土壤水分-基質(zhì)勢-溫度復(fù)合傳感器研制

林昱檳，程 強(qiáng)，向梓薇，顏小飛

土壤水分-基質(zhì)勢-溫度復(fù)合傳感器研制

林昱檳1，程 強(qiáng)2，向梓薇1，顏小飛1※

（1. 北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083）

土壤水分、基質(zhì)勢是描述土壤持水特性的重要參數(shù)，不同類型土壤的水分特征曲線存在明顯差異。目前在野外環(huán)境下通常采用傳感器分離測量法測定土壤水分特征曲線，但因土壤的空間異質(zhì)性導(dǎo)致較大的測量誤差。為此，該研究設(shè)計了一種可同步測量土壤水分、基質(zhì)勢和溫度的復(fù)合傳感器，主要組成部分包括32位MCU主控芯片、繼電器切換模塊、介電水分/基質(zhì)勢測量模塊和溫度測量模塊，主控芯片通過控制繼電器切換實現(xiàn)土壤水分、基質(zhì)勢和溫度的同步測定，同時進(jìn)行溫度校正。采用森林土壤、農(nóng)田壤土和砂土對復(fù)合傳感器進(jìn)行性能測試、標(biāo)定和觀測試驗，并與商業(yè)化儀器的測量結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果表明：在干燥至近飽和范圍內(nèi)，復(fù)合傳感器測定的土壤水分和基質(zhì)勢均具有良好的單調(diào)性，決定系數(shù)2均大于0.98，土壤體積含水率和基質(zhì)勢的測量范圍分別為0%～40%和-1 500～-15 kPa，水分和基質(zhì)勢的響應(yīng)時間分別為450 ms和150 s。采用商業(yè)化儀器分離測量方法與本文復(fù)合傳感器分別同步測定森林土壤、農(nóng)田壤土和砂土的水分特征曲線，2種方法測得的土壤水分特征曲線的皮爾遜相關(guān)系數(shù)均大于0.96。本文研制的復(fù)合傳感器可以實現(xiàn)不同類型土壤水分特征曲線的準(zhǔn)確測定，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域提供可靠的技術(shù)支持。

傳感器；溫度；土壤；基質(zhì)勢；特征曲線

0 引 言

土壤水分特征曲線（soil water characteristic curve，SWCC）描述了土壤水分與吸力（基質(zhì)勢）之間的關(guān)系，是土壤水力特性的重要指標(biāo)，反映了土壤水的數(shù)量與能量之間的關(guān)系[1]。通過SWCC可探究不同質(zhì)地土壤的持水特性、植物可利用的有效土壤水分、土壤孔隙結(jié)構(gòu)的分布特征等，同時在利用數(shù)學(xué)物理方法分析土壤中水的運動規(guī)律時具有重要作用[2]。

目前SWCC的測定主要采用水分和基質(zhì)勢分離測量的方法，土壤水分測量方法主要有烘干法、遙感法、放射法、介電法等[3-6]；土壤基質(zhì)勢測量方法主要有張力計法、壓力室法、介電法、離心機(jī)法等[7]。在土壤水分測量方法中，烘干法作為最準(zhǔn)確的測量方法，一般用于實驗室測量，缺點在于對土壤取樣是破壞性的，且耗時較長[8]；遙感法通常用于測量大片區(qū)域的土壤表層水分，但是容易受到地表植被覆蓋的影響[9]；放射法的測定依據(jù)是土壤中的水分會影響放射線的衰減，測量準(zhǔn)確，其缺點在于放射線對人體有傷害[10]；介電法具有操作方便、響應(yīng)速度快、可用于野外原位測量等優(yōu)點，成為目前主要的土壤水分測量方式[11-12]。在土壤基質(zhì)勢測量方法中，張力計可用于田間原位測量，但測量范圍較?。?80～0 kPa），且需要較長的平衡時間[13]；壓力室測量最為準(zhǔn)確但平衡時間最長，需要對土壤進(jìn)行破壞性采樣且只能在實驗室中測量[14-15]；離心機(jī)法通過設(shè)定轉(zhuǎn)速對土壤施加不同壓力，會導(dǎo)致土壤吸力發(fā)生變化，影響SWCC測量的準(zhǔn)確性，同時也需要破壞性采樣，只適用于實驗室測量[16]；介電法可實現(xiàn)原位測定，通過測量與土壤達(dá)成水力平衡的介質(zhì)的基質(zhì)勢來間接獲得土壤基質(zhì)勢，如商用的TEROS 21傳感器[17-18]，但其價格比較昂貴。本課題組研制的基于介電法的同軸多孔傳感器[19]可用于土壤基質(zhì)勢的低成本原位測量。

