新型自動(dòng)土壤水分傳感器與傳統(tǒng)FDR法傳感器性能對(duì)比分析

陳亞軍，安學(xué)武，楊玉輝

（1內(nèi)蒙古自治區(qū)大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，呼和浩特 010051；2內(nèi)蒙古興安盟氣象局，內(nèi)蒙古烏蘭浩特 137400）

0 引言

土壤水分是土壤成分之一，土壤水分的大小直接影響土壤中氣體的含量及運(yùn)動(dòng)、固體結(jié)構(gòu)，制約著土壤中養(yǎng)分的溶解、轉(zhuǎn)移和吸收及土壤微生物的活動(dòng)，土壤水分狀況的測(cè)定對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)時(shí)服務(wù)和理論研究都具有重要意義[1-2]。同時(shí)，土壤水監(jiān)測(cè)及研究對(duì)荒漠生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義，是半干旱地區(qū)植被健康生長(zhǎng)的關(guān)鍵制約因子[3-4]。

多年來，應(yīng)用物理介電特性的自動(dòng)土壤水分傳感器獲得較廣泛的應(yīng)用[5]，時(shí)域反射法[6]、頻域反射法(Frequency Domain Reflectometry,FDR)[7]自動(dòng)土壤水分傳感器測(cè)量土壤水分具有較高的精度[8]，但仍受土壤類型[9]、顆粒大小、容重、有機(jī)質(zhì)、鹽分及溫度等嚴(yán)重影響[10-11]，一定條件下，這些干擾因素甚至?xí)o土壤水分測(cè)定帶來毀滅性后果。

頻域反射法(Frequency Domain Reflectometry,FDR)自動(dòng)土壤水分傳感器利用電磁脈沖在不同介質(zhì)中傳播時(shí)振蕩頻率變化來測(cè)定土壤水分[12]。其利用土壤中水分改變時(shí)，土壤的介電常數(shù)發(fā)生變化的基本原理實(shí)現(xiàn)土壤水分的測(cè)量[13-14]。FDR法（頻域反射法）傳感器利用一對(duì)銅環(huán)組成的電容作為敏感元件，利用一個(gè)固定電感元件與傳感器電容形成高頻LC震蕩電路，通過測(cè)量震蕩電路頻率(100～130 MHz)的變化計(jì)算土壤水分值。這一方法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是引入的電感及分布式電容造成的傳感器個(gè)體差異性無(wú)法避免、高頻信號(hào)更容易受到干擾、受環(huán)境溫度影響過大且不可控、使用中需要標(biāo)定的參數(shù)過多（7個(gè)）等弊端。

內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局于2020年開展了電容直測(cè)式土壤水分傳感器技術(shù)的研究，研發(fā)設(shè)計(jì)了1套新型自動(dòng)土壤水分傳感器。新型土壤水分傳感器仍舊利用土壤中水分改變時(shí)，土壤的介電常數(shù)發(fā)生變化的基本原理。銅環(huán)構(gòu)成的電容作為敏感元件的結(jié)構(gòu)不變，但重新設(shè)計(jì)了測(cè)量及主控制電路。測(cè)量電路中不使用電感原件，避免傳感器的個(gè)體差異性及分布式電容的影響；使用精確中頻激勵(lì)源并通過精確測(cè)量容抗的方式直接測(cè)量傳感器實(shí)時(shí)電容值，避免溫漂影響，而且使傳感器受外界噪聲干擾幾率大幅降低，提高儀器運(yùn)行穩(wěn)定性及測(cè)量準(zhǔn)確性。所述技術(shù)由于本質(zhì)上還是電容式傳感器，所以現(xiàn)用完備的數(shù)據(jù)處理模型、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)體系均不需更改，在現(xiàn)有業(yè)務(wù)站上只需更換傳感器就可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的升級(jí)換代，升級(jí)成本會(huì)大幅降低。

設(shè)計(jì)完成后，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展了新型傳感器電性能、測(cè)量性能、抗溫度變化特性、抗鹽堿性能等傳感器特性與傳統(tǒng)FDR法自動(dòng)土壤水分傳感器的對(duì)比分析或試驗(yàn)，旨在檢驗(yàn)新型自動(dòng)土壤水分傳感器各項(xiàng)性能，以期為自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀的升級(jí)換代提供技術(shù)支撐，探討以較小成本提高土壤水分監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，應(yīng)用便利性的技術(shù)可行性。

