土壤水分剖面测量系统设计与应用性能检验.pdf

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1、第26卷第6期422010年6月农业工程学报TransactionsoftheCSAE、，01．26No．6Jun．2010土壤水分剖面测量系统设计与应用性能检验付磊，孙宇瑞(中国农业大学精细农业研究中心，北京100083)摘要：针对农田环境下观测不同作物根区土壤水分变化的实际需要，研制了一种可快速获取0～200ClTI深度范围内土壤剖面含水率的传感器及其测鼍系统。其中水分传感器工作原理为基于电容边缘场效应测量电极周围介质的介电常数，与土壤接触采用PVC套筒式结构，深度测量为霍尔磁敏传感器阵列，测量系统数据处理平台为PDA。对于测量方

2、法的理论研究，该文给出了传感器工作原理的解析分析，进一步提出了传感器应用性能检验的试验方法。结果表明，该传感器性能指标达到实际应用需求，具备应用推广价值。关键词：土壤水分，传感器，测量，剖面，标定，检验doi：10．3969／j．issn．1002—6819．2010．06．008中图分类号：s152．7文献标识码：A文章编号：1002—6819(20lO)一06—0042—05付磊，孙宇瑞．土壤水分剖面测量系统设计与应用性能检验[J]．农业工程学报，2010，26(6)：42—46．FuLei，SunYurui．Designanda

3、pplicableevaluationofinstrumentfordeterminingsoilmoistureprofile[J]．TransactionsoftheCSAE，2010，26(6)：42—46．(inChinese谢tllEnglishabstracO0引言中国是世界上水资源严重匮乏的国家之一，农业用水占社会总用水量的80％以上，水的有效利用率只有40％，仅为发达国家的一半左右，发展农业节水势在必行。实时、准确地掌握农田土壤水分信息，对研究作物生理水胁迫规律、实施节水灌溉、提高农业生产效益具有重要意义【11。测量土

4、壤水分的方法有多种，如烘干法、介电法、电阻法、张力计法掣引。近年来，基于介电原理的测量方法以其便捷、可靠的优点得到了广泛的关注【3j】。目前应用的介电式水分传感器探头多为针式结构，探针长度通常在30cm以内，主要应用于表层土壤含水率的测量【乱引。对于不同层深的土壤含水率测量，这种结构有很大的局限性【9J。例如，为了研究降雨在农田环境下的运移过程，实时测量不同深度下土壤水入渗的梯度变化经常是需要的【l01。对于土壤水分剖面测量，国外已经在理论和试验方面进行了研究，并且已有商业化的产品，如英国的PR2型土壤剖面水分仪，国内在此方面的研究相

5、对较少⋯】。对此本文设计了一种土壤水分剖面测量系统，水分探头以一对圆环作为敏感元件(相当于电容器的两个极板)，圆环作为考毕兹振荡器LC谐振回路的一部分，通过测量振荡器输出频率得到探头端口阻抗幅值，间接获取土壤含水率，该方法首先由Dean等人于1987年应用在土壤水分的测量。传感器采用套筒式滑动结构，因此适合不同层深土壤水分的测量。此外，本文对这种测收稿时间：2009-10—19修订时间：2009．12-03基金项目：国家自然科学基金面上项目(30871454)作者简介：付磊(1984一)，男，山东临沂人，主要从事农田土壤水分FD测量方

6、法的研究。北京中国农业大学精细农业研究中心，100083。Emaihleafu@foxmail．corn※通信作者：孙宇瑞(1954一)，男，北京人，教授，博士生导师，主要从事含水土壤物理特性测量理论与方法的研究。北京中国农业大学精细农业研究中心，100083。Email．．pal@cau．edu．∞量系统的传感器工作原理、硬件与软件系统设计给出了详尽的描述，并提出了一种套筒结构传感器的应用性能检验方法。1测量系统结构该测量系统总体结构如图1所示，它包括水分传感器、操作杆(内含深度传感器)、PVC套筒、项盖、数据采集器(PDA)等。水

7、分探头固定在操作杆末端，外形呈圆柱状，由PVC材料制成，内含水分测量电路，外壁镶嵌一对金属环状电极。操作杆中空，内含深度传感器。测量之前首先用专用土钻在农田中定点打孔埋管，埋设套筒深度即为可测量土壤水分的最大深度。套筒埋置过程需要注意保持管壁与土壤的紧密接触，否则管壁与土壤问的气隙会引起测量误差。测量时将水分传感器探头放入预埋的PVC套筒内，将顶盖扣在套筒顶部，手持操作杆纵向滑动，即可完成该点土壤水分随不同层深的2D数据采样，与此同时PDA作为数据采集器实时显示来自水分传感器的剖面水分测量结果。图1系统结构示意图Fig．1Schema

8、ticofthesystemconfiguration第6期付磊等：土壤水分剖面测量系统设计与应用性能检验432测量原理解析分析众所周知，土壤由液、气、固三态构成，属于典型的多孔介质。其中水的相对介电常数为81，土壤固体