采用分離測量法測定SWCC會不可避免地因土壤空間異質(zhì)性存在測量誤差，而且現(xiàn)有測量儀器存在價格昂貴、測量范圍小或無法進(jìn)行原位測定等缺點。因此，本文基于介電法研制了一種可同步測量土壤水分、基質(zhì)勢和溫度的復(fù)合傳感器，以降低分別放置傳感器時因土壤空間異質(zhì)性造成的測量誤差，實現(xiàn)SWCC的原位測定。

1 材料與方法

1.1 測量原理

1.1.1 水分測量原理

水的相對介電常數(shù)（常溫下為81）與干土的相對介電常數(shù)（約為3）差異較大，可通過測定土壤介電常數(shù)變化來反映土壤水分變化[20]，因此，本文基于駐波比原理來實現(xiàn)土壤水分和基質(zhì)勢的測定。根據(jù)傳輸線理論，傳輸線阻抗與負(fù)載阻抗相等時，傳輸線上不會產(chǎn)生反射波，當(dāng)傳輸線與負(fù)載阻抗不匹配時，傳輸線上則會產(chǎn)生反射波，入射波與反射波疊加形成駐波。駐波比定義為駐波的波峰與波谷的比值，傳輸線阻抗與負(fù)載阻抗不匹配的程度影響反射波的大小，因此也會影響駐波比的大小。

本文所設(shè)計的測量電路主要由有源晶體振蕩器、檢波器和放大器組成，如圖1所示。研究表明，土壤介電常數(shù)的測定受測量頻率影響，在低于100 MHz的測量頻率下，土壤中的鹽分會對測量結(jié)果造成較大干擾，而在100～500 MHz的測量頻率范圍內(nèi)，測量結(jié)果受到的干擾較小[11,21]。因此，本文采用100 MHz作為測量頻率。在設(shè)計電路時，首先需要進(jìn)行阻抗匹配，使傳輸線的特征阻抗0與置于空氣中的探頭阻抗相等。當(dāng)探頭埋入土壤中，探頭及其周圍土壤的阻抗Z發(fā)生變化，此時0與Z不匹配，傳輸線上產(chǎn)生駐波，通過檢波器檢測電壓差并最終通過放大器輸出為電壓值U：

式中A為放大器的增益。通過放大器放大檢波輸出U與U的電壓差值，得到傳感器的輸出電壓。由圖1可知，電壓與阻抗的關(guān)系為

式中Z為探頭及其周圍土壤的混合阻抗，Ω，為土壤的介電常數(shù)。

將式（2）代入式（1）可得：

由式（3）可知，當(dāng)探頭周圍的土壤水分含量發(fā)生變化時，傳感器的輸出電壓U也隨之改變。

注：U、U為檢波器A、B的電壓，V；U為傳感器的輸出電壓，V；0為傳輸線的特征阻抗，Ω；Z為探頭與周圍土壤的混合阻抗，Ω。

Note: U、Uis the voltage of detector A and B,V. Uis the output of sensor, V;0is the transmission line characteristic impedance, Ω.Zis the mixed impedance of probe and surrounding soil, Ω.

圖1 測量電路原理圖

Fig.1 Schematic of measurement circuit

1.1.2 基質(zhì)勢測量原理

土壤基質(zhì)勢的測定同樣基于介電原理，在所設(shè)計的基質(zhì)勢測量探頭中填充水分特征曲線穩(wěn)定的多孔材料?；|(zhì)勢探頭埋置于土壤后，根據(jù)水力平衡原理，土壤與探頭中的多孔材料有勢能差，致使水分在兩者之間運動并最終達(dá)到平衡，此時土壤與探頭中多孔材料的基質(zhì)勢相等，即

1.1.3 溫度測量原理

常用的溫度傳感器有數(shù)字式溫度傳感器、集成溫度傳感器、熱電偶以及熱電阻等。熱電阻以其成本低廉、使用簡單、適用范圍廣的特點得到了廣泛應(yīng)用。在測量范圍（-200～850 ℃）內(nèi)，PT100的溫度計算式為