1 新型自動(dòng)土壤水分傳感器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

本文所研究的新型自動(dòng)土壤水分傳感器仍舊是電容式傳感器，仍舊使用由一對(duì)銅環(huán)組成的電容作為敏感元件，但重新設(shè)計(jì)了測(cè)量電路。土壤水分含量的變化會(huì)導(dǎo)致土壤等效介電常數(shù)變化，相應(yīng)地銅環(huán)等效電容也會(huì)發(fā)生變化，通過測(cè)量電容的變化即可測(cè)量土壤水分。新型自動(dòng)土壤水分傳感器測(cè)量電路由傳感器單層感應(yīng)模塊和多層控制及數(shù)據(jù)處理兩塊電路板組合而成，單層感應(yīng)模塊用于感應(yīng)某一層土壤中含水量的變化，完成氣象要素量到電參數(shù)的轉(zhuǎn)換及調(diào)理；多層控制及數(shù)據(jù)處理模塊用于多層感應(yīng)模塊的協(xié)同工作控制及測(cè)量信號(hào)的采集、處理、傳輸功能。新型自動(dòng)土壤水分傳感器電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)室對(duì)比分析材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)室情況

內(nèi)蒙古自治區(qū)大氣探測(cè)技術(shù)保障中心為內(nèi)蒙古地區(qū)地面氣象探測(cè)技術(shù)開發(fā)、應(yīng)用及探測(cè)設(shè)備技術(shù)保障單位，中心實(shí)驗(yàn)室具備自動(dòng)土壤水分觀測(cè)及保障設(shè)備研究、試驗(yàn)所需設(shè)施、開發(fā)軟件、各類工具等，工作人員多為電子類、計(jì)算機(jī)類專業(yè)畢業(yè)生，且從事自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀保障工作數(shù)年，對(duì)設(shè)備組成原理等相關(guān)知識(shí)熟悉，具備開發(fā)、應(yīng)用、試驗(yàn)的能力。

為保證試驗(yàn)項(xiàng)目順利進(jìn)行，中心組織專家對(duì)設(shè)備組成結(jié)構(gòu)、試驗(yàn)技術(shù)路線、試驗(yàn)可行方案做了充分論證，重要步驟經(jīng)過了前期實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2 試驗(yàn)及對(duì)比分析對(duì)象

待驗(yàn)證設(shè)備為自行研發(fā)的新型自動(dòng)土壤水分傳感器，利用土壤中水分改變時(shí)土壤的介電常數(shù)發(fā)生變化的基本原理，通過直接測(cè)量傳感器實(shí)時(shí)電容值計(jì)算土壤水分值。對(duì)比參照設(shè)備為氣象部門業(yè)務(wù)用FDR（頻域反射法）傳感器，同樣利用土壤中水分改變時(shí)土壤的介電常數(shù)發(fā)生變化的基本原理，通過測(cè)量震蕩電路頻率(100～130 MHz)的變化計(jì)算土壤水分值。在測(cè)試介質(zhì)容器內(nèi)制作各測(cè)試點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)樣本，其土壤體積含水量作為試驗(yàn)分析的真值。

2.3 對(duì)比分析內(nèi)容

傳感器性能原理性對(duì)比分析（理論驗(yàn)證）為對(duì)比分析2種傳感器性能，組織專家組對(duì)新型自動(dòng)土壤水分傳感器樣機(jī)與傳統(tǒng)FDR法自動(dòng)土壤水分傳感器的測(cè)量電路組成原理進(jìn)行了分析，并結(jié)合長(zhǎng)期對(duì)業(yè)務(wù)用傳統(tǒng)FDR法自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀的維修保障經(jīng)驗(yàn)，客觀對(duì)比分析了現(xiàn)業(yè)務(wù)站用傳統(tǒng)FDR法傳感器與電容直測(cè)式土壤水分傳感器組成結(jié)構(gòu)及測(cè)量方法的差異性。

新型傳感器測(cè)量電性能測(cè)試試驗(yàn) 在實(shí)驗(yàn)室可實(shí)現(xiàn)的條件下，對(duì)新型自動(dòng)土壤水分傳感器樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)測(cè)試，通過實(shí)驗(yàn)定量分析傳感器的測(cè)量電性能。

自動(dòng)土壤水分傳感器抗土壤溫度變化特性、抗鹽堿特性定性對(duì)比分析：受實(shí)驗(yàn)室條件所限，傳感器的抗土壤溫度變化特性、抗鹽堿特性無(wú)法做到準(zhǔn)確的定量分析，采用了定性的方法對(duì)比驗(yàn)證了新型傳感器的抗土壤溫度變化特性、抗鹽堿特性。

2.4 試驗(yàn)方法

2.4.1 新型傳感器測(cè)量電性能測(cè)試試驗(yàn)

（1）測(cè)試試驗(yàn)。測(cè)試介質(zhì)容器為亞克力圓柱體容器，上方有可完全打開的圓形盒蓋，中央部位鑲嵌有直徑5.5 cm的圓柱型PVC套管，材質(zhì)與自動(dòng)土壤水分傳感器安裝套管一致。測(cè)試介質(zhì)選用240目石英砂模擬土壤樣本，其常用于自動(dòng)土壤水分傳感器實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)或校準(zhǔn)[15]。

