FDR型土壤水分儀的溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳海波，陳 濤，胡錦濤，趙國(guó)強(qiáng)，師麗魁

（1.中國(guó)氣象局·河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,鄭州 450003；2.河南省氣象科學(xué)研究所,鄭州 450003；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，鄭州 450047）

0 引 言

土壤水分是植物所需水分的重要來源，是土壤的重要參量，在農(nóng)業(yè)、氣象、水利和生態(tài)等領(lǐng)域的服務(wù)與研究工作中必不可少，土壤水分觀測(cè)為農(nóng)田節(jié)水抗旱提供了重要保障，及時(shí)掌握土壤水分分布情況和變化規(guī)律，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)時(shí)服務(wù)和理論研究具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外自動(dòng)土壤水分觀測(cè)的方法有很多種，其中利用土壤的介電特性來測(cè)量土壤含水量是一種科學(xué)、簡(jiǎn)便且可靠的方法，F(xiàn)DR 頻域反射法和TDR（Time Domain Reflectometry）時(shí)域反射法都屬于基于土壤介電特性的土壤水分測(cè)量方法，并在農(nóng)業(yè)、水利等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1,2]。我國(guó)氣象部門在各?。▍^(qū)、市）都建設(shè)了自動(dòng)土壤水分觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，能提供實(shí)時(shí)土壤水分觀測(cè)服務(wù)，其中采用FDR 水分傳感器的設(shè)備布設(shè)2 000余套，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)隨著晝夜溫度變化而出現(xiàn)不同程度的日波動(dòng)，而人工觀測(cè)數(shù)據(jù)并未有此類現(xiàn)象，通過對(duì)影響儀器觀測(cè)精度的各種原因進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)土壤水分觀測(cè)精度受溫度影響，并具有一定的相關(guān)性，通過溫度補(bǔ)償算法處理后，可降低由于地溫變化引起的土壤水分測(cè)量誤差。

當(dāng)前，關(guān)于土壤水分測(cè)量傳感器和地溫測(cè)量傳感器的研究較多，在土壤溫度對(duì)土壤水分傳感器觀測(cè)影響并進(jìn)行數(shù)據(jù)修正方面也有部分學(xué)者進(jìn)行了研究，曹美[3]（2015年）、張健[4]（2018年）等在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了溫度對(duì)土壤水分影響的修正試驗(yàn)，通過二元回歸法進(jìn)行補(bǔ)償，測(cè)試數(shù)據(jù)可更接近真實(shí)值，但對(duì)土壤水分和地溫雙參數(shù)融合測(cè)量的傳感器研究并進(jìn)行實(shí)地應(yīng)用則較為少見，本文將FDR 技術(shù)和半導(dǎo)體測(cè)溫技術(shù)相結(jié)合，土壤水分測(cè)量基于FDR 高頻電子技術(shù)，通過測(cè)量土壤的介電常數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤水分的觀測(cè)，利用半導(dǎo)體測(cè)溫技術(shù)為土壤水分觀測(cè)儀增加了地溫測(cè)量要素，并在鄭州農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)試驗(yàn)站的土壤水分試驗(yàn)場(chǎng)安裝運(yùn)行，進(jìn)行土壤水分觀測(cè)的溫度補(bǔ)償試驗(yàn)及驗(yàn)證，以期提高自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀的溫度適用性，降低土壤水分觀測(cè)精度受地溫變化的影響，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)研究等領(lǐng)域提供更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。

1 測(cè)量原理

1.1 土壤水分測(cè)量原理

多年來，科研人員不斷探索土壤水分的自動(dòng)觀測(cè)方法，Topp 等人提出土壤體積含水量與其相對(duì)介電常數(shù)之間存在著確定性的單值多項(xiàng)式關(guān)系，通過測(cè)量土壤的相對(duì)介電常數(shù)即可實(shí)現(xiàn)精確測(cè)定土壤的體積含水量[5,6]。

