电容式谷物水分传感器探头设计与试验

针对谷物水分传感器安装困难的问题,基于边缘电容效应设计一种同心圆平面电容式水分传感器探头。通过建立仿真模型,分析可行性,并通过试验研究探头结构变化对探头测量灵敏度和测量范围的影响,最终确定探头尺寸结果的最优组合。当电极的极间距与宽度的比值为5、驱动电极的数量为1时,传感器探头的灵敏性和测量范围最优。以小麦为研究对象,试验表明小麦含水率与输出电容值之间存在二次线性回归,并研究温度对输出电容的影响,建立水分检测模型,在温度为-5℃~40℃、含水率为10%~30%内,相关系数R2为0.997,均方根误差RMSE为0.359。所设计的传感器探头可以满足不同时期小麦含水率测量精度需求,为小麦水分检测提供一种新的传感器探头形式及设计方法。

施肥对TDR土壤水分传感器测量精度的影响研究

为明析施肥对时域反射法(TDR)土壤水分传感器测量精度的影响规律,并提出适宜的标定方法,以提高其测量精度。以TDR土壤水分传感器作为研究对象,考虑土壤质地、土壤含水率、施肥量3个因素,选取新疆棉花主产区喀什的壤质砂土、克拉玛依的粉质壤土、昌吉的粉砂质黏壤土,设5个土壤含水率水平,5个施肥水平,共计75个处理;以烘干法为基准,建立了TDR土壤水分传感器标定模型,并进行验证。结果表明:在不同土壤含水率条件下,TDR传感器误差随着含水率的增加整体呈增大的趋势。同一含水率时,壤质砂土条件下的TDR传感器误差随施肥量的增加整体呈现增大的趋势;粉质壤土条件下的TDR传感器误差随施肥量的增加呈先减小后急剧增大的趋势;粉砂质黏壤土条件下的TDR传感器误差随施肥量的增加呈先增大后减小再增大的趋势。建立了TDR土壤水分传感器输出值与施肥量、含水率之间的多元回归预测模型并采用Logistic模型进行了标定,壤质砂土、粉质壤土、粉砂质黏壤土试验条件下标定后的平均绝对误差分别为-0.18%、1.46%、0.01%,表明考虑施肥量及含水率的变化对TDR传感器检测精度的提高有积极作用。

9种介电类水分传感器对风沙土含水率的测定精度及校准模型比较

【目的】比较不同水分传感器对风沙土含水率的测定精度,并建立校准模型,为旱区农业水土资源的高效利用提供理论依据。【方法】以METER、Acclima和Truebners三大制造商生产的9种介电类水分传感器为对象,以典型风沙土为供试土壤,通过室内校准试验比较各种传感器对土壤含水率的测定精度,评估其在风沙土上的适用范围、准确度、精密度及其影响因素,并构建不同传感器测定风沙土含水率的校准模型,比较不同校准模型的精度。【结果】(1)默认模型下,与其他传感器相比,MAS-1和EC-5的测定精度较高,其均方根误差(RMSE)分别为0.020和0.027,平均偏差误差(MBE)分别为0.016和0.024,斜率(k值)分别为0.9433和0.9403,决定系数(R^(2))分别为0.926和0.938。(2)土壤含水率范围影响传感器的测定精度。各传感器在低含水率下的RMSE平均值比中、高含水率分别减小了40.9%和42.6%,MBE平均值减小了61.8%和59.9%,而R2平均值提高了0.7%和11.3%。其中,低含水率时EC-5和TDR-315H的精度较高,而中、高含水率下MAS-1的精度均较高。对于含水率相同的土壤,各传感器的测定结果差异较大,且含水率越高差异越大。(3)与默认模型相比,校准模型的RMSE和MBE平均减小了48.8%和72.6%,纳什系数(NSE)和R2提高了70.7%和4.5%。经模型校准后,5TE和TEROS-12测定精度的增幅最大,而TDR-315H的测定精度相对最高。此外,传感器测定的风沙土含水率默认值与校准值具有较高的拟合精度,通过模型转换可实现对默认值的二次校准。【结论】综合评估测定精度、使用寿命和售价,MAS-1、EC-5和TDR-315H可作为风沙土含水率监测的优先传感器备选,且利用风沙土的校准模型对传感器进行标定十分重要。