（2）試驗(yàn)方法。在測(cè)試介質(zhì)容器內(nèi)制作厚度12 cm的240目石英砂與蒸餾水的混合物模擬土壤，作為測(cè)試介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)樣本。240目石英砂模擬的土壤容重取為1.5 g/cm3，根據(jù)各測(cè)試點(diǎn)體積含水量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)樣本所需石英砂和水量。

（3）標(biāo)準(zhǔn)樣本制作。使用指定目數(shù)的石英砂與蒸餾水混合，通過控制加入水量的比例，攪拌均勻壓制在測(cè)試容器內(nèi)，得到不同體積含水量的模擬土壤樣本，作為試驗(yàn)中的標(biāo)準(zhǔn)土壤體積含水量。

2.4.2 自動(dòng)土壤水分傳感器抗土壤溫度變化特性、抗鹽堿特性定性對(duì)比分析試驗(yàn)

（1）抗土壤溫度變化特性試驗(yàn)。使用240目石英砂與不同溫度的蒸餾水混合，通過控制加入水量的比例，攪拌均勻壓制在測(cè)試容器內(nèi)，得到不同體積含水量、不同溫度的模擬土壤樣本。

（2）抗鹽堿特性試驗(yàn)。先在蒸餾水中融入不同量的食用鹽，再與石英砂混合，通過控制加入水量的比例，攪拌均勻壓制在測(cè)試容器內(nèi)，得到不同體積含水量、不同鹽堿度的模擬土壤樣本。

3 結(jié)果與分析

3.1 傳感器原理性性能分析（理論驗(yàn)證）

3.1.1 實(shí)際應(yīng)用中存在的問題 傳統(tǒng)土壤水分測(cè)量是通過一個(gè)LC振蕩回路的頻率變化來間接測(cè)量土壤水分。因?yàn)殂~環(huán)的等效電容與土壤水分相關(guān)，因此電容的變化會(huì)使輸出頻率變化。OSC振蕩源一般采用射頻OSC振蕩集成電路來實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)有如下問題：

（1）LC振蕩回路在制造中由于采用人工繞制的電感，導(dǎo)致出廠初始頻率一致性較差；射頻OSC振蕩集成電路的輸入分布電容有離散性，每個(gè)集成電路的輸入電容不一致；半導(dǎo)體的PN結(jié)輸入電容受到溫度的影響很大，在不同溫度下的振蕩輸出頻率不一致，導(dǎo)致測(cè)量誤差。同時(shí)以上原因會(huì)使得傳感器初始頻率（空氣中，水中頻率）個(gè)體差異性很大，必須進(jìn)行校準(zhǔn)后才能使用。

（2）在LC回路中，銅環(huán)就是一個(gè)等效天線，根據(jù)天線互易原理，銅環(huán)容易接收到外界電磁波干擾信號(hào)，導(dǎo)致測(cè)量誤差（比如手機(jī)或基站在附近，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生野值）；LC振蕩回路容易產(chǎn)生頻率牽引現(xiàn)象，在強(qiáng)的接近無(wú)線干擾源附件，LC振蕩回路會(huì)被牽引到干擾源頻率上不動(dòng)或受到較大影響，產(chǎn)生巨大誤差。

（3）溫度變化會(huì)導(dǎo)致頻率值變化，這在實(shí)際工作中無(wú)法校準(zhǔn)。

（4）傳統(tǒng)傳感器使用的頻率段為80～150 MHz，在某種土壤環(huán)境中可能會(huì)出現(xiàn)頻率倒置現(xiàn)象，即水中頻率大于土壤中頻率（校準(zhǔn)時(shí)水中頻率是最低的，對(duì)應(yīng)土壤水分100%），此時(shí)土壤的水分超過了100%，測(cè)量失去意義。

3.1.2 土壤水分傳感器的測(cè)量方法 本研究設(shè)計(jì)的傳感器采用的測(cè)量方法為直接微小電容測(cè)量法，測(cè)量頻率為晶體振蕩器輸出的固定頻率，具備以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通LC振蕩回路所產(chǎn)生的頻率（穩(wěn)定度為10-6量級(jí)）其次不存在輸入分布電容及受外界溫度影響觀測(cè)結(jié)果的問題。

（2）測(cè)量頻率采用固定中高頻率，沒有頻率倒置現(xiàn)象。

（3）測(cè)量電容變化轉(zhuǎn)換為直流電壓輸出，通過單片機(jī)的ADC通道采集，直流電壓上設(shè)置了低通濾波器，可有效濾除干擾。

（4）由于采用的是固定主動(dòng)頻率源激勵(lì)，銅環(huán)即使去掉，頻率輸出也不會(huì)變化，因此不存在頻率牽引現(xiàn)象。

經(jīng)分析認(rèn)為，本項(xiàng)目技術(shù)從測(cè)量穩(wěn)定性、測(cè)量準(zhǔn)確度、校準(zhǔn)便利性方面遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)FDR法傳感器。

