基于高頻電容原理的土壤剖面水分傳感器研究.pdf

1、實時、準(zhǔn)確獲取土壤剖面水分信息,及時了解土壤水分空間立體分布,這對研究作物需水規(guī)律、實現(xiàn)節(jié)水灌溉有著非常重要的意義,同時也是現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)的重要基礎(chǔ)。為實現(xiàn)土壤剖面多點(不同深度)水分的同時測量,本文基于高頻電容原理研究設(shè)計了一種土壤剖面水分傳感器。通過試驗,研究分析了土壤理化特性變異對傳感器輸出的影響,建立了基于溫度影響的土壤水分測量修正模型,并就傳感器的使用性能進(jìn)行了相關(guān)試驗檢驗,結(jié)果表明本文所研究設(shè)計傳感器用于土壤剖面不同深度的

2、水分測量,水分梯度變化明顯,性能良好,可應(yīng)用于我國農(nóng)業(yè)實際生產(chǎn)。
　　 本文的研究工作主要包括以下幾方面:
　　 (1)從適于土壤剖面不同深度水分同時測量的特殊要求著手,總體設(shè)計了土壤水分傳感器多傳感器節(jié)點組合的剖面“竹”形結(jié)構(gòu),并基于高頻電容原理建立了傳感器的土壤水分測量理論模型;通過對比分析常用電容傳感器的結(jié)構(gòu)形式,確定了傳感器節(jié)點的探頭為圓環(huán)結(jié)構(gòu)。在對圓環(huán)探頭進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ)上,提出了探頭微量化平面電容的概念,

3、基于Maxwell軟件仿真優(yōu)化了探頭結(jié)構(gòu),最終確定探頭電極軸向長度與電極軸向間距之比b/a=2較為適宜,取電極軸向長度b=20mm,軸向間距a=10mm,電極外徑25mm,內(nèi)徑23mm,并選用紫銅作為探頭電極材質(zhì)。
　　 (2)通過傳感器功能電路分析,基于MC1648P芯片,采用F/V轉(zhuǎn)換的方式,設(shè)計了傳感器節(jié)點硬件電路;采用STM32F103ZET6為內(nèi)核,進(jìn)行了傳感器數(shù)據(jù)采集及處理模塊硬件電路設(shè)計,并以KeilμVision

4、4軟件為開發(fā)平臺,采用C語言編程,進(jìn)行了傳感器軟件程序設(shè)計。結(jié)合土壤介電常數(shù)的頻率特性和不同頻段高頻電場作用下傳感器探頭阻抗特性的研究分析,通過試驗優(yōu)選了適合本文所設(shè)計傳感器的測量頻率為115MHz。
　　 (3)通過試驗數(shù)據(jù)回歸分析,建立了土壤剖面水分傳感器水分測量靜態(tài)標(biāo)定數(shù)學(xué)模型:V=1.2269θv2-0.8832θv,+3.0989,R2=0.9744。通過試驗對傳感器的一致性、穩(wěn)定性、重復(fù)性等相關(guān)性能進(jìn)行了測試,結(jié)果表

5、明:對于同一體積含水量的土壤,傳感器節(jié)點彼此之間沒有顯著測量差異,輸出電壓顯著相關(guān);連續(xù)定點測量,傳感器輸出電壓比較穩(wěn)定,與標(biāo)定輸出相比無明顯偏差,最大相對誤差范圍控制在-0.58%～0.60%;多次有取放的重復(fù)性測量,傳感器亦無顯著測量差異,相比標(biāo)定輸出亦無明顯偏差,相對誤差范圍控制在-0.45%～0.50%。
　　 (4)針對土壤理化特性變異造成傳感器測量誤差的問題,試驗分析了土壤溫度、電導(dǎo)率、容重等變異對傳感器輸出電壓的影

6、響,結(jié)果表明溫度、電導(dǎo)率和容重三者當(dāng)中溫度變異對傳感器的輸出影響最大,電導(dǎo)率EC＞2ms/cm時需要對傳感器進(jìn)行重新標(biāo)定。建立了基于溫度變化的土壤水分測量修正模型:V=0.002T-0.30θv+2.993,對傳感器的標(biāo)定測量值進(jìn)行了修正,修正后的輸出值最大絕對誤差為3.91%,最小絕對誤差為0.02%,誤差顯著減小。通過傳感器、EC-5和烘干法三者之間的土壤水分測量對比試驗,結(jié)果表明傳感器的使用性能良好,與EC-5顯著性差異不大,與烘