输出电压。然后取出土壤并再次加入32 g水拌匀，重新分层放入测量容器中进行水分测量，如此往复直至土壤水分接近饱和状态，完成各土壤样本的水分标定。

采用商品化的基质势传感器（TEROS 21，美国METER公司）对本文研制的复合传感器的基质势测量模块进行标定。TEROS 21的测量范围为-2 000～-9 kPa，其中-100～-9 kPa范围内测量精度为±（读数的10%+2 kPa）；在-1 500～-100 kPa范围内，TEROS 21也具有良好的测量准确性[27-29]。称取640 g烘干后的土壤，分层放入测试容器中（长16.2 cm，宽7 cm，高5 cm）并逐层压实，将2个TEROS 21传感器与本文研制的复合传感器埋置于同一土样平面。采用滴灌方式湿润土壤，滴灌点分别位于TEROS21与复合传感器的上方，滴灌流速为0.32 L/h，直至土壤水分达到近饱和状态，使用保鲜膜覆盖测试容器并静置4 h，等待土壤中水分运移趋于稳定。之后使用风扇风干土壤，分别记录土壤在湿润至干燥过程中复合传感器与TEROS 21的输出值，重复此过程2次，完成基质势标定。

温度标定使用高精度温度计（型号DT321S，深圳华盛昌）。将复合传感器和DT321S同时埋置于土箱中，并将土箱放置于恒温箱中，设置恒温箱初始温度为-15 ℃，每90 min温度提高5 ℃，考虑到复合传感器的使用环境以及野外的环境温度，本文在-15～45 ℃的温度范围内对复合传感器的温度测量模块进行校准。

1.3.3 复合传感器的有效测量半径

将复合传感器探头埋置于土壤中，从表面逐层移除土壤，每次移除土壤厚度约3 mm，记录并对比每次移除土壤后传感器的输出电压，得到传感器在水分和基质势检测中的有效测量半径。当移除土壤后传感器输出电压发生较大变化时，则认为此时覆盖在传感器上方的土层厚度即为传感器的有效测量半径。

1.3.4 传感器的响应时间

在林区或农田环境中，往往因为降水或灌溉导致土壤含水量快速变化。当土壤含水量发生变化时，基质势探头中的石膏需要一定时间与土壤建立水势平衡。本文通过试验测定干燥的复合传感器探头埋入饱和土壤中的响应时间。首先将探头置于烘干箱中烘干，配置壤土饱和土样，随后快速将复合传感器探头插入湿润土样中，并记录传感器的输出。由于水分测量的响应时间较短，本文将传感器的输出接入示波器，水势探头响应时间通过测量复合传感器的输出电压变化特征，采样时间设置为1 s。

1.3.5 传感器的稳定性

将传感器探头放置于容器中，填满湿润的土壤，并使用保鲜膜将容器封好，防止水分挥发。静置4 h后，每隔1 min采集72 h内复合传感器的水分、基质势、温度输出值。

1.3.6 传感器的温度效应

在环境温度发生变化时，测量输出值也会随之发生变化。该影响主要体现在电路板的温度系数和介电常数的温度效应[19]。为了降低介电常数温度效应的影响，根据温度对多孔材料影响的模型[19]，得到水分和基质势的介电常数的温度效应校正系数分别为0.55和0.71。为了消除电路板的温度系数对测量准确性的影响，利用复合传感器的温度探头对电路板的温度进行检测，同时校正复合传感器的输出值。将复合传感器放置于恒温箱中，在-25～45 ℃的温度范围内，检测并记录传感器的空载输出，根据测试数据拟合结果校正传感器的输出值。

1.4 不同类型土样的SWCC测定

为探究复合传感器测量SWCC的效果，分别使用复合传感器与传统分离测量方法在实验室环境中同时绘制森林土壤、农田壤土和砂土的SWCC。分离测量方法使用称重法测量土壤水分含量；在基质势测量中，使用TEROS 21同步测量土壤基质势。

具体步骤如下：

1）在测量容器中填入待测试的干燥土壤，并分别埋入复合传感器探头以及TEROS21基质势传感器，二者保持相同高度，在测试容器下放置高精度电子秤，并连接采集盒定时采集数据。

