大田土壤電導率快速檢測系統(tǒng)設計與試驗

韓長杰 楊文奇,2 竇漢杰 王 秀 胡麗娜 翟長遠

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學機電工程學院， 烏魯木齊 830052； 2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術研究中心， 北京 100097；3.國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術研究中心， 北京 100097)

0 引言

大田土壤中的各種營養(yǎng)物質(zhì)和水分是農(nóng)作物生長的必要條件，為增加農(nóng)作物的產(chǎn)量而大量使用各種化肥與有機肥料，這樣不僅增加了生產(chǎn)成本[1]，還危及糧食安全[2]與土壤安全[3-4]，并且水環(huán)境遭受嚴重污染[5-6]。

獲取農(nóng)作物生長的環(huán)境因素是精準農(nóng)業(yè)的基礎，快速、有效地采集土壤環(huán)境可為精準農(nóng)業(yè)提供參考。土壤電導率是精準農(nóng)業(yè)中不可缺少的關鍵參數(shù)[7]，在土壤分析測定時土壤浸出液電導率直接體現(xiàn)土壤的含鹽量[8-11]。土壤電導率會受土壤含水率[12]、有機質(zhì)含量[13]、土壤堅實度和質(zhì)地結構等因素影響[14-18]，因此土壤電導率可以作為評價土壤肥力與生產(chǎn)能力、制定精準施肥處方的重要數(shù)據(jù)[19-24]。

土壤電導率分為土壤表觀電導率(ECa)與土壤浸出液電導率(ECw)。其中土壤表觀電導率(ECa)中包含了多種土壤屬性，不同類型的土壤(砂土、黏土等)、土壤含鹽量、土壤顆粒半徑、有機物含量、水分保持能力等屬性[12-16]。而土壤浸出液電導率(ECw)則更能體現(xiàn)土壤含鹽量，對指導作物精準施肥及土壤改良有重要意義[19-22]。

2016年由環(huán)境保護部發(fā)布的標準HJ 802—2016中規(guī)范了土壤電導率的測定方法，并定義了土壤電導率是指土壤傳導電流的能力，通過測定土壤浸出液的電導率來表示，即用土壤浸出液電導率(ECw)來表示土壤電導率(Soil conductivity)。

文獻[23]以油茶林地的土壤為對象，試驗分析了土壤中的N、P、K養(yǎng)分含量與電導率的關系，結果表明N、P、K養(yǎng)分含量與土壤浸出液電導率(ECw)相關性良好且遵循多項式擬合模型，預測模型精度達90%以上，實現(xiàn)實時養(yǎng)分檢測，研究表明可以通過檢測土壤浸出液電導率來快速獲取土壤中N、P、K成分含量，對精準施肥與土壤改良有重要意義。文獻[25-26]使用交流“四端法”測量土壤電導率，設計了一種使用電極探針的土壤電導率在線實時檢測系統(tǒng)，檢測誤差在-2.2%～2.4%之間，滿足了土壤電導率實時在線測量的要求,可以快速檢測土壤電導率(ECa)，該研究的設計思路對本文有重要參考作用。文獻[27-28]設計了車載式電導率測量裝置，該測量裝置為國內(nèi)車載電導率檢測系統(tǒng)奠定了基礎[27-28]。美國Veris公司生產(chǎn)的Veris3100型車載土壤電導率測量設備已經(jīng)商品化，該設備可以快速測量大面積土地的土壤表觀電導率，被廣泛使用于美國的土壤環(huán)境監(jiān)測。隨著國內(nèi)相關研究的進一步拓展，亟需可在大田環(huán)境里進行快速檢測土壤表觀電導率并預測土壤浸出液電導率的車載設備。

本文基于交流四端法[29]，設計大田土壤電導率快速檢測系統(tǒng)，在車載移動時快速采集土壤電導率傳感器信息，以期能夠連續(xù)快速地預測土壤浸出液電導率(ECw)，為后續(xù)土壤精準作業(yè)奠定基礎。