本文設(shè)計(jì)的土壤水分傳感器基于FDR 頻域反射原理工作，利用LC 振蕩電路產(chǎn)生的電磁波受到其周圍介質(zhì)變化的影響，振蕩頻率會(huì)隨之發(fā)生明顯的變化的現(xiàn)象，進(jìn)行土壤水分的反演。在常溫（20 ℃）狀態(tài)下，空氣的介電常數(shù)為1，干土約3～7，純水為80.4，由此可見，在非凍土狀態(tài)下，土壤中水分含量的變化對(duì)整體介電常數(shù)影響最大，因此，利用此特性，通過大量對(duì)比試驗(yàn)，進(jìn)行對(duì)比標(biāo)定，能對(duì)土壤水分進(jìn)行精確測(cè)量。FDR 土壤水分傳感器由一對(duì)圓環(huán)狀極板構(gòu)成，形成LC振蕩回路[7]，如圖1所示。

圖1 FDR土壤水分傳感器感應(yīng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of FDR soil moisture sensor sensing

傳感器工作時(shí)可產(chǎn)生振蕩信號(hào)，信號(hào)頻率變化范圍在100～150 MHz之間。振蕩頻率F為：

當(dāng)土壤中水分含量發(fā)生變化時(shí)，土壤的介電特性也隨之會(huì)發(fā)生變化，即振蕩頻率公式中的土壤電容C發(fā)生變化，進(jìn)而引起LC振蕩回路的頻率發(fā)生變化，傳感器在土壤中的振蕩頻率信號(hào)經(jīng)過分頻處理，再通過對(duì)比試驗(yàn)得到的標(biāo)定參數(shù)轉(zhuǎn)換，即可得到土壤體積含水量θv

[8]為：

式中：a、b 為待定參數(shù)；SF為土壤水分傳感器采集的信號(hào)經(jīng)處理后得到的歸一化頻率。

1.2 地溫測(cè)量原理

溫度是用來表征物體冷熱程度的物理量，地溫指的是土壤的溫度，它的變化主要受到氣溫、地?zé)?、太?yáng)輻射等因素的影響。土壤溫度可以通過與其接觸的物體隨溫度變化而表現(xiàn)出的一些特性（如電阻、膨脹系數(shù)等）來間接測(cè)量。目前應(yīng)用較為廣泛的測(cè)溫方法為鉑（Pt）電阻法，它的阻值隨溫度的變化具有很好的規(guī)律性和穩(wěn)定性，利用鉑的此種物理特性可制成鉑電阻溫度傳感器。本文試驗(yàn)采用的土壤溫度傳感器為鉑電阻傳感器，具有測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好，測(cè)量范圍廣等特點(diǎn)，鉑電阻溫度傳感器在零度時(shí)表現(xiàn)出的電阻值為100 Ω，隨著溫度的上下波動(dòng)，其電阻的變化率約為1.385 1 Ω/℃[9]。

1.3 溫度補(bǔ)償原理

通過對(duì)土壤樣本在不同溫度下進(jìn)行取樣烘干測(cè)量發(fā)現(xiàn)，土壤溫度的變化對(duì)土壤樣本含水量并無(wú)較大影響，但對(duì)土壤水分儀觀測(cè)數(shù)據(jù)則有一定影響，由土壤水分自動(dòng)觀測(cè)原理可知，當(dāng)土壤溫度發(fā)生變化時(shí)，土壤的相對(duì)介電常數(shù)發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致FDR水分傳感器的振蕩頻率發(fā)生變化[3]。為降低溫度變化對(duì)土壤水分傳感器測(cè)量結(jié)果的影響，建立特定的溫度修正模型對(duì)傳感器振蕩頻率進(jìn)行修正，可降低非凍土狀態(tài)下土壤溫度波動(dòng)對(duì)土壤水分傳感器測(cè)量精度的影響。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于采用填埋方式安裝的傳感器，維修或更換時(shí)需將土層挖開，操作較為復(fù)雜，因此，本文設(shè)計(jì)的傳感器采用插管式結(jié)構(gòu)，可方便進(jìn)行維護(hù)更換。傳感器由一個(gè)提環(huán)、一個(gè)異形槽、一個(gè)控制處理電路板（LY0105）和若干節(jié)傳感節(jié)點(diǎn)組成，傳感器結(jié)構(gòu)為插桿多層式，傳感器外部使用PVC 保護(hù)套管，電磁波對(duì)PVC 材質(zhì)具有良好的穿透性，既能對(duì)傳感器進(jìn)行有效保護(hù)，又不影響傳感器對(duì)套管外部土壤水分觀測(cè)，套管頂部有防水帽，底部有防水堵頭。圖2即為插管式土壤水分溫度傳感器上部的結(jié)構(gòu)圖，傳感器的數(shù)量可根據(jù)測(cè)量需要進(jìn)行調(diào)整，最多可安裝16 組，默認(rèn)為8 組，每一組傳感器由兩個(gè)銅環(huán)電容、半導(dǎo)體溫度傳感器、電路板（LY0102）和片選電路板（LY0101）組成。傳感器外部為一下端密閉的PVC 保護(hù)套管，套管通過安裝工具緊密的垂直插入在土壤中[10,11]。