路基路面野外观测站土壤水分传感器标定方法研究

为探明路基路面野外观测站土壤水分传感器的有效标定方法,以准确监测不同环境条件下公路路基路面各结构层含水率的量值及变化规律,采用标准土样法对拟用于三江至柳州高速公路路基路面野外观测站的土壤水分传感器进行了标定,并以观测站钻孔施工挖出的路基土样为比对土样,将传感器法与烘干法的测量结果进行了比对分析,验证了标准土样法标定土壤水分传感器的有效性与适用性,对制定合理有效的公路工程专用土壤水分传感器校准规范具有重要的参考意义。结果表明:标准土样法是有效的路基路面野外观测站土壤水分传感器标定方法。

介电法土壤水分传感器研究进展

土壤水分传感在精准农业研究过程中起着关键作用。以介电法土壤水分传感器为例,系统地总结了土壤水分传感器的分类和传感器的特点,分析了现有技术、土壤温度、土壤湿度、土壤类型、土壤盐分对介电法土壤水分传感器测量精度的影响比例,提出了如何加强土壤水分传感器测量精度的方法,以期有助于更好地了解和应用土壤水分传感器。

基于频域反射的环式农田土壤水分传感器的开发与试验验证

针对农田灌溉土壤含水量的监测需求,设计开发一种基于频域反射(frequency domain reflectometry,FDR)法的环式土壤水分传感器,并选取砂土、砂壤土、粉壤土和黏土4种类型的土壤对FDR传感器进行实验室标定。标定过程中将土壤体积含水量θ_(v)与FDR传感器电路的振荡频率S_(F)采用指数函数■θ_(v)=aS_(F)^(b)进行拟合来确定a、b参数,从而建立S_(F)与θ_(v)对应关系。实验室标定结果表明:当FDR传感器安装深度为15 cm时,振荡频率S_(F)与土壤体积含水量θ_(v)的拟合效果较好;在5 cm深度处,FDR传感器离土表距离较小,电磁波受到表层空气的干扰,导致数据测量不稳定,两者数据拟合效果稍差。在此基础上,将在实验室标定后FDR传感器安装于玉米田进行野外精度检定,与取土烘干法对比分析发现FDR传感器可以较好地反映土壤水分的动态变化,且精度符合行业标准的要求。

扰动空隙对稻谷电容式水分传感器精度的影响

[目的]揭示扰动空隙对电容式稻谷水分传感器检测精度的影响规律。[方法]基于Ansoft Maxwell静电场分析模块,建立并试验验证了稻谷群粒电容分析模型;基于上述模型,分别对平行极板式、同轴极板式、平面极板式电容谷物水分传感器开展了扰动空隙模拟试验。[结果]稻谷含水率为11.39%~30.30%,群粒表观介电常数随含水率升高而增大,平均变化范围为5.74~41.13;稻谷群粒电容分析模型计算结果的相对误差小于5%,证实了该分析模型的有效性;扰动空隙模拟试验显示,扰动空隙越大,引起的水分检测误差越大;相同扰动空隙下,含水率越大,检测误差越大,扰动空隙分布在不同的位置对检测的影响程度不一样,分布在电容器中电场线越密集的区域,引起的误差越大;此外,模拟试验获得了3种不同类型的电容式稻谷水分传感器的平均检测极差分布规律,表明平行极板水分传感器检测精度受扰动空隙影响最小,同轴极板次之,平面极板受影响最大。[结论]研究结果对优化电容式谷物水分传感器设计、降低扰动空隙引起的检测误差、提高检测精度和可靠性等方面具有参考意义。

基于太阳能的无线土壤水分传感器的研制

为实现土壤水分的自动检测与无线传输,采用电场法检测土壤质量含水率,利用Zigbee技术构建无线传感网络实现数据传送。利用太阳能电池收集太阳能并存储于锂电池中,实现对系统供电。通过合理的充放电管理,能有效地延长锂电池寿命。试验结果表明,该传感器能够实现0～30%间的土壤质量含水率的测量,相对误差小于10%。利用Zigbee模块及MiWi(TM)协议栈构建星形网络能实现数据无线传输。当节点发射功率为1mW时,在无阻挡条件下可靠传输距离为30m,在有农作物遮挡时,可靠传输距离为10m左右。在1h采集发送1次数据及正常天气条件下,系统能自动持续工作。在连续阴雨天气条件下,系统能正常工作7～20d。

基于TDR-3的土壤水分传感器标定模型研究

无线传感器网络为土壤水分实时采集提供了经济、方便的途径,对分析土壤含水量时空变异和作物生长气候变化意义重大。将无线传感器网络与TDR-3土壤水分传感器结合实现土壤水分实时监测。为了克服TDR-3土壤水分传感器的非线性缺陷,提出利用最小二乘法对土壤水分曲线进行分段线性标定的方法,并采用相关性系数进行精度验证。实验结果表明,分段线性法所建立模型的精确度较高,而且标定模型简单实用、可行。通过标定模型的研究,使得土壤水分的无线传感器网络能够较精确地进行土壤水分的实时监测。