PT100有多種接線方式，其中兩線制最簡單，四線制精度最高，本文綜合接線和精度要求，采用三線接法，同時使用恒流源連接鉑電阻[26]。溫度變化會引起鉑電阻的阻值變化，從而轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷醯碾妷鹤兓偻ㄟ^放大電路以及A/D轉(zhuǎn)換電路和公式換算獲得溫度值。

1.2 復(fù)合傳感器探頭

土壤基質(zhì)勢探頭如圖2所示。同軸多孔探頭包含內(nèi)外2個電極，電極材料為不銹鋼，內(nèi)部電極作為發(fā)射極，外部環(huán)形多孔電極作為接收極，內(nèi)外電極之間填充的多孔材料為石膏，土壤中的水分可通過多孔電極與內(nèi)部填充的石膏進(jìn)行交換，從而達(dá)到內(nèi)外的基質(zhì)勢平衡，即電極外部土壤與內(nèi)部石膏的基質(zhì)勢相同。

所設(shè)計的復(fù)合傳感器如圖2c所示。溫度測量采用PT100鉑電阻。采用探頭復(fù)用的方式進(jìn)行水分測量，將溫度探頭和基質(zhì)勢探頭作為土壤水分測量的2個電極，其中溫度探頭外殼作為發(fā)射極，與基質(zhì)勢探頭外部電極組成類雙針式測量結(jié)構(gòu)，可測量溫度探頭與基質(zhì)勢探頭之間的土壤水分。傳感器工作電壓范圍為6～32 V，水分測量電路的輸出信號為模擬信號，輸出電壓為0～2 V，溫度測量范圍-25～45 ℃。

復(fù)合傳感器的測量過程如下：首先進(jìn)行基質(zhì)勢和溫度測量。基質(zhì)勢探頭帶有中心發(fā)射極和接收極，可直接測量探頭中柱狀石膏的水分，在探頭內(nèi)的石膏與土壤達(dá)到水力平衡后，傳感器的輸出值反映了石膏的水含量，通過標(biāo)定建立傳感器輸出與土壤基質(zhì)勢的對應(yīng)關(guān)系，從而得到獲得土壤基質(zhì)勢。同時，溫度探頭測量此時的土壤溫度。然后，控制切換電路進(jìn)行土壤水分測量，此時溫度探頭作為發(fā)射極，基質(zhì)勢探頭的外殼作為接收極，測量兩個探頭之間的土壤水分，從而完成一次土壤水分、基質(zhì)勢和溫度的測量，并將測量數(shù)據(jù)存儲于TF卡中。

1.供電模塊 2.控制模塊 3.存儲模塊 4.土壤水分測量電路 5.切換電路 6.土壤基質(zhì)勢探頭 7.溫度探頭 8.土壤水分探頭

1.3 性能測試試驗

1.3.1 復(fù)合傳感器的單調(diào)性

復(fù)合傳感器使用繼電器切換測量通路，切換電路以及探頭分布造成的參數(shù)變化會使傳感器與探頭之間的傳輸線阻抗出現(xiàn)不匹配的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致傳感器在測量水分以及基質(zhì)勢的過程中輸出值不單調(diào)，影響傳感器測量的準(zhǔn)確性，因此需要設(shè)計不同長度的傳輸線來保證阻抗匹配。本文設(shè)計包含不同長度傳輸線的PCB板，調(diào)整傳感器至探頭間傳輸線的長度，然后依次連接探頭，測試探頭在干燥至濕潤過程中傳感器輸出電壓的變化。若傳感器輸出電壓不單調(diào)，則調(diào)整傳輸線長度，直至復(fù)合傳感器的水分和基質(zhì)勢輸出電壓與土壤水分之間呈現(xiàn)單調(diào)性。

1.3.2 復(fù)合傳感器的標(biāo)定

為保證測量的準(zhǔn)確性，在實驗室條件下對傳感器進(jìn)行標(biāo)定。本文分別對3種不同類型的土壤（森林土壤、農(nóng)田壤土和砂土）進(jìn)行水分測量標(biāo)定。其中，森林土壤采集自北京市鷲峰國家森林公園（39°54′N，116°28′E）中鵝耳櫟、油松和栓皮櫟混交林，農(nóng)田壤土和砂土采集自中國農(nóng)業(yè)大學(xué)甘肅石羊河試驗站（45°93′N，114°83′E）。首先使用粗篩（孔徑6 mm）將土壤中的石塊、樹枝等雜物濾除，然后使用細(xì)篩（孔徑2 mm）將土壤過篩，在105 ℃下烘干24 h。