圖2 插管式土壤水分溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of intubation type soil moisture temperature sensor

傳感器的圓環(huán)形電容外徑與套管內(nèi)徑相同，可以插入套管中并與管壁無(wú)縫緊密接觸。傳感器芯材為兩片拼接的圓柱型，在芯材上等間距開孔便可放入鉑電阻，維修時(shí)將傳感器拔出，打開拼接的芯材，即可維修或更換相應(yīng)的鉑電阻傳感器[12,13]。電阻外部包裹材料為導(dǎo)熱性能好的金屬片并緊貼套管壁，鉑電阻與金屬片緊密接觸，可最大程度降低土壤溫度測(cè)量時(shí)因熱量傳導(dǎo)過慢引起的滯后性。

2.2 電路設(shè)計(jì)

插管式土壤水分溫度傳感器主要由控制處理單元、頻率采集單元、溫度采集單元、片選單元等四部分組成[14]。傳感器各部分組成如圖3所示。

圖3 插管式土壤水分溫度傳感器原理圖Fig.3 Schematic diagram of intubation soil moisture temperature sensor

控制處理單元板包括1 個(gè)CPU，1 個(gè)電源轉(zhuǎn)換單元，一個(gè)8路電子開關(guān)，1個(gè)4芯插座，1個(gè)20芯排線端子。CPU負(fù)責(zé)各種控制信號(hào)的控制、頻率溫度信號(hào)的處理計(jì)算、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；1個(gè)電源轉(zhuǎn)換單元實(shí)現(xiàn)+12 V 到+5 V 轉(zhuǎn)換；1個(gè)8路電子開關(guān)接收CPU 的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)8 路頻率采集單元的分時(shí)供電。4芯插座接收上位機(jī)的+12 V 供電，實(shí)現(xiàn)控制處理單元與上位機(jī)的485 通訊；20 芯排線端子主要包括GND、+12 V、+5 V、8路分時(shí)供電控制信號(hào)端口、頻率信號(hào)端口和溫度信號(hào)端口。

2.3 設(shè)計(jì)指標(biāo)

土壤水分和溫度傳感器采用模塊化設(shè)計(jì)，可任意組合，傳感器測(cè)量深度可根據(jù)需求確定，測(cè)量深度可為10 cm 倍數(shù)。傳感器測(cè)量的土壤水分分辨率為0.1%，經(jīng)標(biāo)定后體積含水量誤差±5%；溫度測(cè)量范圍為-55～85 ℃，測(cè)量精度±0.5 ℃，能滿足農(nóng)業(yè)、水利、氣象等領(lǐng)域?qū)ν寥浪旨皽囟葴y(cè)量精度的要求[15,16]。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

對(duì)土壤水分和溫度傳感器進(jìn)行改造，為與外場(chǎng)試驗(yàn)站點(diǎn)人工取土數(shù)據(jù)層次一致，傳感器的觀測(cè)層次設(shè)置為5層，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)土柱法測(cè)試檢驗(yàn)，利用200目石英砂和蒸餾水進(jìn)行配比，制作模擬土壤樣本，通過專用工具壓制成標(biāo)準(zhǔn)土柱，如圖4所示，測(cè)量傳感器土壤水分觀測(cè)值，水分值選取烘干法為標(biāo)準(zhǔn)，器測(cè)值與烘干法對(duì)比結(jié)果見表1，體積含水量平均絕對(duì)誤差為2.01%，各層的絕對(duì)誤差均能夠控制在2.5%以內(nèi)。