多路数据采集与处理模型的设计及水分传感器埋设位置优化

为优化土壤水分传感器的埋设位置,该文针对宁夏日光温室滴灌黄瓜田间的土壤水分传感器埋设位置进行优化试验,确定出最佳埋设深度和宽度。利用最小二乘法对澳大利亚生产的MP406土壤水分传感器进行标定,得到水分利用效率的拟合值与实测值的相关性系数为0.9906。设计了多路数据自动采集监测与灌溉系统,可同时获取不同处理的18个水分传感器数据,通过远程客户端实时下载和监控水分数据并实现自动灌溉,通过远程手机短信监控功能,进行手机短信命令控制一个或多个处理的实时灌溉,系统可同时测量不同处理的灌水量。计算水分利用效率和产量,分析传感器水分数据的差异和相关系数,确定出土壤水分传感器在宁夏日光温室滴灌黄瓜田间的最佳埋设深度和宽度位置,该研究方法为确定土壤水分传感器的埋设深度及宽度提供可行的参考方案。

EC-5土壤水分传感器温度影响机理及补偿方法研究

针对EC-5传感器温度实验中出现的两种截然不同现象,根据温度对土壤介电常数和电导率影响的机理分析,建立土壤水分传感器测试结果随温度变化的理论模型。通过对模型的仿真分析发现,EC-5传感器测得的土壤水分含量随温度变化的趋势与土壤电导率密切相关。利用最小二乘支持向量机对传感器的温度实验数据建立补偿函数并提出相应补偿算法,有效地抵消了温度变化造成的传感器测试误差。

土壤剖面水分传感器探头仿真与试验

为准确掌握土壤墒情信息,针对农田环境下不同作物根区土壤含水率变化难以实时观测的问题,对土壤剖面水分传感器探头进行了仿真,并通过试验验证,给出了传感器探头设计尺寸的优选方案。在建立传感器探头微量化平面电容二维模型的基础上,分析了传感器探头结构变化对探头微量化平面电容周围电场强度和电容变化的影响,确定了探头结构尺寸的最优组合。当探头铜环电极外径40 mm、内径38.4 mm、轴向长度20 mm、轴向间距15 mm时,探头的灵敏性和探测范围最优。试验结果表明,本文研究的土壤剖面水分传感器测量精度为±1.42%,具有很高的稳定性和一致性。所设计的传感器探头可以根据实际测量深度需要任意组合,满足不同作物根区深度的土壤含水率测量需求。

FDS土壤水分传感器的两步标定法

在有机溶液、砂土和基质(泥炭、蛭石、珍珠岩质量比4.5:4.5:1.0)中对基于频域(FD)原理的FDS系列水分传感器进行了测试,并根据实验结果对其阻抗特性、一致性和测量精度进行了分析。传感器的标定工作分2步进行,首先利用有机溶液建立传感器输出电压信号V与介电常数ε的关系,然后通过Topp公式间接得出传感器输出信号与土壤含水率之间的关系。在砂土和基质中的实验结果表明,采用两步标定法标定后,FDS系列传感器测量得到的砂土和基质含水率与烘干法得到的含水率的相关系数分别为0.90和0.95,其输出电压与ML2型传感器输出电压的相关系数>0.99,表明该标定方法能够满足测量精度要求。

土壤水分传感器(FDR)在作物精准灌溉中的标定与应用

随着农业现代化的发展,大田及各种大棚环境条件下的作物栽培对灌溉的要求越来越高,基于用土壤水分传感器的精准灌溉系统正逐步应用到设施农业当中。由于土壤水分传感器测定土壤水分含量时受土壤质地和压实程度的影响较大,为减小测定误差设计了相关试验,通过研究明确了在同一土壤水分条件下(15%)土壤容重与水分传感器输出电压值的关系。提出了用田间原状土对土壤水分传感器进行水分特征曲线的标定方法,并在生产中得到了应用,降低了精准灌溉系统土壤水分测定的误差。

