管式土壤水分傳感器探頭的研制

呂　東，王新忠，劉　飛，沙劉云

(1.江蘇大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江　212013；2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上?！?01804；3.昆山市永宏溫室有限公司，江蘇 昆山　215332)

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管式土壤水分傳感器探頭的研制

呂東1，王新忠1，劉飛2，沙劉云3

(1.江蘇大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013；2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海201804；3.昆山市永宏溫室有限公司，江蘇 昆山215332)

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于電場(chǎng)邊緣效應(yīng)的管式土壤水分傳感器。為了研究圓環(huán)電極幾何結(jié)構(gòu)對(duì)水分傳感器靈敏度及有效測(cè)量范圍的影響，采用有限元分析軟件Maxwell分析了不同參數(shù)組合下探頭的電場(chǎng)分布和電容變化，得到了傳感器探頭最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。試驗(yàn)表明：優(yōu)化后的土壤水分自制傳感器測(cè)量值與傳統(tǒng)烘干法測(cè)量值對(duì)比，兩者決定系數(shù)R2=0.997 6，最大絕對(duì)誤差為1.60%，提高了傳感器的測(cè)量精度，可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中。

關(guān)鍵詞：土壤水分；土壤剖面；傳感器；邊緣效應(yīng)

0引言

對(duì)土壤剖面不同深度的水分進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能及時(shí)了解土壤墑情和空間立體分布，對(duì)研究作物生理水分脅迫規(guī)律、實(shí)施合理灌溉及提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益具有重要意義[1-4]。

目前，絕大多數(shù)土壤水分傳感器的探頭都是探針結(jié)構(gòu)[5-7]，這些傳感器只適于農(nóng)業(yè)表層土壤含水率測(cè)量, 難以滿足深土層條件下土壤含水率測(cè)定的需求[8]。若要實(shí)現(xiàn)土壤剖面不同深度的水分測(cè)量，則需沿剖面穿插數(shù)個(gè)傳感器，成本倍增，能耗較大。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼展開(kāi)了利用電場(chǎng)邊緣效應(yīng)的管式土壤剖面水分傳感器的研究[9-13]。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)土壤結(jié)構(gòu)破壞較小，基本不影響土壤水分的自由交換，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出土壤某一深度的含水率，并且可以通過(guò)簡(jiǎn)單組合形成不同深度的多點(diǎn)土壤水分測(cè)量傳感器。但是，當(dāng)前的研究大多集中在土壤類型及理化特性對(duì)傳感器測(cè)量結(jié)果影響方面[9-12]，對(duì)傳感器探頭自身幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的研究則比較少。

由于邊緣電場(chǎng)的分布非常復(fù)雜，在進(jìn)行傳感器的電場(chǎng)分析時(shí)，通過(guò)理論計(jì)算獲得傳感器電場(chǎng)分布的解析解比較困難，目前主要通過(guò)試驗(yàn)或軟件仿真分析的方法得到傳感器的電場(chǎng)分布。由于試驗(yàn)法對(duì)測(cè)量精度要求很高，需要非常精密的測(cè)量?jī)x器，且試驗(yàn)量大，存在人為誤差和干擾等不利因素，容易導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，甚至出現(xiàn)誤導(dǎo)性結(jié)果。因此，通過(guò)軟件仿真建模獲得傳感器電場(chǎng)分布具有非常重要的參考價(jià)值[14]。

邊緣電場(chǎng)管式土壤水分傳感器設(shè)計(jì)中，影響傳感器靈敏度和有效測(cè)量范圍的最直接和最重要的兩個(gè)幾何參數(shù)是兩圓環(huán)軸向間距和軸向長(zhǎng)度[14]。為了提高傳感器的測(cè)量精度，本文對(duì)邊緣電場(chǎng)土壤水分傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，采用有限元分析軟件MAXWELL仿真分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下圓環(huán)探頭的電容值及電場(chǎng)能量分布規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上給出了圓環(huán)探頭設(shè)計(jì)尺寸的優(yōu)選方案。