2）将干燥土壤滴灌（滴灌速度0.32 L/h）至近饱和状态，然后风干至干燥状态。分别获得复合传感器与分离测量法测得的数据，并绘制SWCC。完成该类型土样的SWCC绘制后，清理测量容器并填入另一种类型的干燥土壤。

3）重复以上过程，完成3种土样的SWCC测定并进行对比。

2 结果与分析

2.1 单调性测试结果

传输线长会直接影响反射波的相位，从而影响驻波的大小和变化趋势，最终影响传感器的输出值。为保证整个测量过程中传感器的输出值保持单调，本研究在探头由干燥至湿润的过程中，对不同传输线长的传感器输出进行测试（图3）。当传输线长分别为4、6、12、15和24 cm时，传感器在探头干燥时的输出值分别为0.013、0.026、0.246、0.697和1.842 V，可见，探头干燥状态下，传感器输出随着传输线长度的增加而增大。在探头湿润过程中，传输线长为4、6、12和15 cm的传感器输出均呈现先增大后减小的趋势，不满足单调性需求；而传输线长为24 cm的传感器输出电压由探头干燥时的1.82 V逐渐降低至探头完全湿润时的0.013 V，具有良好的单调性。因此，本文传感器的传输线长设定为24 cm。

图3 传感器的单调性测试结果

2.2 传感器标定结果

分别使用森林土壤、农田壤土和砂土对复合传感器进行标定，控制容重和加水量，得到不同体积含水率的土壤样本，记录传感器的输出电压，并对其进行拟合。

土壤样本的水分标定结果如图4所示，传感器输出电压与3种土壤的体积含水率之间呈现良好的线性关系，决定系数2均大于0.98，土壤体积含水率测量范围为0%～40%。

图4 土壤水分含量标定结果

根据测量原理可知，本文基质势的测量仅与探头内部柱形石膏的结构、孔隙度等因素有关，与电极外部待测土壤的类型无关，因此本文只采用森林土壤进行基质势的标定。土壤中放置复合传感器与TEROS 21，在土壤由饱和到干燥的过程中，复合传感器的基质势输出电压值与TEROS 21基质势输出值的关系如图5所示。根据使用手册[30]可知，TEROS 21在-100～-9 kPa范围内的测量精度为±（读数的 10%+2 kPa），在-1 500～-100 kPa范围内准确性良好。因此，本研究使用分段拟合的方法在-100～-9 kPa、-260～-100 kPa以及小于-260 kPa三个范围对复合传感器的基质势测量范围进行分别标定，由图5可知，复合传感器的输出电压与TEROS21测得的基质势具有良好的线性关系，3个测量范围内的拟合2分别为0.988 7、0.979 9和0.972 6，复合传感器的基质势测量范围为-1 500～-15 kPa。

图5 土壤基质势标定结果

将高精度温度计与复合传感器埋置于土箱中，并将土箱置于恒温箱中，在-15～45 ℃范围内调节温度。恒温箱初始温度设置为-15 ℃，每30 min将温度调高5 ℃，记录温度稳定后的高精度温度计（标准温度）与复合传感器温度模块的测试结果，如图6所示。可以看出，复合传感器温度模块具有良好的测量精度，决定系数2为0.99，满足测量要求。

图6 温度标定结果

2.3 传感器的测量半径

传感器测量半径测试结果如图7所示，当土层表面距离探头17 mm时，土壤水分测量模块的输出电压发生较大变化，因此，复合传感器水分测量模块的有效测量半径为17 mm。由于基质势探头使用了同轴多孔的设计结构，其测量半径只局限在探头内部，不受外部土层移除的影响。

图7 传感器有效测量半径测试结果

2.4 传感器的响应时间

复合传感器的响应时间如图8～图9所示。由图8可知，从传感器开始响应直至输出电压稳定的时间约为450 ms。由图9可知，在70 s左右，传感器输出电压开始出现大幅快速变化，在100 s时，传感器输出电压变化速度放缓，并在150 s时到达平衡。

