基于FBG 的农业大棚土壤温度测量与研究

钱蔡华，冯 飞，赵 恒，李国利

（1.盐城工学院 机械工程学院，盐城 224051；2.金陵科技学院 机电工程学院，南京 211169）

随着社会老龄化和农业劳动力的减少，农业生产成本也相应提高，农业大棚一定程度上减少了土地成本和人工成本。土壤温度是直接或间接影响植物生长的重要因素，土壤温度影响种子的萌发、水分和营养吸收等生长过程[1]。不同的农作物的生长对土壤温度的要求不同，稳定的土壤温度是农作物正常生长的重要保证之一[2]。因此，监测土壤温度场，研究其变化规律，对农业生产实时服务和理论研究都具有重要意义。

针对土壤温度场国内外学者开展大量研究。文献[3]提出一钟新型电子式压力温度监测系统，通过对压阻传感器进行温度补偿，使得测量精度得到提高；文献[4]选择使用铂热电阻PT1000 测量土壤温度变化，为了保证测量精度采用三线制接线方法进行测量，只能作用于局部温度的测量，不适合分布式测量；文献[5]使用热电偶温度传感器测量土壤温度，但为了保证测量的准确度，必须采用一个基准点对每个节点进行校正。此外传统的电式传感器具有稳定性差、传输距离短和易受电磁场干扰等缺点；文献[6]利用红外成像技术，研究了不同塑料薄膜覆盖的土壤在不同瞬间的温度变化规律；文献[7]利用热红外遥感技术对林区土壤温度进行监测。红外成像的非接触式的测量方法效率低，通用性差且成本较高；文献[8]在流体力学的基础上，利用FLU ENT15.0 进行稳态和非稳态进行数值求解，采用组分运输模型和DO 模型分别对湿度和太阳辐射进行了三维数值模拟；文献[9]开发并发现了一种新的余弦模型和伪传热模型，这些模型可以更好地预测大范围土壤温度；文献[10]基于最近两年的土壤温度测量数据对SHAW 模型进行了校正和验证，建立预测模型的办法仅适用于温度预测和理论研究，模型结果和实际测量结果往往有较大的出入，难以实现实时测温。

针对以上问题，本文提出一种基于FBG 传感器阵列的分布式土壤温度检测方法。光纤光栅传感器具有体积小，对测量物体影响小，抗电磁干扰，使用寿命长，具有耐高温高压、耐腐蚀等优点，适合在恶劣环境中长时间工作。在土壤的不同深度布置基于波分复用和空分复用技术的FBG 传感器阵列，实现多层实时测温，保证农作物的正常生长。

1 FBG 传感阵列土壤测温原理

1.1 FBG 温度传感原理

光纤光栅传感器属于波长调制型光纤传感器，通过外界待测量物理参量对波长的调制来获取信息，实现传感检测。沿着光纤轴向方向纤芯折射率呈周期性变化，形成一个窄带的滤光器或者反射镜。由耦合模理论可知光纤光栅的Bragg 波长为

式中：neff是光纤纤芯有效折射效率；λB是光纤光栅的中心波长；Λ 是光栅栅格周期。当光纤纤芯有效折射率和实际调制周期随着温度产生变化时，引起的光纤光栅Bragg 波长变化为

光纤轴向应变εz引起光纤光栅Bragg 波长变化为

式中：Pe为有效弹光系数其中，p11和p12为弹光系数；μ 为光纤泊松比；Kε为光纤光栅相对波长应变灵敏度系数。与温度类似，ΔλB与εz也成线性关系，由ΔλB可方便求出外界应变εz。

1.2 FBG 阵列土壤温度测量系统

采用波分复用和空分复用技术构建的FBG 阵列土壤温度测量系统。一条传输光纤上串接7 个不同中心的FBG。本研究使用FBGn1～FBGn5来测量地表下多层土壤温度。将FBGn1～FBGn5传感器表面涂上不固化的稀释的导热硅脂后放入不锈钢钢管中，导热硅脂充分填满光纤和不锈钢管之间的空隙，保证FBG 温度传感器在钢管内不会移位导致测量结果出现误差。不锈钢管上端口采用环氧树脂填充，使不锈钢管口密封并固定光纤。FBG 传感器串尾部保持自由松弛状态，避免在温度测量中其他力对FBG 产生干扰。

可调谐激光器输出的窄带光源其波长可在一定范围内变化，激光器扫描频率及波长通过驱动器控制。窄带激光通过环型器射入到FBG 阵列中，光开关可以选择不同的传感通道。当光源波长与FBG的某一段中心波长一致时，反射信号光强最大，反射光信号经环型器到达光电转换器并被转换为电信号，数据处理计算采用寻峰算法获取信号电压峰值实现对FBG 的波长解调，比较各FBG 中心波长及变化量可推算被测温度及FBG 定位。