表1 器測(cè)值與烘干法體積含水量絕對(duì)誤差Tab.1 The absolute error of the measured value of the instrument and the volumetric water content of the drying method

圖4 石英砂模擬土壤樣本Fig.4 Quartz sand simulated soil sample

溫度對(duì)比試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，利用高低溫檢測(cè)箱，設(shè)置多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溫度值對(duì)傳感器進(jìn)行檢測(cè)，在每個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定1 h，確保傳感器和檢測(cè)箱內(nèi)環(huán)境溫度一致，盡量降低由于熱量傳導(dǎo)引起的溫度滯后誤差。傳感器測(cè)量值與實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比結(jié)果見表2，設(shè)備測(cè)量值和標(biāo)準(zhǔn)值之間最大誤差在0.2 ℃以內(nèi)。

表2 溫度測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比Tab.2 Comparison of temperature measurement value and standard value

3.2 外場(chǎng)試驗(yàn)

2018年1月至2019年5月，F(xiàn)DR自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀的標(biāo)定和結(jié)果驗(yàn)證在鄭州農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)觀測(cè)站進(jìn)行，該站位于113°39′E，34°43′N，海拔110.4 m，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冷暖氣團(tuán)交替頻繁，春夏秋冬四季分明，試驗(yàn)區(qū)冬季干冷，雨雪稀少；春季干燥少雨多風(fēng)；夏季比較炎熱，降水高度集中；秋季氣候涼爽，時(shí)間短促。該試驗(yàn)站全年平均氣溫14.8 ℃，年平均降雨量641.3 mm，年日照時(shí)間約2 015.5 h，土壤類型為粉壤土（見表3）。本文使用的分析資料為人工觀測(cè)及FDR 自動(dòng)觀測(cè)獲得的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)。人工和傳感器所測(cè)土層深度分別為0～10、10～20、20～30、30～40 和40～50 cm，共5層。試驗(yàn)儀器安裝在大型水分試驗(yàn)場(chǎng)，地表農(nóng)作物為冬小麥—夏玉米輪作。取樣點(diǎn)在傳感器安裝點(diǎn)2 m 開外呈圓環(huán)形均勻分布，每次取4 個(gè)重復(fù)并做好標(biāo)記，以免在同一測(cè)定重復(fù)取樣。

表3 鄭州農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)觀測(cè)站不同土層土壤物理性質(zhì)Tab.3 Soil physical properties of different soil layers in Zhengzhou agricultural meteorological experimental observation station

2018年1月，改造完成后的FDR 自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀通過專用安裝工具在鄭州農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)觀測(cè)站進(jìn)行了安裝，如圖5所示，傳感器安裝深度為50 cm，設(shè)備采用太陽(yáng)能板和蓄電池組合的供電方式，可每天24 h 不間斷運(yùn)行，每10 min 采集一次數(shù)據(jù)，獲取不同深度土層的水分和溫度值，觀測(cè)數(shù)據(jù)通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)上傳至專用數(shù)據(jù)庫(kù)，以便提取分析。一般認(rèn)為，傳統(tǒng)的人工取土烘干稱重測(cè)得的土壤水分值是可信的，可以作為其它各種土壤含水量測(cè)量方法的校正標(biāo)準(zhǔn)[17-19]。因此，本試驗(yàn)以人工取土烘干法測(cè)得的土壤水分值作為標(biāo)準(zhǔn)值，與器測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。