取640 g烘干后的土壤，加入32 g水，攪拌均勻，分層放入測試容器中（長16.2 cm，寬7 cm，高5 cm）并逐層壓實，同時將復(fù)合傳感器埋置于土壤中，測量土壤體積，計算質(zhì)量含水率和土壤容重，進(jìn)而得到待測土壤的體積含水率。用保鮮膜覆蓋測試容器并靜置4 h，記錄水分探頭的輸出電壓。然后取出土壤并再次加入32 g水拌勻，重新分層放入測量容器中進(jìn)行水分測量，如此往復(fù)直至土壤水分接近飽和狀態(tài)，完成各土壤樣本的水分標(biāo)定。

采用商品化的基質(zhì)勢傳感器（TEROS 21，美國METER公司）對本文研制的復(fù)合傳感器的基質(zhì)勢測量模塊進(jìn)行標(biāo)定。TEROS 21的測量范圍為-2 000～-9 kPa，其中-100～-9 kPa范圍內(nèi)測量精度為±（讀數(shù)的10%+2 kPa）；在-1 500～-100 kPa范圍內(nèi)，TEROS 21也具有良好的測量準(zhǔn)確性[27-29]。稱取640 g烘干后的土壤，分層放入測試容器中（長16.2 cm，寬7 cm，高5 cm）并逐層壓實，將2個TEROS 21傳感器與本文研制的復(fù)合傳感器埋置于同一土樣平面。采用滴灌方式濕潤土壤，滴灌點分別位于TEROS21與復(fù)合傳感器的上方，滴灌流速為0.32 L/h，直至土壤水分達(dá)到近飽和狀態(tài)，使用保鮮膜覆蓋測試容器并靜置4 h，等待土壤中水分運移趨于穩(wěn)定。之后使用風(fēng)扇風(fēng)干土壤，分別記錄土壤在濕潤至干燥過程中復(fù)合傳感器與TEROS 21的輸出值，重復(fù)此過程2次，完成基質(zhì)勢標(biāo)定。

溫度標(biāo)定使用高精度溫度計（型號DT321S，深圳華盛昌）。將復(fù)合傳感器和DT321S同時埋置于土箱中，并將土箱放置于恒溫箱中，設(shè)置恒溫箱初始溫度為-15 ℃，每90 min溫度提高5 ℃，考慮到復(fù)合傳感器的使用環(huán)境以及野外的環(huán)境溫度，本文在-15～45 ℃的溫度范圍內(nèi)對復(fù)合傳感器的溫度測量模塊進(jìn)行校準(zhǔn)。

1.3.3 復(fù)合傳感器的有效測量半徑

將復(fù)合傳感器探頭埋置于土壤中，從表面逐層移除土壤，每次移除土壤厚度約3 mm，記錄并對比每次移除土壤后傳感器的輸出電壓，得到傳感器在水分和基質(zhì)勢檢測中的有效測量半徑。當(dāng)移除土壤后傳感器輸出電壓發(fā)生較大變化時，則認(rèn)為此時覆蓋在傳感器上方的土層厚度即為傳感器的有效測量半徑。

1.3.4 傳感器的響應(yīng)時間

在林區(qū)或農(nóng)田環(huán)境中，往往因為降水或灌溉導(dǎo)致土壤含水量快速變化。當(dāng)土壤含水量發(fā)生變化時，基質(zhì)勢探頭中的石膏需要一定時間與土壤建立水勢平衡。本文通過試驗測定干燥的復(fù)合傳感器探頭埋入飽和土壤中的響應(yīng)時間。首先將探頭置于烘干箱中烘干，配置壤土飽和土樣，隨后快速將復(fù)合傳感器探頭插入濕潤土樣中，并記錄傳感器的輸出。由于水分測量的響應(yīng)時間較短，本文將傳感器的輸出接入示波器，水勢探頭響應(yīng)時間通過測量復(fù)合傳感器的輸出電壓變化特征，采樣時間設(shè)置為1 s。