1 系統(tǒng)檢測原理、組成及設計

1.1 檢測原理

“電流-電壓”四端法是使用最為廣泛的土壤電導率快速檢測方法，國內(nèi)外學者對四端法的理論和電極排布方式都進行過深入研究[30]。如圖1所示，由電流信號源(J、K)和電壓測量端(M、N)組成。恒流信號源J、K發(fā)射交流恒流信號，在大地中形成交變電場，通過已知的恒流電流與M、N間的電勢差計算大地的電導，但由于大地的組成復雜，電流傳播不均勻，所以無法直接按照電極間距計算電導率。通常經(jīng)過實驗室標定，擬合該系統(tǒng)電導與電導率的關系。

圖1 四端法檢測電導率原理圖Fig.1 Principle of four-terminal method to detect conductivity

1.2 檢測系統(tǒng)硬件設計

檢測系統(tǒng)整體原理框圖如圖2所示，系統(tǒng)主要由交流恒流信號源和信號檢測部分組成。

圖2 電導率測量原理框圖Fig.2 Block diagram of conductivity measurement principle

傳感器部分由4個圓盤組成，外側圓盤為恒流激勵電極，內(nèi)側圓盤為電壓檢測電極。交流恒流信號經(jīng)過外側2個恒流電極流入大地后，通過檢測內(nèi)側電壓電極的電壓有效值可以反映土壤電導率的變化[30]，對于長度和面積都不確定的大地來說，Wenner組態(tài)排列下[31]，其電導率計算公式為[32]

(1)

式中σ——電導率，S/m

a——電極間距，m

I——交流恒流信號有效值，A

VIS——電壓檢測電極間電壓差，V

信號源的正弦波信號直接由AD9851產(chǎn)生，該數(shù)字頻率合成芯片使用單片機編程控制輸出，具有輸出精度高、使用方便等優(yōu)點，輸出信號經(jīng)二階有源低通濾波電路串聯(lián)一階高通濾波電路，濾除高頻噪聲和直流分量的同時提高其帶負載能力，該電路低通信號截止頻率為709.2 Hz，高通信號截止頻率為2 Hz。

獲得穩(wěn)定的正弦波信號后，為達到自動調(diào)節(jié)其幅值的目的，使用單片機編程控制16位D/A轉換芯片DAC8501的輸出電壓，在其VERF端輸入2.5 V基準源信號，使其輸出限定于0～2.5 V。將正弦波信號與DAC8501輸出的電壓一起輸入模擬乘法器AD734B中進行運算，得到幅值變化可控的交流電壓信號，由于電源功率不高，輸出電流小，在后級使用運算放大器與INA118U組成恒流源電路即可，本數(shù)控恒流信號源設定最大輸出電流Imax=1 000 μA，DAC8501芯片輸出最大電壓Vmax=2.5 V，根據(jù)運放“虛短虛斷”的原則可知，輸出電流與負載電阻無關，其只與輸入電壓和電阻器R1的電阻R1相關，即

(2)

其中

式中IOUT——輸出電流，A

VIN——輸入電壓，V

G1——增益系數(shù)

本設計選取R1=10 kΩ，實際可輸出最大電流為Imax=1 500 μA，程序限定為Imax=1 000 μA，輸出端內(nèi)置串聯(lián)100 Ω精密電阻，將其兩端電壓經(jīng)過放大和有效值轉換后實時反饋控制恒流輸出，原理圖如圖3所示。

圖3 恒流輸出電路Fig.3 Constant current output circuit

綜上，快速檢測系統(tǒng)使用的恒流信號源是電壓閉環(huán)控制策略，通過電壓信號校正控制電流源輸出。信號源是3～700 Hz可變頻率標準正弦波交流恒流信號源，輸出電流1 000 μA時最大失真阻抗為6 000 Ω，使用圓盤電極時土壤阻抗一般小于2 000 Ω[12]，滿足實際需求，電流有效值可調(diào)范圍為0～1 000 μA。

由于信號源是電流很小的交流恒流源，所以檢測電壓信號也較小，故在傳入微處理器前需要進行信號放大和有效值轉換等預處理。

將電壓檢測電極上的信號進行差分放大是信號處理的第一步，也是整個系統(tǒng)精度的保障，需要設計很穩(wěn)定的檢測放大環(huán)節(jié)。為滿足精度要求使用集成芯片AD620，該芯片可以實現(xiàn)最大1.0 nA的低輸入偏置電流。在信號入口與輸出口都加入低通濾波電路，濾除高頻雜波，原理如圖4所示，根據(jù)AD620電氣特性，可知電阻器Rg電阻Rg為