圖5 試驗(yàn)儀器安裝效果圖Fig.5 Installation effect drawing of test instrument

3.3 分析與處理

3.3.1 溫度影響分析

通過跨年度的對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)區(qū)環(huán)境歷經(jīng)四季變化，安裝FDR 自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀的土壤環(huán)境溫度也經(jīng)歷了一個(gè)完整的高低溫周期變化，收集人工與器測(cè)土壤水分對(duì)比觀測(cè)資料[20]，對(duì)傳感器體積含水量誤差和地溫之間的關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果表明：FDR 型土壤水分傳感器與人工測(cè)量的差值（烘干值減器測(cè)值）和地溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（見表4），且這種負(fù)相關(guān)隨土壤深度增加、土壤環(huán)境中干擾因素的減少愈加顯著[21,22]。各層傳感器與人工觀測(cè)差值受溫度影響如圖6所示，地溫越高差值越小，反之，地溫越低差值越大。通過分析發(fā)現(xiàn)，差值最小時(shí)的地溫T為20 ℃，地溫高于20 ℃時(shí)差值為負(fù)，傳感器測(cè)量土壤水分值大于實(shí)際值，低于20 ℃時(shí)差值為正，傳感器測(cè)量土壤水分值小于實(shí)際值。

圖6 各層土壤水分觀測(cè)誤差值與溫度關(guān)系Fig.6 The relationship between the observation error value of soil moisture in each layer and the temperature

表4 各層土壤水分測(cè)量誤差與地溫相關(guān)性Tab.4 Correlation between soil moisture measurement errors of each layer and ground temperature

3.3.2 修正模型構(gòu)建與驗(yàn)證

由土壤水分觀測(cè)原理可知，土壤介電常數(shù)是土壤水分測(cè)量的關(guān)鍵，溫度對(duì)土壤水分的影響的實(shí)質(zhì)是土壤介電常數(shù)隨溫度的變化而變化[23-25]。因此，對(duì)FDR傳感器來說，分析溫度對(duì)其在土壤中測(cè)量頻率的影響，建立土壤頻率與溫度之間的關(guān)系模型[26]，對(duì)傳感器測(cè)量頻率進(jìn)行修正，降低地溫變化對(duì)傳感器振蕩頻率的影響，即可提高土壤水分測(cè)量的準(zhǔn)確性。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，土壤溫度與以20 ℃為基準(zhǔn)的頻率的相對(duì)變化率之間存在線性關(guān)系，為保持在土壤溫度變化時(shí)傳感器頻率的穩(wěn)定，建立基于溫度變化的頻率修正模型為：

式中：f為修正后的頻率；fs為傳感器測(cè)量頻率；t為土壤溫度。

為驗(yàn)證模型效果，對(duì)不同地溫條件下的土壤水分抽樣數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，修正前后土壤水分對(duì)比曲線如圖7所示，可直觀看出，修正前土壤水分隨地溫變化趨勢(shì)明顯，修正后的土壤水分受土壤溫度影響較小。

圖7 基于溫度修正模型修正前后的土壤水分對(duì)比分析圖Fig.7 Comparison analysis graph of soil moisture before and after correction based on temperature correction model

4 結(jié)論與討論

（1）通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，地溫影響FDR 型土壤水分傳感器測(cè)量精度的本質(zhì)是溫度變化引起了傳感器振蕩頻率的偏移，在土壤含水量不變的情況下，出現(xiàn)了傳感器觀測(cè)值波動(dòng)，利用對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建傳感器測(cè)量頻率基于溫度的修正模型，可降低土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)受地溫變化的影響，提升觀測(cè)精度。

（2）在非凍土狀態(tài)下，地溫變化對(duì)FDR 型土壤水分儀精度有一定影響，傳感器與人工觀測(cè)差值和地溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤溫度20 ℃時(shí)，對(duì)傳感器測(cè)量精度影響最小，高于20 ℃時(shí)傳感器測(cè)量值會(huì)偏大，低于20 ℃時(shí)則會(huì)偏小，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)精細(xì)化的自動(dòng)土壤水分觀測(cè)研究在環(huán)境溫度的選取方面具有一定指導(dǎo)意義。

本文著重分析了土壤溫度對(duì)土壤水分的影響，但傳感器的PVC 材質(zhì)保護(hù)套管導(dǎo)熱較慢會(huì)造成地溫?cái)?shù)據(jù)存在一定的滯后性，除此之外，保護(hù)套管與土壤的緊密度、土壤質(zhì)地的均一性、土壤植被種類等因素也會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成一定影響，因此，還需對(duì)各影響因子進(jìn)一步研究以提升模型修正效果。