1.3.5 傳感器的穩(wěn)定性

將傳感器探頭放置于容器中，填滿濕潤的土壤，并使用保鮮膜將容器封好，防止水分揮發(fā)。靜置4 h后，每隔1 min采集72 h內(nèi)復(fù)合傳感器的水分、基質(zhì)勢、溫度輸出值。

1.3.6 傳感器的溫度效應(yīng)

在環(huán)境溫度發(fā)生變化時，測量輸出值也會隨之發(fā)生變化。該影響主要體現(xiàn)在電路板的溫度系數(shù)和介電常數(shù)的溫度效應(yīng)[19]。為了降低介電常數(shù)溫度效應(yīng)的影響，根據(jù)溫度對多孔材料影響的模型[19]，得到水分和基質(zhì)勢的介電常數(shù)的溫度效應(yīng)校正系數(shù)分別為0.55和0.71。為了消除電路板的溫度系數(shù)對測量準(zhǔn)確性的影響，利用復(fù)合傳感器的溫度探頭對電路板的溫度進(jìn)行檢測，同時校正復(fù)合傳感器的輸出值。將復(fù)合傳感器放置于恒溫箱中，在-25～45 ℃的溫度范圍內(nèi)，檢測并記錄傳感器的空載輸出，根據(jù)測試數(shù)據(jù)擬合結(jié)果校正傳感器的輸出值。

1.4 不同類型土樣的SWCC測定

為探究復(fù)合傳感器測量SWCC的效果，分別使用復(fù)合傳感器與傳統(tǒng)分離測量方法在實驗室環(huán)境中同時繪制森林土壤、農(nóng)田壤土和砂土的SWCC。分離測量方法使用稱重法測量土壤水分含量；在基質(zhì)勢測量中，使用TEROS 21同步測量土壤基質(zhì)勢。

具體步驟如下：

1）在測量容器中填入待測試的干燥土壤，并分別埋入復(fù)合傳感器探頭以及TEROS21基質(zhì)勢傳感器，二者保持相同高度，在測試容器下放置高精度電子秤，并連接采集盒定時采集數(shù)據(jù)。

2）將干燥土壤滴灌（滴灌速度0.32 L/h）至近飽和狀態(tài)，然后風(fēng)干至干燥狀態(tài)。分別獲得復(fù)合傳感器與分離測量法測得的數(shù)據(jù)，并繪制SWCC。完成該類型土樣的SWCC繪制后，清理測量容器并填入另一種類型的干燥土壤。

3）重復(fù)以上過程，完成3種土樣的SWCC測定并進(jìn)行對比。

2 結(jié)果與分析

2.1 單調(diào)性測試結(jié)果

傳輸線長會直接影響反射波的相位，從而影響駐波的大小和變化趨勢，最終影響傳感器的輸出值。為保證整個測量過程中傳感器的輸出值保持單調(diào)，本研究在探頭由干燥至濕潤的過程中，對不同傳輸線長的傳感器輸出進(jìn)行測試（圖3）。當(dāng)傳輸線長分別為4、6、12、15和24 cm時，傳感器在探頭干燥時的輸出值分別為0.013、0.026、0.246、0.697和1.842 V，可見，探頭干燥狀態(tài)下，傳感器輸出隨著傳輸線長度的增加而增大。在探頭濕潤過程中，傳輸線長為4、6、12和15 cm的傳感器輸出均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，不滿足單調(diào)性需求；而傳輸線長為24 cm的傳感器輸出電壓由探頭干燥時的1.82 V逐漸降低至探頭完全濕潤時的0.013 V，具有良好的單調(diào)性。因此，本文傳感器的傳輸線長設(shè)定為24 cm。

圖3 傳感器的單調(diào)性測試結(jié)果

2.2 傳感器標(biāo)定結(jié)果

分別使用森林土壤、農(nóng)田壤土和砂土對復(fù)合傳感器進(jìn)行標(biāo)定，控制容重和加水量，得到不同體積含水率的土壤樣本，記錄傳感器的輸出電壓，并對其進(jìn)行擬合。

土壤樣本的水分標(biāo)定結(jié)果如圖4所示，傳感器輸出電壓與3種土壤的體積含水率之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，決定系數(shù)2均大于0.98，土壤體積含水率測量范圍為0%～40%。