基于电容法的非接触式土壤水分传感器设计与性能分析

针对接触式土壤水分传感器存在对土体破坏大及使用安装、更换困难等问题,设计了一种基于电容法的非接触式土壤水分传感器。借助网络矢量分析仪对传感器环形探头在不同介电常数的有机溶液中进行测量,确定了传感器环形探头电容变化范围为7.08~22.75 p F。选取11种不同电容值高频瓷片分别与102 n H的绕线电感进行并联谐振试验,得到的测试结果与仿真结果的决定系数达到了0.98,检测电路的测量精度能够满足传感器的设计要求。以北京地区粘壤土作为测试样本,对传感器输出与对应的测量值进行了多项式拟合,决定系数达到了0.995 9,系统的稳态与动态性能均能满足土壤水分的检测要求。通过试验分析了温度对传感器输出的影响,将传感器输出结果与温度进行线性拟合,决定系数达到了0.987 9。进一步提出了能量指数Ka,通过试验的方式确定了传感器的纵向影响范围为10 cm,横向影响范围为5 cm。最后对比试验表明,所设计的土壤非接触式水分传感器与国外同类产品性能相当,能够满足土壤非接触式测量的要求,但具有更高的性价比,为同类产品的国产化奠定了基础。

土壤理化特性对土壤剖面水分传感器性能的影响

针对土壤理化特性变异影响土壤剖面多点水分传感器测量误差的问题,面向土壤剖面水分测量,设计了一种高频电容式水分传感器,通过试验分析了土壤温度、电导率、容重等土壤理化特性变异对传感器输出电压的影响,采用统计回归处理方法,建立了基于温度影响下的土壤水分修正模型,并对传感器的性能进行了检验。试验结果表明:在5～45℃范围内,传感器输出电压随土壤温度升高而线性递增;电导率大于2 mS/cm时,传感器输出电压随电导率增大而逐渐减小;容重增加使得传感器输出电压呈减小趋势;在常温下此水分传感器测量值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4.70%,均方根误差为0.025 24。

基于驻波率原理的土壤水分传感器的测量敏感度分析

土壤水分测量方法中 ,有效测量范围 (即测量敏感区域 )是一个重要问题。该文运用探针的静电场分布 ,分析由基于驻波率 (SWR)原理的快速土壤水分传感器的测量敏感度 ,分析了 SWR型土壤水分传感器的有效测量土体 ,输出电压与土壤体积含水率之间的最大线形区域 ,得出了

干旱荒漠区EC-5土壤水分传感器的校准和应用

应用EC-5土壤水分传感器在沿黄干旱荒漠绿洲地区的风沙土和粘土两种土壤类型中对不同土层深度的土壤含水率进行测定,同时以烘干称重法测定数据为标准值,采用回归分析方法建立EC-5在两种土壤中测定含水率的校准模型。结果表明,风沙土的校准模型为线性函数,且与埋设土壤深度有关,QS=0.71393S+0.01543D+1.71354(R2=0.920,P<0.05),D为土层深度(cm),S为传感器输出值(%);粘土的校准模型则为非线性的,lnQN=1.112S0.316(R2=0.949,P<0.05)。通过模拟回代结果显示,模拟值与标准值间均具有显著的相关性。在EC-5的应用验证阶段,校准值能够反映该地区风沙土和粘土土壤含水率的年变化特征,校准值与传感器输出值之间呈极显著相关关系(P<0.01),说明EC-5土壤水分传感器的校准模型稳定可靠,应用效果良好。

番茄种植地土壤水分传感器最佳埋设深度试验

土壤水分传感器测定土壤含水率从而指导灌溉,对于提高作物水分利用效率和产量都具有十分重要的意义。对番茄种植中产量与水分利用效率最佳的水分条件以及土壤水分传感器的最佳埋设位置进行了试验研究。结果表明,在开花坐果期土壤含水率下限控制在60%的田间持水率,结果盛期土壤含水率下限控制在75%的田间持水率是番茄生长的最优水分条件;同时,10—20cm土层土壤含水率能很好地代表计划湿润层内的平均土壤含水率(开花坐果期和盛果期R2分别达到0.95和0.85以上),把土壤水分传感器埋设于此土层深度比较合理。

基于原状土柱土壤水分传感器率定方法的研究

土壤水分传感器在现场安装后,需要针对现场土壤状况对其进行率定,以便校准率定关系。在工程实践中,土壤水分传感器现场率定是一项步骤繁杂、操作要求高、现场取土难度大、耗时较长的一项工作,严重困扰工程项目的实施。开展基于原状土柱率定土壤水分传感器研究,通过现场采集原状土柱,在实验室浸泡至饱和后取出,让土壤水分自然散失,用称重法定期称量原状土柱重量,同时记录土壤水分传感器原始测量值,以此来研究土壤水分传感器的工程率定问题,探讨提高现场安装的土壤水分传感器率定效率的方法,具有现实意义。