3.2 電容直測(cè)式土壤水分傳感器的測(cè)量電性能

按照新型傳感器測(cè)量電性能測(cè)試試驗(yàn)方法，在測(cè)試介質(zhì)容器內(nèi)制作了厚度12 cm的240目石英砂與蒸餾水的混合物模擬土壤，作為測(cè)試介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)樣本。測(cè)試的模擬土壤體積含水量分別為0%（空氣中）、100%（水中）、0.5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%。測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

數(shù)據(jù)表中的歸一化電容按照公式(1)進(jìn)行計(jì)算。

為了反應(yīng)土壤含水量與傳感器電容測(cè)量值之間的關(guān)系，對(duì)新型自動(dòng)土壤水分傳感器歸一化電容與土壤容積含水量θv進(jìn)行了多項(xiàng)式擬合。擬合曲線圖及關(guān)系式如圖2所示。傳統(tǒng)FDR法傳感器擬合曲線圖如圖3所示[16-17]。

圖2 新型自動(dòng)土壤水分傳感器歸一化電容與土壤容積含水量θv的多項(xiàng)式擬合曲線圖

圖3 傳統(tǒng)自動(dòng)土壤水分傳感器歸一化頻率與土壤容積含水量θv的多項(xiàng)式擬合曲線圖

通過擬合曲線可以看出，新型自動(dòng)土壤水分傳感器多項(xiàng)式擬合曲線相關(guān)系數(shù)接近于1，遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)業(yè)務(wù)用傳統(tǒng)FDR法傳感器。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)測(cè)試，本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)土壤水分傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)土壤水分的測(cè)量。其測(cè)量性能與傳統(tǒng)FDR法傳感器相比，測(cè)量精度及測(cè)量準(zhǔn)確性更高。

3.3 新型傳感器與傳統(tǒng)FDR傳感器的抗土壤溫度變化特性定性對(duì)比分析

經(jīng)實(shí)驗(yàn)定性對(duì)比分析，本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的自動(dòng)土壤水分傳感器受環(huán)境溫度影響極小，可忽略不計(jì)。而傳統(tǒng)FDR法傳感器受溫度影響較大。

3.4 新型傳感器與傳統(tǒng)FDR法傳感器的抗土壤溫度變化特性定性對(duì)比分析

無(wú)論是本項(xiàng)目技術(shù)還是傳統(tǒng)FDR法傳感器，都是通過土壤特性對(duì)電磁輻射的反饋原理實(shí)現(xiàn)測(cè)量的，土壤鹽堿性對(duì)測(cè)量結(jié)果有不可忽略的影響[18]。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)定性對(duì)比分析，本研究所設(shè)計(jì)的自動(dòng)土壤水分傳感器因使用固定中高頻信號(hào)激發(fā)傳感器工作，受土壤鹽堿性影響在可接受范圍內(nèi)，遠(yuǎn)小于現(xiàn)業(yè)務(wù)用傳統(tǒng)FDR法傳感器。而現(xiàn)業(yè)務(wù)用傳統(tǒng)FDR法傳感器受土壤鹽堿性影響較大，土壤濕度越大則頻率越低，相應(yīng)的鹽堿度影響越大[19-22]，測(cè)試中發(fā)現(xiàn)某型號(hào)傳感器在高濕高鹽的土壤環(huán)境中出現(xiàn)頻率倒置現(xiàn)象[23-25]。

4 結(jié)論與討論

通過對(duì)比分析或試驗(yàn)，結(jié)果表明新型自動(dòng)土壤水分傳感器可以實(shí)現(xiàn)土壤水分的連續(xù)監(jiān)測(cè)，滿足傳感器的測(cè)量性能需求。新型自動(dòng)土壤水分傳感器與傳統(tǒng)FDR法自動(dòng)土壤水分傳感器相比，標(biāo)定過程相對(duì)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度及測(cè)量準(zhǔn)確性更高、抗干擾性更強(qiáng)、穩(wěn)定性更高、受環(huán)境溫度影響極小、受土壤鹽堿性影響遠(yuǎn)小于現(xiàn)業(yè)務(wù)用傳統(tǒng)FDR法傳感器，具備繼續(xù)研究的價(jià)值。同時(shí)新型自動(dòng)土壤水分傳感器性能只完成了實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)測(cè)試，還需要大量更準(zhǔn)確詳細(xì)的實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用測(cè)試。另外目前完成的只是傳感器關(guān)鍵技術(shù)，業(yè)務(wù)應(yīng)用前需要進(jìn)行自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀的設(shè)計(jì)。