1圓環(huán)探頭電場(chǎng)的理論分析

邊緣電場(chǎng)管式土壤水分傳感器由1對(duì)圓環(huán)電極上下正對(duì)、嵌套于絕緣棒上構(gòu)成，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電極與感應(yīng)電極間形成的電場(chǎng)變化進(jìn)行測(cè)量。待測(cè)土壤環(huán)繞在圓環(huán)電極的周圍，所測(cè)得的將是以電極為兩極點(diǎn)向周圍輻射的一個(gè)橢球體區(qū)域內(nèi)的土壤含水量。其單節(jié)點(diǎn)探頭的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在工程電磁有限元分析中，可以從電場(chǎng)能量的角度來(lái)分析探頭電容值[15]，即有

(1)

其中，C為探頭電容值；U為構(gòu)成電容的介質(zhì)兩端的電勢(shì)之差；We為電場(chǎng)總的儲(chǔ)能。

電場(chǎng)總能量表示為

(2)

其中，We為電場(chǎng)總的儲(chǔ)能；D為電位移量；E為電場(chǎng)強(qiáng)度；Ω為有效電場(chǎng)區(qū)域的體積。

在電場(chǎng)區(qū)域中各點(diǎn)的電場(chǎng)能量為

(3)

其中，W為電場(chǎng)區(qū)域中各點(diǎn)的電場(chǎng)能量。

由式(1)～式(3)可知：探頭的電容與非均勻電場(chǎng)中電場(chǎng)能量成正比，電場(chǎng)能量高的地方電容高，即對(duì)傳感器的測(cè)量值影響大。本文通過(guò)定義變量L來(lái)描述傳感器測(cè)量范圍：L表示電極間對(duì)稱中線上能量最大值所在的點(diǎn)(記為Wmax點(diǎn))與能量為1/100最大值能量時(shí)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)(記為Wmax/100點(diǎn))之間的距離[16]。本文對(duì)于靈敏度的廣義定義為：傳感器輸出結(jié)果的變化量與引發(fā)該變化的輸入變化量之比。具體到本文所設(shè)計(jì)傳感器，是指在土壤含水率不同的情況下前后所檢測(cè)出的電容差值越大，表明傳感器靈敏度越高。

1.PVC絕緣管　2.PVC套筒　3.土壤　4.驅(qū)動(dòng)電極

2圓環(huán)探頭優(yōu)化尺寸的仿真分析

圓環(huán)探頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)該從探頭的靈敏度、測(cè)量范圍等幾方面考慮。本文采用Maxwell有限元分析軟件計(jì)算出探頭電容容量，進(jìn)而分析傳感器的靈敏度，通過(guò)仿真分析探頭周圍能量分布規(guī)律來(lái)刻畫(huà)傳感器的測(cè)量范圍，最終確定傳感器節(jié)點(diǎn)圓環(huán)探頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)選參數(shù)。

2.1圓環(huán)電極軸向間距對(duì)傳感器的影響

2.1.1圓環(huán)電極軸向間距與靈敏度的關(guān)系

圓環(huán)探頭電容器電容的大小同軸向間距有關(guān)，還受探頭表面土壤介電常數(shù)的影響。本文采用有限元數(shù)值計(jì)算方法，取圓環(huán)軸向長(zhǎng)度b=20mm，以圓環(huán)軸向間距a為參數(shù)，設(shè)定圓環(huán)探頭材料為紫銅，驅(qū)動(dòng)電極的電位為4.24V，感應(yīng)電極的電位為0V，PVC介電常數(shù)為3.0，圓環(huán)外徑R=19mm，PVC套筒厚度2mm。仿真計(jì)算探頭在不同土壤介電常數(shù)εi時(shí)的電容值C，如表1所示。

表1　不同軸向間距情況下圓環(huán)探頭電容的容值

εi為土壤介電常數(shù)(i=1,2,3)；ΔC12為不同εi之間的電容差值。

由表1可知：在相同圓環(huán)軸向間距a的情況下，隨著土壤介電常數(shù)ε的增加，圓環(huán)電容的容值也增加；隨著圓環(huán)軸向間距a增大，相同的軸向間距情況下探頭所感知的這兩種土壤的電容的電容差值就增大。也就是說(shuō)，在土壤介電常數(shù)ε不同的情況下，探頭所感知的電容差值將隨圓環(huán)電極軸向間距的增大而增大，因而傳感器的靈敏度也就越大。所以，在其他條件相同時(shí)，可以通過(guò)選擇圓環(huán)軸向間距較大的探頭，提高傳感器靈敏度。