圖4 差分放大電路Fig.4 Differential amplifier circuit

(3)

其中G2是差分放大電路的放大倍數(shù)，在本設計中Rg取5.4 kΩ，實際放大倍數(shù)為10.2倍。

經(jīng)過差分放大的信號依舊是交流信號，不方便進行數(shù)據(jù)的讀取與保存，需要進行有效值轉換，考慮到系統(tǒng)精度要求高，選取高性能集成芯片AD637進行均方根直流轉換。最后將輸出的直流電壓信號輸入16位模數(shù)轉換集成芯片ADS1115中，使用單片機讀取電壓信號，保存土壤電導率的同時讀取當前GNSS數(shù)據(jù)與紅外溫度傳感器值并記錄于儲存卡中。

1.3 檢測系統(tǒng)的嵌入式設計

土壤電導率快速檢測系統(tǒng)設計包括硬件電路與軟件程序控制，硬件電路包括恒流源電路、信號檢測及處理電路，軟件程序控制包括程控恒流源電路的正弦信號、調(diào)幅輸出電壓、采集讀取電導率信號以及獲取定位信息和溫度信息。按軟件功能將整個系統(tǒng)分為3部分，恒流信號源的嵌入式系統(tǒng)、電導率信號檢測及多參數(shù)整合嵌入式系統(tǒng)和上位機系統(tǒng)。

恒流信號源嵌入式系統(tǒng)功能是產(chǎn)生穩(wěn)定的交流恒流信號，作為傳感器系統(tǒng)檢測的基礎，硬件控制方案選取全數(shù)字控制方式，因此嵌入式軟件在其中至關重要，嵌入式系統(tǒng)控制器選取英特爾居里(Curie)32位單片機，嵌入式系統(tǒng)構成如圖5所示。

圖5 恒流信號源嵌入式系統(tǒng)構成Fig.5 Constant current signal source embedded system composition

電導率信號檢測及多參數(shù)整合嵌入式系統(tǒng)功能是：檢測并記錄恒流信號源在土壤中產(chǎn)生的電壓信號、GNSS模塊的定位信息和紅外溫度傳感器的溫度信息，同時該嵌入式系統(tǒng)也負責與上位機進行串口通信。嵌入式系統(tǒng)控制器選取英特爾居里(Curie)32位單片機，嵌入式系統(tǒng)構成如圖6所示。

圖6 電導率信號檢測及多參數(shù)整合嵌入式系統(tǒng)構成Fig.6 Conductivity signal detection and multi-parameter integration embedded system configuration

2 土壤電導率室內(nèi)試驗

2.1 自制檢測裝置性能試驗

2.1.1交流恒流源電流穩(wěn)定度

使用“電流-電壓”四端法原理檢測土壤電導率，實現(xiàn)的關鍵是要保證恒流源的穩(wěn)定性，即輸出電流在負載變化的情況下仍能保持恒定，本文設計的恒流源是由程控數(shù)字芯片實現(xiàn)的，設定電流輸出范圍是0～1 000 μA。有研究表明四端法測量土壤的大地電阻一般小于10 kΩ[25]，且使用圓盤電極測量土壤的大地電阻一般小于2 kΩ[12]，故為檢驗本設計的交流恒流源穩(wěn)定性，采用可變電阻來模擬大地電阻。具體檢測方式為逐漸增加負載電阻，同時利用示波器觀察交流恒流源輸出的電壓與正弦波型，直到恒流源輸出的正弦波到達失真的臨界點，試驗時設定輸出電流為500 μA，記錄的試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 交流恒流源穩(wěn)定度測試結果Tab.1 AC constant current source stability test results

從表1可以看出，當電阻變化時，電流變化的最大相對誤差為0.204%，具有較好的穩(wěn)定性。隨著負載電阻的逐漸增大，大于9 kΩ時正弦波達到失真臨界點，故硬件系統(tǒng)的檢測范圍滿足四端法測量大地電阻的要求。