圖4 土壤水分含量標(biāo)定結(jié)果

根據(jù)測量原理可知，本文基質(zhì)勢的測量僅與探頭內(nèi)部柱形石膏的結(jié)構(gòu)、孔隙度等因素有關(guān)，與電極外部待測土壤的類型無關(guān)，因此本文只采用森林土壤進(jìn)行基質(zhì)勢的標(biāo)定。土壤中放置復(fù)合傳感器與TEROS 21，在土壤由飽和到干燥的過程中，復(fù)合傳感器的基質(zhì)勢輸出電壓值與TEROS 21基質(zhì)勢輸出值的關(guān)系如圖5所示。根據(jù)使用手冊[30]可知，TEROS 21在-100～-9 kPa范圍內(nèi)的測量精度為±（讀數(shù)的 10%+2 kPa），在-1 500～-100 kPa范圍內(nèi)準(zhǔn)確性良好。因此，本研究使用分段擬合的方法在-100～-9 kPa、-260～-100 kPa以及小于-260 kPa三個范圍對復(fù)合傳感器的基質(zhì)勢測量范圍進(jìn)行分別標(biāo)定，由圖5可知，復(fù)合傳感器的輸出電壓與TEROS21測得的基質(zhì)勢具有良好的線性關(guān)系，3個測量范圍內(nèi)的擬合2分別為0.988 7、0.979 9和0.972 6，復(fù)合傳感器的基質(zhì)勢測量范圍為-1 500～-15 kPa。

圖5 土壤基質(zhì)勢標(biāo)定結(jié)果

將高精度溫度計與復(fù)合傳感器埋置于土箱中，并將土箱置于恒溫箱中，在-15～45 ℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié)溫度。恒溫箱初始溫度設(shè)置為-15 ℃，每30 min將溫度調(diào)高5 ℃，記錄溫度穩(wěn)定后的高精度溫度計（標(biāo)準(zhǔn)溫度）與復(fù)合傳感器溫度模塊的測試結(jié)果，如圖6所示。可以看出，復(fù)合傳感器溫度模塊具有良好的測量精度，決定系數(shù)2為0.99，滿足測量要求。

圖6 溫度標(biāo)定結(jié)果

2.3 傳感器的測量半徑

傳感器測量半徑測試結(jié)果如圖7所示，當(dāng)土層表面距離探頭17 mm時，土壤水分測量模塊的輸出電壓發(fā)生較大變化，因此，復(fù)合傳感器水分測量模塊的有效測量半徑為17 mm。由于基質(zhì)勢探頭使用了同軸多孔的設(shè)計結(jié)構(gòu)，其測量半徑只局限在探頭內(nèi)部，不受外部土層移除的影響。

圖7 傳感器有效測量半徑測試結(jié)果

2.4 傳感器的響應(yīng)時間

復(fù)合傳感器的響應(yīng)時間如圖8～圖9所示。由圖8可知，從傳感器開始響應(yīng)直至輸出電壓穩(wěn)定的時間約為450 ms。由圖9可知，在70 s左右，傳感器輸出電壓開始出現(xiàn)大幅快速變化，在100 s時，傳感器輸出電壓變化速度放緩，并在150 s時到達(dá)平衡。

圖8 土壤水分探頭響應(yīng)時間

圖9 土壤基質(zhì)勢探頭響應(yīng)時間

試驗開始時基質(zhì)勢探頭與飽和土壤的基質(zhì)勢差距很大，在60～100 s時，基質(zhì)勢探頭處于快速吸水的階段，隨著基質(zhì)勢探頭與飽和土壤的水勢差減小，在100～150 s時基質(zhì)勢探頭的吸水速度減慢；在150 s后，基質(zhì)勢探頭與飽和土壤達(dá)到水勢動態(tài)平衡，傳感器輸出變化近似為0。全過程基質(zhì)勢探頭的水勢變化趨勢是先快后慢的，基質(zhì)勢探頭的響應(yīng)時間為150 s。

2.5 傳感器的穩(wěn)定性

將復(fù)合傳感器埋入濕潤土壤中靜置4 h，待土壤中水分運移完成后開始進(jìn)行復(fù)合傳感器的穩(wěn)定性測試，此后的72 h內(nèi)，復(fù)合傳感器的基質(zhì)勢、水分輸出值保持穩(wěn)定，變化幅度均小于10 mV（圖10）。環(huán)境溫度由于空調(diào)的緣故有所起伏波動。結(jié)果可體現(xiàn)復(fù)合傳感器具有良好的穩(wěn)定性。