图8 土壤水分探头响应时间

图9 土壤基质势探头响应时间

试验开始时基质势探头与饱和土壤的基质势差距很大，在60～100 s时，基质势探头处于快速吸水的阶段，随着基质势探头与饱和土壤的水势差减小，在100～150 s时基质势探头的吸水速度减慢；在150 s后，基质势探头与饱和土壤达到水势动态平衡，传感器输出变化近似为0。全过程基质势探头的水势变化趋势是先快后慢的，基质势探头的响应时间为150 s。

2.5 传感器的稳定性

将复合传感器埋入湿润土壤中静置4 h，待土壤中水分运移完成后开始进行复合传感器的稳定性测试，此后的72 h内，复合传感器的基质势、水分输出值保持稳定，变化幅度均小于10 mV（图10）。环境温度由于空调的缘故有所起伏波动。结果可体现复合传感器具有良好的稳定性。

2.6 温度效应校正

由于温度变化会导致电路相关参数的改变，进而影响传感器输出，复合传感器设计的温度模块可以准确测量环境温度，为土壤水分和基质势测量进行温度校正。为探究温度与传感器输出电压的关系，将传感器空载放入恒温箱中，在-25～45 ℃的范围内，每隔15 min向上调整一次温度，记录传感器空载输出电压发生的变化，结果如图11，在空载条件下，温度由-25 ℃增加至45 ℃时，传感器的输出电压下降160 mV。根据经验，温度上升时，输出电压会随之升高，但复合传感器接入的传输线使得其输出呈负相关，传感器输出电压随温度升高而下降。根据不同温度下传感器实际输出值相比于25 ℃标定温度下的偏离量，在最终输出值加上当前温度产生的偏移量，可用于低温或高温环境下的温度效应校正。

图10 传感器的稳定性测试结果

2.7 土壤水分特征线的测试结果

SWCC具有温度效应，在不同温度下有所差异[31-32]，因此本文在25 ℃下对土壤水分特征线进行测定。分别使用商业化传感器和本文研制的复合传感器测定森林土壤、农田壤土和砂土的SWCC，如图12所示。由图12可知，2种方法测得的SWCC具有较好的一致性。试验过程的土壤变化是干燥-湿润-干燥，由于SWCC具有滞后性[32-33]，3种土壤的SWCC在相同水吸力情况下，干燥过程的土壤含水量大于湿润过程的土壤含水量。对于森林土壤，2种方法测定的基质势与水分的皮尔逊相关系数分别为0.962与0.983；对于农田壤土，2种方法得到的基质势与水分测量结果的皮尔逊相关系数分别为0.993与0.995；对于砂土，2种方法测得的基质势与水分的皮尔逊相关系数分别为0.979和0.998。结果表明，采用复合传感器测量土壤水分特征曲线获得的结果与传统分离测量方法的结果相近，可代替分离测量方法实现不同类型土样SWCC的测定。

图11 温度效应测试结果

a. 森林土壤 a. Forest soilb. 农田壤土 b. Farmland loamc. 砂土 c. Sandy soil

3 结 论

本文设计了一种同步观测土壤水分、基质势和温度的复合传感器，主要研究结果如下：

1）复合传感器水分和基质势标定后的决定系数2分别大于0.98和0.97，在测量范围内具有良好的线性输出。

2）复合传感器对于土壤水分、基质势、温度的测量范围分别为0～0.4 cm3/cm3与-1 500～-15 kPa和-15～45 ℃，同轴结构设计的基质势探头测量内外电极之间包裹的多孔石膏，水分探头的测量半径为17 mm。

3）将干燥的复合传感器探头埋置于饱和土壤中，测得水分探头的响应时间为450 ms，基质势探头的响应时间为150 s。

4）采用复合传感器分别测定森林土壤、农田壤土和砂土的土壤水分特征曲线（soil water characteristic curv，SWCC），与使用商业化传感器的分离测量方法获得的结果具有较好的一致性（皮尔逊相关系数大于0.96），本文研制的复合传感器可代替分离测量的方法，实现SWCC的原位测量。