2.1.2紅外溫度傳感器

為驗證紅外溫度傳感器的準確性，設計了溫度檢測試驗，對比分析同時使用紅外溫度傳感器和紅水溫度計檢測出的溫度。試驗時將土壤裝入土盒中放入加熱箱中加熱至50℃，將土盒取出后在土壤表層使用紅水溫度計(量程-30～100℃、精度0.1℃)，同時使用紅外溫度傳感器測量土壤溫度，直至土盒溫度降至室溫，將紅外傳感器檢測的溫度作為縱坐標，紅水溫度計測量值作為橫坐標進行對比，如圖7所示。

圖7 溫度擬合曲線Fig.7 Temperature comparison

從圖7可以看出，將溫度傳感器和紅水溫度計溫度測量值使用最小二乘法擬合的趨勢項決定系數(shù)可達到0.99，二者具有顯著線性關系，故紅外溫度傳感器的檢測精度達到溫度檢測精度要求。

2.1.3傳感器標定

本文設計的車載式土壤電導率檢測系統(tǒng)可通過輸出電流與電極間的電壓計算出電導G，電導與電導率間存在關系

σ=kG

(4)

式中系統(tǒng)測量的電導G與實際電導率σ間存在一個系數(shù)k，該系數(shù)由測量系統(tǒng)結構決定，可以使用配置的標準電導率溶液來進行標定。

試驗于2020年10月在北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術研究中心實驗室進行，室溫25.2℃，選用5 L燒杯、100 mL燒杯、KCl試劑(國藥集團化學試劑有限公司)、無離子水(紅荒之力牌，電導率小于0.1 μS/cm)和電子天平(賽多利斯公司，BS323D型，最大量程320 g，精度0.001 g)配置質(zhì)量分數(shù)0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的KCl溶液；選用電導率測量儀(上海儀電科學儀器股份有限公司，DDS-307A型，量程0～100 mS/cm，精度±1.0%FS)檢測配置的KCl溶液電導率。自制系統(tǒng)測量的溶液電導為縱坐標，DDS-307A型電導率測量儀檢測的溶液電導率作為橫坐標，進行線性擬合，得出標定函數(shù)，繪制擬合曲線如圖8所示，擬合曲線R2為0.985 7。

圖8 電導率標定曲線Fig.8 Conductivity calibration curve

由試驗可知，本文設計的檢測系統(tǒng)可以有效地對電導率進行檢測。

2.1.4檢測性能對比試驗

試驗地點為北京小湯山國家精準農(nóng)業(yè)示范基地，試驗時劃定100 m的試驗區(qū)域，首先使用自制系統(tǒng)采集40個數(shù)據(jù)點的電導率，然后在同樣采集路徑上使用TR-6D型(北京順科達科技有限公司)手持式便攜土壤電導率檢測儀進行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集方式是在圓盤電極留下的軌跡上進行5點梅花狀采集，取其5點平均值代表該處土壤電導率。將2種方式檢測的電導率測量值作為縱坐標，各采樣點序號作為橫坐標，使用三階多項式做2組數(shù)據(jù)的趨勢線，如圖9所示，經(jīng)計算2組數(shù)據(jù)的相關系數(shù)R為0.849 5。

圖9 趨勢對比Fig.9 Trend comparison

根據(jù)性能對比試驗數(shù)據(jù)可以看出車載測量值與手持儀器的檢測值有很好的相關性。試驗時便攜式手持電導率檢測耗費時間為140 min，而車載檢測僅耗時3 min，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)分析，車載系統(tǒng)的檢測精度滿足要求并且檢測效率較高。

2.2 試驗準備

為獲取土壤可溶性鹽電導率與電導率檢測系統(tǒng)之間的關系，設計了一種中心組合試驗。該試驗的4個因素為土壤可溶性鹽電導率、土壤含水率、傳感電極入土深度與土壤溫度，這4個因素皆是土壤表觀電導率的主要影響因素[18,33]。試驗使用的土壤取自后續(xù)進行大田試驗的試驗地，試驗時將土壤裝入5 L的燒杯，根據(jù)每次試驗土壤的質(zhì)量來壓縮土壤體積，控制土壤容重為1.2～1.3 g/cm3。土壤經(jīng)鼓風干燥箱105℃干燥后分裝，3 kg每份，試驗中添加的水為無離子水，添加的鹽為純KCl。將第1次干燥后分裝的土壤，分別加入3、6、9、12、15 g KCl。添加方式是將KCl溶于無離子水中，使用噴壺，配合攪拌將KCl溶液均勻混合于土壤中，將混合鹽后的土壤繼續(xù)放回105℃恒溫鼓風干燥箱中干燥，混合鹽后土壤的可溶性鹽電導率按照HJ 802—2016標準測量。