2.1.2圓環(huán)電極軸向間距與測(cè)量敏感區(qū)域的關(guān)系

同樣，取圓環(huán)電極軸向長(zhǎng)度b=20mm，以圓環(huán)軸向間距a為參數(shù)，利用有限元法可計(jì)算電場(chǎng)能量沿對(duì)稱中線上的分布。圖2為土壤介電常數(shù)ε=12時(shí)電場(chǎng)能量沿對(duì)稱中線上的分布。

由圖2可知：對(duì)于同一介電常數(shù)的土壤，當(dāng)圓環(huán)軸向間距較小時(shí)，電場(chǎng)能量大，衰減較快；當(dāng)圓環(huán)軸向間距較大時(shí)，電場(chǎng)能量較小，衰減較慢。

圖3所示為不同圓環(huán)軸向間距a取值的情況下，對(duì)稱中線上Wmax點(diǎn)與Wmax/100點(diǎn)之間距離的變化，即近似為土壤水分傳感器探頭的測(cè)量范圍的變化。由圖3可以看出：在相同圓環(huán)軸向間距a的狀態(tài)下，隨著土壤介電常數(shù)變化，傳感器的測(cè)量范圍變化較??；隨著圓環(huán)軸向間距增大，傳感器的測(cè)量范圍也隨之增大。所以，在其他條件相同時(shí)，可以通過(guò)選擇圓環(huán)軸向間距較大的探頭來(lái)增大傳感器的測(cè)量范圍。

圖2　土壤介電常數(shù)為12時(shí)電場(chǎng)能量沿對(duì)稱中線上的分布

圖3　不同軸向間距a情況下電極的測(cè)量范圍

2.2圓環(huán)電極軸向長(zhǎng)度對(duì)傳感器的影響

2.2.1圓環(huán)電極軸向長(zhǎng)度與靈敏度的關(guān)系

設(shè)定圓環(huán)電極軸向間距a=10mm，以圓環(huán)軸向長(zhǎng)度b為變量，仿真計(jì)算出圓環(huán)探頭電容的容值如表2所示。

表2　不同軸向長(zhǎng)度情況下圓環(huán)探頭電容的容值

由表2可知：在相同圓環(huán)軸向長(zhǎng)度的情況下，隨著土壤介電常數(shù)ε的增加，圓環(huán)電容的容值C也增加；隨著圓環(huán)軸向長(zhǎng)度增大，對(duì)同一軸向長(zhǎng)度的探頭所能感測(cè)到的兩種土壤電容的電容差值ΔC就增大。也就是說(shuō)，在土壤介電常數(shù)不同的情況下，探頭所感測(cè)的電容差值將隨圓環(huán)電極軸向長(zhǎng)度的增大而增大，因而傳感器的靈敏度也就越大。所以，在其他條件一樣的情況下，可以通過(guò)選擇圓環(huán)軸向長(zhǎng)度較大的探頭，提高傳感器靈敏度。

2.2.2圓環(huán)電極軸向長(zhǎng)度與測(cè)量敏感區(qū)域的關(guān)系

同樣，設(shè)定圓環(huán)電極軸向間距a=10mm，以圓環(huán)軸向長(zhǎng)度b為變量，利用有限元法計(jì)算出電場(chǎng)能量沿對(duì)稱中線上的分布。圖4所示為土壤介電常數(shù)ε=12時(shí)電場(chǎng)能量沿對(duì)稱中線上的分布。

圖4　土壤介電常數(shù)為12時(shí)電場(chǎng)能量沿對(duì)稱中線上的分布

由圖4可知：對(duì)于同一介電常數(shù)的土壤，當(dāng)圓環(huán)軸向長(zhǎng)度b較小時(shí)，電場(chǎng)能量小，衰減較快；當(dāng)圓環(huán)軸向長(zhǎng)度b較大時(shí)，電場(chǎng)能量較大，衰減較慢。

圖5所示為圓環(huán)軸向長(zhǎng)度b不同設(shè)定值時(shí)，電極對(duì)稱中線上Wmax點(diǎn)與Wmax/100點(diǎn)之間距離的變化。由圖5可以看出：在相同圓環(huán)軸向長(zhǎng)度b的情況下，隨著土壤介電常數(shù)變化，傳感器的測(cè)量范圍波動(dòng)較?。浑S著圓環(huán)軸向長(zhǎng)度增大，傳感器的測(cè)量范圍也隨之增大。所以，在其他條件相同時(shí)，可以通過(guò)選擇圓環(huán)軸向長(zhǎng)度較大的探頭，增大傳感器的測(cè)量范圍。