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Development of a composite sensor for the soil moisture, matric potential and temperature synchronous measurement

LIN Yubin1, CHENG Qiang2, XIANG Ziwei1, YAN Xiaofei1※

(1.,,100083,;2.,,100083,)

Soil moisture content and matric potential are two important parameters for determining soil water characteristic curve (SWCC), which has significant differences for different types of soils. The common method to determine SWCC under field condition is using two separated sensors to measure moisture content and matric potential of the tested soils. However, measurement error may occur due to soil spatial heterogeneity around two sensors. In this study, a novel composite sensor was designed to simultaneously measure soil moisture content, matric potential, and temperature. The composite sensor consists of a 32-bit MCU main control chip, relay switching module, dielectric measurement module for determining soil moisture content and matric potential, and temperature measurement module. The main MCU control chip measures soil moisture content, matric potential, and temperature through controlling the relay switching, and performs temperature correction as well. The performances of the composite sensor were tested for soil moisture content and soil matric potential measurements including monotonicity, calibration, volume of sensitivity, response time, etc. To test the monotonicity of the dielectric mode, the length of high frequency transmission line was gradually increased and the sensor output was recorded when the probes of soil moisture content and soil water potential were moistened from dry to saturation. The three modes, soil moisture content, soil matric potential and temperature were calibrated respectively using forest soil, farmland loam and sandy soil. To determine the volume of sensitivity of the soil moisture content mode, the probe of soil moisture content was installed in a soil sample. The soil sample was gradually removed layer by layer and meanwhile the output of the soil moisture content was recorded. When the output started to decrease, the radius of volume of sensitivity was determined by measuring the thickness of residual soil layer from surface to the probe. To determine the response time of soil moisture content and soil matric potential modes, the composite sensor probe was firstly dried and then put into a saturated soil sample. Meanwhile, the output of the soil moisture content and soil matric potential was recorded as time elapse. When the recorded output of each mode did not remarkedly change, the elapsed time was the response time. Experiments for sensor observation were conducted using forest soil, farmland loam and sandy soil under laboratory condition at 25 ℃. The experimental results were compared with those measured using commercial instruments. The results showed that the composite sensor had a good monotonicity when measuring soil moisture content and matric potential in the range from dry to near saturation. After calibration, the composite sensor can determine soil moisture content, matric potential and temperature with high accuracies, achieving the determination coefficients larger than 0.98. The measurement ranges of volumetric soil water content and soil matric potential were 0%-40% and -1 500--15 kPa, respectively, which is feasible for most soil textures. The response time of the soil moisture content and soil matric potential was 450 ms and 150 s, respectively. The temperature coefficient of the circuit board of the composite sensor was yielded to correct the temperature induced output variation. The SWCCs of forest soil, farmland loam and sandy soil were determined using both the commercial instruments and the composite sensor during wetting and drying processes. The hysteresis between soil drying and wetting processes was also observed as expected. The Pearson correlation coefficients between the SWCCs measured by the two methods were larger than 0.96 during wetting and drying processes, i.e., 0.962 and 0.983 for the forest soil, 0.993 and 0.995 for the farmland loam, and 0.979 and 0.998 for the sandy soil. The composite sensor developed in this study can accurately determine soil water characteristic curves of different types of soils.

sensor; temperature; soil; matric potential; characteristic curve

10.11975/j.issn.1002-6819.202211187

S237

A

1002-6819(2023)-06-0035-09

林昱槟，程强，向梓薇，等. 土壤水分-基质势-温度复合传感器研制[J]. 农业工程学报，2023，39(6)：35-43.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202211187 http://www.tcsae.org

LIN Yubin, CHENG Qiang, XIANG Ziwei, et al. Development of a composite sensor for the soil moisture, matric potential and temperature synchronous measurement[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(6): 35-43. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202211187 http://www.tcsae.org

2022-11-22

2023-03-02

国家自然科学基金资助项目（31971576）

林昱槟，研究方向为林业信息检测。Email：lybfjha@163.com

颜小飞，博士，副教授，研究方向为林业生态信息智能监测。Email：yanxf@bjfu.edu.cn