2 FBG 标定与传感器布置

2.1 FBG 标定

实验中使用了2 个FBG 传感器串，每串刻有7个光栅，共14 个FBG，FBG 栅区长度为10 mm，带宽大于2 nm，传输光纤长10 m，但本实验只用到5个光栅。实验前需要对各FBG 进行温度标定，将标定FBG 传感器放入温控箱内，设置温控箱温度从10℃～70℃，以10℃温度间隔对应一个温度值并记录FBG 中心波长。经测试各传感器中心波长变化与温度呈良好的线性关系。

2.2 实验材料及设备

实验系统主要包括光纤光栅解调仪、FBG 传感器串、土壤湿度测量仪、太阳功率计等。设备型号如表1 所示。其中光纤光栅解调仪覆盖波段为1525 nm～1565 nm，扫描频率100 Hz，波长分辨率1 pm。

实验时将封装了FBG 串的不锈钢管垂直埋入被测土壤中，FBGn1～FBGn5分别用于测量地表下5 cm、15 cm、25 cm、35 cm、45 cm 处土壤温度。在每个埋入地下的FBG 附近布置湿度传感探头用于测量对应位置的土壤湿度。在测试点地表放置太阳功率计来测量太阳辐射功率。

3 实验与结果分析

3.1 土壤温度场日变化测量与分析

实验地点选择在金陵科技学院幕府校区农业大棚，土壤类型为黄棕壤。试验时提前将封装好的FBG 传感器串埋入土壤，并对测试区域充分浇水，使土壤与传感器探头充分接触。测量时间为24 h，每隔5 min 采集一次数据。试验时间段内天气晴朗，测量结果如图1 所示，T05、T15、T25、T35、T45 分别表示深度为5 cm、15 cm、25 cm、35 cm、45 cm 处土壤温度。

图1 土壤温度场日变化测量结果Fig.1 Measurement results of daily variation of soil temperature field

对图1 所示的温度日变化曲线分析如下：土壤浅层温度日变化曲线接近余弦函数模型，土壤深层（45 cm 以下）温度基本处于恒温状态。随着深度增加，土壤温度变化逐渐减小，振荡幅度逐渐减弱。

3.2 土壤湿度对温度场的影响

将封装好的2 个FBG 传感器串分别埋入2 处测试区域，并进行不同程度的浇水，使2 处测试区域土壤湿度明显不同，等待24 h，使水分充分渗透到深层土壤再进行测量。测试时间为25 h，每隔2 min 采集一次数据，试验时间段内天气晴朗。土壤温湿度测量结果如图2 和图3 所示。M05、M15、M25、M35、M45 分别表示深度为5 cm、15 cm、25 cm、35 cm、45 cm 处土壤湿度。

图2 区域1 土壤温度场测量结果Fig.2 Measurement results of soil temperature field in area 1

图3 区域2 土壤温度场测量结果Fig.3 Measurement results of soil temperature field in area 2

通过分析图2 和图3 的测量结果可知：土壤湿度越大，浅层土壤温度越低，土壤湿度对深层土壤温度数值影响较小，相比中等湿度的土壤，湿度较大土壤的温度峰值滞后效应更加显著。

3.3 太阳辐射功率对土壤温度场的影响

试验前对区域1 和区域2 两处进行相同程度灌溉，使其土壤湿度基本相同。在测量前采用遮阳网对B 测试区域进行阳光遮挡，使B 处测试区域免受太阳直接辐射影响。测试时间段为4 月23 日10：30～4 月24 日15：30，试验时间段内天气晴转多云，测量结果如图4 所示。

图4 太阳辐射功率对土壤温度场的影响Fig.4 Effect of solar radiation power on soil temperature field

分析测量结果可知：受太阳辐射功率波动的影响，浅层土壤温度波动较为显著，而且两者波动频率基本一致。遮阳网对太阳辐射的遮挡降低了土壤的温度，对浅层土壤温度影响较大。

4 结语

针对土壤温度场检测问题，采用波分复用技术和空分复用技术相结合的方法设计了一种基于分布式FBG 传感器的土壤温度场检测系统。将封装了光纤光栅串的不锈钢管垂直埋入被测土壤。搭建实验平台在农业大棚环境下进行了温度测量实验，得到了土壤温度场分布情况，实验结果如下：土壤各层温度随地表气温周期性变化呈周期性变化。随着深度增加土壤温度变化逐渐减小，最终趋于恒定。白天浅层土壤温度显著高于深层土壤温度，而夜间地下温度略高于地表温度。在一定的湿度范围内，土壤湿度越大，浅层土壤温度越低。土壤湿度对深层土壤温度影响较小。