綜上所述：從土壤水分傳感器圓環(huán)探頭的靈敏度和測(cè)量范圍考慮，圓環(huán)電極軸向間距應(yīng)盡量取大，圓環(huán)電極軸向長(zhǎng)度也應(yīng)盡可能取大；但是，考慮到測(cè)量土壤某一特定深度含水量的要求，探頭兩個(gè)圓環(huán)電極與軸向間距之和以不超過(guò)50mm為宜(2b+a≤50mm)。比較符合這一條件的幾種探頭結(jié)構(gòu)組合的靈敏度與測(cè)量范圍可知：當(dāng)圓環(huán)軸向間距a=10mm、圓環(huán)軸向長(zhǎng)度b=20mm時(shí)，靈敏度最高，測(cè)量范圍最大，適宜作為傳感器探頭的幾何參數(shù)。

3試驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，采用鎮(zhèn)江地區(qū)典型土壤黃棕壤，取電導(dǎo)率0.04mS/cm、容重1.06g/cm3配制8種不同體積含水量的土樣(由低到高趨于飽和)：0、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35m3/m3。使用本文所設(shè)計(jì)的傳感器、傳統(tǒng)烘干法、EC-5土壤水分傳感器分別對(duì)土樣進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn)，然后對(duì)比分析所測(cè)量土壤水分。其中，EC-5土壤水分傳感器是由美國(guó)Decagon公司生產(chǎn)，測(cè)量范圍0～100%，測(cè)量精度±3%(EC<8dS/m的所有類型土壤)，±1%(經(jīng)過(guò)單獨(dú)標(biāo)定)。

圖6所示為自制傳感器測(cè)量值與烘干法測(cè)量值的回歸分析，回歸函數(shù)y=1.0476x-0.0071，相關(guān)系數(shù)R12=0.9976，均方0.115。圖7所示為EC-5測(cè)量值與烘干法測(cè)量值的對(duì)比分析，回歸函數(shù)y=1.0245x-0.0002，相關(guān)系數(shù)R22=0.999 6，均方0.110。試驗(yàn)結(jié)果表明：EC-5傳感器的測(cè)量精度較高，與烘干法相比最大絕對(duì)誤差僅為1.20%；自制傳感器的誤差范圍為±2%，最大絕對(duì)誤差為1.60%，測(cè)量體積含水率范圍可達(dá)0～34%，能夠滿足土壤含水量準(zhǔn)確測(cè)量的要求。

圖5　不同軸向長(zhǎng)度狀態(tài)下的電極測(cè)量范圍

圖6　自制傳感器測(cè)量值與烘干法測(cè)量值的回歸分析

圖7　EC-5測(cè)量值與烘干法測(cè)量值的回歸分析

4結(jié)論

本文以提高土壤水分測(cè)量靈敏度和測(cè)量范圍為目的，根據(jù)管式電極邊緣電場(chǎng)的計(jì)算原理，從優(yōu)化傳感器探頭結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)探頭幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)周邊電場(chǎng)的影響進(jìn)行了深入研究。數(shù)值分析試驗(yàn)表明：當(dāng)圓環(huán)軸向間距a=10mm、圓環(huán)軸向長(zhǎng)度b=20mm時(shí)，為管式電極最優(yōu)組合。試驗(yàn)結(jié)果表明：該自制傳感器與傳統(tǒng)干燥法測(cè)量值對(duì)比，兩者決定系數(shù)R2=0.967 9，最大測(cè)量絕對(duì)誤差為1.60%，可以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐的要求。

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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

文章編號(hào)：1003-188X(2016)06-0069-05

中圖分類號(hào)：S237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：呂東(1990-),男，濟(jì)南人，碩士研究生，(E-mail) zgshidi@163.com。通訊作者：王新忠(1969-)，男，石家莊人，教授，(E-mail) xzwang@ujs.edu.cn。

基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD08B03)；昆山市農(nóng)業(yè)科技計(jì)劃項(xiàng)目(KN1408)

收稿日期：2015-05-06