對加入KCl并充分攪拌干燥后的土壤進行均勻性檢測試驗，如圖10所示，在土盒1、2、3位置分別稱取20 g土壤。按照HJ 802—2016標準檢測電導率，判斷同一土盒中電導率是否均勻，并比較加入不同KCl土盒的電導率關系，不同土盒電導率分布試驗結果如圖11a所示，將3個點取平均值后可以看到，不同KCl含量的土盒中電導率基本呈線性關系，該方式可用于試驗樣本的制備，如圖11b所示。

圖10 取樣位置Fig.10 Sampling location

圖11 電導率分布Fig.11 Conductivity distribution

二次干燥后的土壤根據(jù)不同試驗條件，采用上文中混合鹽的方法添加無離子水，使其充分混合，得到不同含水率的土壤。含水率按照NY/T 52—1987標準中的干基計算。

2.3 試驗設計

試驗采用中心組合試驗方法，選取土壤可溶性鹽電導率、土壤含水率、傳感電極入土深度、土壤溫度為試驗因素，傳感器得到的土壤表觀電導率原始數(shù)據(jù)為試驗結論，期望以此得出回歸模型，找到傳感數(shù)據(jù)與4種試驗因素的關系，共進行36組試驗。

實驗室試驗傳感器使用1 mm冷軋Q235鋼板，邊緣打薄便于切入土壤，將其安裝于尼龍座上固定間距，使用5 L帶刻度的燒杯盛裝土壤并控制土壤容重，電極片直徑為136 mm，間距22 mm。將其放入5 L燒杯中，模擬大田環(huán)境。使用燒杯作為土壤容器是為了按照燒杯上的體積刻度控制土壤體積，從而控制土壤容重。

根據(jù)已有研究，土壤含水率對土壤表觀電導率的影響主要在14%～30%，當含水率超出這個范圍時對土壤表觀電導率影響不大[16,18]，故試驗時選取土壤含水率為14%～30%；根據(jù)農(nóng)作物生長特性可知，一般農(nóng)作物在含鹽量低于0.5%的土壤中可以正常生長，但由于使用四端法進行測量時，土壤中存在鹽飽和現(xiàn)象，即隨著含鹽量的增大土壤表觀電導率并不會一直增大，根據(jù)趙燕東等[25]研究結果，試驗使用的土壤電導率低于1 600 μS/cm；圓盤電極需穩(wěn)定地滾動切割土壤，其入土深度應限制在直徑的1/4以下，故在本試驗系統(tǒng)中最大入土深度是35 mm；最大溫度選取40℃。最終設計試驗因素編碼如表2所示。

表2 試驗因素編碼Tab.2 Test factors and codes

按照試驗表要求，試驗時選擇相應的干燥土壤，采用噴水拌土的方式制作相應含水率土壤。將制作好的土壤稱量并裝入5 L燒杯中，使用切割的圓片將土壤壓縮，確保每次試驗土壤容重保持1.2～1.3 g/cm3，土壤容重計算公式為

(5)

式中rs——土壤容重，g/cm3

m——燒杯中試驗土壤的質(zhì)量，g

v——燒杯中試驗土壤的體積，cm3

土壤容重確定后將燒杯用保鮮膜密封放入恒溫箱中改變土壤溫度，土壤中插入溫度計測量土壤溫度，當溫度穩(wěn)定在試驗所需溫度時將燒杯取出，將圓盤電極插入相應試驗所需深度，設定傳感電極電流800 μA,頻率500 Hz，快速記錄電壓傳感器電極的數(shù)值，試驗環(huán)境溫度24.6℃，檢測時響應速度較快，試驗檢測前后溫度下降不足0.5℃，故可忽略環(huán)境溫度對測量結果的影響，試驗過程如圖12所示。

圖12 試驗裝置與試驗過程Fig.12 Test device and test process

2.4 試驗與結果分析

試驗方案與結果如表3所示(Y表示16位模數(shù)轉換集成芯片ADS1115輸出的數(shù)字量)，使用數(shù)據(jù)處理軟件輔助處理數(shù)據(jù)，方差分析結果如表4所示。