2.6 溫度效應(yīng)校正

由于溫度變化會導(dǎo)致電路相關(guān)參數(shù)的改變，進(jìn)而影響傳感器輸出，復(fù)合傳感器設(shè)計的溫度模塊可以準(zhǔn)確測量環(huán)境溫度，為土壤水分和基質(zhì)勢測量進(jìn)行溫度校正。為探究溫度與傳感器輸出電壓的關(guān)系，將傳感器空載放入恒溫箱中，在-25～45 ℃的范圍內(nèi)，每隔15 min向上調(diào)整一次溫度，記錄傳感器空載輸出電壓發(fā)生的變化，結(jié)果如圖11，在空載條件下，溫度由-25 ℃增加至45 ℃時，傳感器的輸出電壓下降160 mV。根據(jù)經(jīng)驗，溫度上升時，輸出電壓會隨之升高，但復(fù)合傳感器接入的傳輸線使得其輸出呈負(fù)相關(guān)，傳感器輸出電壓隨溫度升高而下降。根據(jù)不同溫度下傳感器實際輸出值相比于25 ℃標(biāo)定溫度下的偏離量，在最終輸出值加上當(dāng)前溫度產(chǎn)生的偏移量，可用于低溫或高溫環(huán)境下的溫度效應(yīng)校正。

圖10 傳感器的穩(wěn)定性測試結(jié)果

2.7 土壤水分特征線的測試結(jié)果

SWCC具有溫度效應(yīng)，在不同溫度下有所差異[31-32]，因此本文在25 ℃下對土壤水分特征線進(jìn)行測定。分別使用商業(yè)化傳感器和本文研制的復(fù)合傳感器測定森林土壤、農(nóng)田壤土和砂土的SWCC，如圖12所示。由圖12可知，2種方法測得的SWCC具有較好的一致性。試驗過程的土壤變化是干燥-濕潤-干燥，由于SWCC具有滯后性[32-33]，3種土壤的SWCC在相同水吸力情況下，干燥過程的土壤含水量大于濕潤過程的土壤含水量。對于森林土壤，2種方法測定的基質(zhì)勢與水分的皮爾遜相關(guān)系數(shù)分別為0.962與0.983；對于農(nóng)田壤土，2種方法得到的基質(zhì)勢與水分測量結(jié)果的皮爾遜相關(guān)系數(shù)分別為0.993與0.995；對于砂土，2種方法測得的基質(zhì)勢與水分的皮爾遜相關(guān)系數(shù)分別為0.979和0.998。結(jié)果表明，采用復(fù)合傳感器測量土壤水分特征曲線獲得的結(jié)果與傳統(tǒng)分離測量方法的結(jié)果相近，可代替分離測量方法實現(xiàn)不同類型土樣SWCC的測定。

圖11 溫度效應(yīng)測試結(jié)果

a. 森林土壤 a. Forest soilb. 農(nóng)田壤土 b. Farmland loamc. 砂土 c. Sandy soil

3 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種同步觀測土壤水分、基質(zhì)勢和溫度的復(fù)合傳感器，主要研究結(jié)果如下：

1）復(fù)合傳感器水分和基質(zhì)勢標(biāo)定后的決定系數(shù)2分別大于0.98和0.97，在測量范圍內(nèi)具有良好的線性輸出。

2）復(fù)合傳感器對于土壤水分、基質(zhì)勢、溫度的測量范圍分別為0～0.4 cm3/cm3與-1 500～-15 kPa和-15～45 ℃，同軸結(jié)構(gòu)設(shè)計的基質(zhì)勢探頭測量內(nèi)外電極之間包裹的多孔石膏，水分探頭的測量半徑為17 mm。

3）將干燥的復(fù)合傳感器探頭埋置于飽和土壤中，測得水分探頭的響應(yīng)時間為450 ms，基質(zhì)勢探頭的響應(yīng)時間為150 s。

4）采用復(fù)合傳感器分別測定森林土壤、農(nóng)田壤土和砂土的土壤水分特征曲線（soil water characteristic curv，SWCC），與使用商業(yè)化傳感器的分離測量方法獲得的結(jié)果具有較好的一致性（皮爾遜相關(guān)系數(shù)大于0.96），本文研制的復(fù)合傳感器可代替分離測量的方法，實現(xiàn)SWCC的原位測量。