表3 試驗方案與結果Tab.3 Test results

表4 回歸模型方差分析Tab.4 Regression model analysis of variance

通過對試驗中各個因素以及各因素交互項的顯著性進行擬合和分析，A、B、C、D、AB、AC、AD、BC、A2、C2、D2是顯著的模型項，對試驗指標影響極顯著(P<0.01)；BD、CD、B2對試驗指標影響不顯著(P>0.1)。將不顯著因素剔除后，得到回歸方程為

Y=43 895.54-2 201.48A-11.21B-284.04C-
333.45D+0.42AB+12.59AC+10.85AD+
0.031BC+20.80A2-1.86C2+1.22D2

(6)

式中Y——傳感器檢測值，每單位0.188 mV

由回歸模型的方差分析可知，該模型顯著，組成該模型的4個因素土壤含水率、土壤電導率、電極入土深度、溫度都是非常顯著的模型項，模型的失擬誤差項P=0.865 9，不顯著，因此試驗因素和指標與該模型存在顯著的關系。

實際使用該預測模型時，將模型中的B項，土壤浸出液電導率放至等式左邊，得到土壤浸出液電導率預測模型公式為

B=(Y-43 895.54+2 201.48A+284.04C+
333.45D-12.59AC-10.85AD-20.80A2+1.86C2-
1.22D2)/(0.42A+0.031C-11.21)

(7)

該模型R2為0.998 3，預測R2為0.996 1。

3 大田試驗

3.1 大田試驗準備

2020年10月于北京市小湯山國家精準農(nóng)業(yè)示范基地開展了大田土壤電導率快速檢測試驗,試驗時電流傳感電極幅值800 μA,頻率500 Hz，試驗主要目的為：

(1)重復性驗證。使用標尺在試驗地中量取長度20 m的試驗區(qū)域，將土壤電導率快速檢測系統(tǒng)在相同路徑上重復進行6次試驗，記錄傳感器信號和GNSS數(shù)據(jù)，對比分析后，再選取路徑最接近的2次試驗進行具體分析。

(2)可行性驗證。試驗地塊如圖13a所示，在地塊上打點進行土樣獲取后，在實驗室中使用雷磁DDS-307A型電導率測量儀，按照HJ 802—2016標準進行電導率檢測，繪制插值圖，表示試驗地的電導率變化,見圖13b。使用土壤電導率快速檢測系統(tǒng)，在試驗地行走采集電導率信號、GNSS信息與地表溫度，檢測系統(tǒng)電極入土深度通過限深輪限制。試驗前使用土壤含水率檢測裝置對整塊試驗地的含水率分布進行記錄。通過“土壤電導率-土壤含水率-電極入土深度-溫度”模型得出電導率數(shù)據(jù)，繪制插值圖，與土壤采樣獲得的電導率差值圖進行對比。

圖13 大田試驗Fig.13 Field test

試驗系統(tǒng)實物如圖13c所示，電極直徑430 mm，間距220 mm，電極面積與電極間距都在實驗室系統(tǒng)的基礎上放大了10倍，當電極面積與電極間距同時增加時電導率不發(fā)生改變，即

(8)

式中l(wèi)——間距，m

s——橫截面積，m2

進行車速影響試驗，通過不同車速檢測同一路徑的土壤電導率，當車速越快時傳感器數(shù)值的離散越大且呈整體上升趨勢，綜合分析試驗數(shù)據(jù)，選取前進車速為0.29 m/s左右進行試驗，在該速度時傳感器數(shù)值較為穩(wěn)定。

3.2 重復性試驗

為確保電導率快速檢測系統(tǒng)在相同或相近的路線上傳感器信號相對穩(wěn)定，需要進行系統(tǒng)重復性試驗。在檢測系統(tǒng)靜止時傳感器信號穩(wěn)定，只需試驗其移動時的穩(wěn)定性與重復性。檢測試驗裝置使用紐荷蘭SNH350型拖拉機牽引，在試驗區(qū)域采集6次傳感器輸出電壓，6次電壓數(shù)據(jù)使用線性趨勢線表示趨勢，其趨勢基本相同，如圖14a所示。6次采集路徑軌跡如圖14b所示。