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Development of a composite sensor for the soil moisture, matric potential and temperature synchronous measurement

LIN Yubin1, CHENG Qiang2, XIANG Ziwei1, YAN Xiaofei1※

(1.,,100083,;2.,,100083,)

Soil moisture content and matric potential are two important parameters for determining soil water characteristic curve (SWCC), which has significant differences for different types of soils. The common method to determine SWCC under field condition is using two separated sensors to measure moisture content and matric potential of the tested soils. However, measurement error may occur due to soil spatial heterogeneity around two sensors. In this study, a novel composite sensor was designed to simultaneously measure soil moisture content, matric potential, and temperature. The composite sensor consists of a 32-bit MCU main control chip, relay switching module, dielectric measurement module for determining soil moisture content and matric potential, and temperature measurement module. The main MCU control chip measures soil moisture content, matric potential, and temperature through controlling the relay switching, and performs temperature correction as well. The performances of the composite sensor were tested for soil moisture content and soil matric potential measurements including monotonicity, calibration, volume of sensitivity, response time, etc. To test the monotonicity of the dielectric mode, the length of high frequency transmission line was gradually increased and the sensor output was recorded when the probes of soil moisture content and soil water potential were moistened from dry to saturation. The three modes, soil moisture content, soil matric potential and temperature were calibrated respectively using forest soil, farmland loam and sandy soil. To determine the volume of sensitivity of the soil moisture content mode, the probe of soil moisture content was installed in a soil sample. The soil sample was gradually removed layer by layer and meanwhile the output of the soil moisture content was recorded. When the output started to decrease, the radius of volume of sensitivity was determined by measuring the thickness of residual soil layer from surface to the probe. To determine the response time of soil moisture content and soil matric potential modes, the composite sensor probe was firstly dried and then put into a saturated soil sample. Meanwhile, the output of the soil moisture content and soil matric potential was recorded as time elapse. When the recorded output of each mode did not remarkedly change, the elapsed time was the response time. Experiments for sensor observation were conducted using forest soil, farmland loam and sandy soil under laboratory condition at 25 ℃. The experimental results were compared with those measured using commercial instruments. The results showed that the composite sensor had a good monotonicity when measuring soil moisture content and matric potential in the range from dry to near saturation. After calibration, the composite sensor can determine soil moisture content, matric potential and temperature with high accuracies, achieving the determination coefficients larger than 0.98. The measurement ranges of volumetric soil water content and soil matric potential were 0%-40% and -1 500--15 kPa, respectively, which is feasible for most soil textures. The response time of the soil moisture content and soil matric potential was 450 ms and 150 s, respectively. The temperature coefficient of the circuit board of the composite sensor was yielded to correct the temperature induced output variation. The SWCCs of forest soil, farmland loam and sandy soil were determined using both the commercial instruments and the composite sensor during wetting and drying processes. The hysteresis between soil drying and wetting processes was also observed as expected. The Pearson correlation coefficients between the SWCCs measured by the two methods were larger than 0.96 during wetting and drying processes, i.e., 0.962 and 0.983 for the forest soil, 0.993 and 0.995 for the farmland loam, and 0.979 and 0.998 for the sandy soil. The composite sensor developed in this study can accurately determine soil water characteristic curves of different types of soils.

sensor; temperature; soil; matric potential; characteristic curve

10.11975/j.issn.1002-6819.202211187

S237

A

1002-6819(2023)-06-0035-09

林昱檳，程強(qiáng)，向梓薇，等. 土壤水分-基質(zhì)勢-溫度復(fù)合傳感器研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2023，39(6)：35-43.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202211187 http://www.tcsae.org

LIN Yubin, CHENG Qiang, XIANG Ziwei, et al. Development of a composite sensor for the soil moisture, matric potential and temperature synchronous measurement[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(6): 35-43. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202211187 http://www.tcsae.org

2022-11-22

2023-03-02

國家自然科學(xué)基金資助項目（31971576）

林昱檳，研究方向為林業(yè)信息檢測。Email：lybfjha@163.com

顏小飛，博士，副教授，研究方向為林業(yè)生態(tài)信息智能監(jiān)測。Email：yanxf@bjfu.edu.cn