圖14 重復性試驗Fig.14 Repeatability tests

選取其中路徑最為接近的2次數(shù)據(jù)，并刪除其中采樣間距大于0.3 m的點，最終選擇23組數(shù)據(jù)點進行對比。其中試驗A電壓均值為171.29 mV，試驗B電壓均值為168.33 mV，2次試驗傳感器均值169.81 mV。試驗A與試驗B最接近位置電壓差均值為25.5 mV，占2次試驗電壓均值的15%，但考慮到行進過程中機具的振動、測量位置偏差，土壤電導率檢測系統(tǒng)基本穩(wěn)定，2次試驗數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)點相對位置如圖15所示。

圖15 試驗數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)點位置Fig.15 Test A and B data and data point location

綜上，通過在同一路徑上6次傳感器輸出電壓值對比，可知傳感器信號在每次試驗中都有不同，造成的原因可能是每次行進路徑不能保證完全一致，數(shù)據(jù)采集點存在差異，且機具的振動也會使傳感器產(chǎn)生一些噪聲，這些因素都會對數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生影響。盡管重復試驗數(shù)據(jù)有一些差異，但其趨勢相同且差異不大，因此可以認為系統(tǒng)在移動測量時是穩(wěn)定且可重復的。

3.3 田間試驗

在試驗地上使用該試驗系統(tǒng)，限制圓盤入土深度為22 mm，使用TR-6D型土壤含水率檢測裝置對試驗區(qū)域的土壤含水率分布進行記錄。車載系統(tǒng)實時記錄電導率圓盤電壓、地表溫度及采集點的GNSS信息。在試驗地上每間隔2 m進行采樣，按照HJ 802—2016標準進行實驗室土壤浸出液電導率(ECw)檢測，如圖16所示。

圖16 實驗室土壤浸出液電導率檢測Fig.16 Laboratory soil solution conductivity detection

通過“土壤電導率-土壤含水率-電極入土深度-溫度”與傳感器信號模型得出電導率數(shù)據(jù)，繪制插值圖如圖17a所示，土壤采樣后在實驗室測量獲得的土壤浸出液電導率(ECw)繪制差值圖如圖17b所示。

圖17a中綠色點表示車載系統(tǒng)檢測時的路徑及采樣點，填充的顏色代表此采樣點的車載系統(tǒng)預測土壤電導率，圖17b中紅色點表示實驗室檢測時的土壤采樣點，通過克里金插值法繪制插值圖數(shù)據(jù)，對比圖17a和圖17b數(shù)據(jù)的電導率變化趨勢，兩者變化趨勢相對一致，說明此車載土壤電導率檢測系統(tǒng)可以有效并快速預測土壤浸出液電導率的分布趨勢，為后續(xù)土壤作業(yè)提供參考。

圖17 自制系統(tǒng)電導率數(shù)據(jù)與土壤采樣數(shù)據(jù)對比Fig.17 Comparison of conductivity data of self-made system with soil sampling data

4 結論

(1)基于四端法原理設計了一種車載式大田土壤電導率快速檢測采集系統(tǒng)，系統(tǒng)包括交流恒流信號源、信號檢測調(diào)理電路及GNSS定位系統(tǒng)，恒流源輸出電流可調(diào)范圍0～1 000 μA，輸出頻率可調(diào)范圍3～700 Hz，1 000 μA電流下最大負載阻抗6 kΩ，滿足土壤電導率測量要求。

(2)通過四因素五水平中心組合試驗探究了土壤含水率、可溶性鹽電導率、電極入土深度、土壤溫度對土壤浸出液電導率影響規(guī)律并建立了土壤浸出液電導率(ECw)計算回歸模型，用于預測土壤浸出液電導率(ECw)。該模型R2為0.998 3，預測R2為0.996 1。

(3)采用車載土壤電導率快速檢測系統(tǒng)進行了大田土壤電導率檢測試驗，根據(jù)土壤浸出液電導率(ECw)計算回歸模型獲取試驗田塊土壤電導率變化。試驗結果表明，在行進路徑相似時測量結果平均誤差小于15%，其測量結果穩(wěn)定且具有重復性。大田環(huán)境下系統(tǒng)的檢測值與實驗室儀器檢測土壤溶液電導率變化趨勢相對一致，故此車載系統(tǒng)可實現(xiàn)大田土壤浸出液電導率的快速預測。