土壤水分传感器与土壤水分监测误差的分析.docx

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1、土壤水分传感器与土壤水分监测误差的分析目录目录1前言11 .测量参数22 .硬件参数23 .物理参数34 .功能特点35 . 土壤湿度传感器怎么用3?土壤湿度传感器简介3?土壤温度传感器的输出方式4?土壤湿度传感器使用方法4? ?快速测量法4? ?埋地测量法5?土壤湿度传感器液位传感器的常用类型5?土壤湿度传感器分类7? ?电容型土壤湿度传感器7? ?电阻型土壤湿度传感器8?离子型土壤湿度传感器9?三种土壤湿度传感器的分析比较96 . 土壤水分传感器使用问题与解决方法106.1. 土壤选择不规范106.2. 解决方式： 117 . 土壤水分测定标准：烘干法117.1. 烘干法常见问题1172使

2、用注意事项：111刖百土壤水分又叫土壤墙情，是研究农业干旱及作物干旱的重要指标。水分不仅是植物光合作用形成碳水化合物的必需物质，同时也是植物体本身不可缺少的构成物质。土壤水分是植物吸收水分的主要来源，是土壤内部化学、生物和物理过程不可缺少的介质，是土壤肥力的重要因素。因此，经常进行土壤水分状况测定,掌握土壤水分变化规律，对农业生产实时服务和理论研究都具有重要意义。土壤水分传感器适用于科学试验、节水灌溉、温室大棚、花卉蔬菜、草地牧场、土壤速测、植物培养、污水处理及各种颗粒物含水量的测量。然而，在实际进行土壤水分监测时，不可避免地会出现各种各样的误差，为了确保自动土壤水分监测观测数据的实时性、有效

3、性和准确性，也为了使相关人员及时规避和调整，做到心中有数，本文将通过设备和烘干两个方面对误差及解决进行讨论。1.测量参数1 .量程：0100%；2 .单位:100%（m3 /m3 ）；3 .输出信号：02V（电压型）420mA（电流型）；4.测量精度：3%；5,互换精度：3%；6,复测误差：1%；7 .参数类型：土壤相对含率；8 .测量原理：频域（FDR）12.硬件参数1 .工作电压：512V（电压型，典型值9V）1124V（电流型，典型值12V）；2 .静态电流：约30mA；3 .工作频率：100MHz；4 .响应时间：1秒；5 .测量稳定时间：2秒；6 .工作温度范围：-30C70；7 .

4、测量区域：95%的影响在以中央探针为中心，直径为7cm、高为7cm的圆柱体内。3.物理参数1 .探针长度：7cm；2 .探针直径：3mm；3,探针材料：不锈钢（抗电解）；4 .密封材料：环氧树脂（黑色阻燃）；5 .电缆长度：标配2米（三芯屏蔽线）。4. 功能特点1 .采用绿色阻燃环氧树脂固化，完全防水，可承受较强的外力冲击；2 .表面采用抛光处理，美观大方，采用抗静电包装袋，存储更安全；3 .钢针采用优质材料，可经受长期电解，可经受土壤中的酸碱腐蚀；4 .测量精度高，性能可靠，受土壤含盐量影响较小，可适应各种土质；5 .具备电源线、地线、信号线三向保护功能，可防护因反接、短路等造成的损毁。5.

5、 土壤湿度传感器怎么用?. 1. 土壤湿度传感器简介土壤湿度传感器又名：土壤水分传感器、土壤墙情传感器、土壤含水量传感器。主要用来测量土壤容积含水量，做土壤墙情监测及农业灌溉和林业防护。目前常用到的土壤湿度传感器有FDR型和TDR型，即频域型和时域型。目前比较流行的是FDR型FDR（Frequency Domain Reflectometry）频域反射仪是一种用于测量土壤水分的仪器，它利用电磁脉冲原理、根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数（）,从而得到土壤容积含水量（。v）, FDR具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定等优点。是一种值得推荐的土壤水分测定仪器。

6、?. 2. 土壤温度传感器的输出方式按照电信号输出类型进行区分。我国市场上的土壤水分传感器部分较老的模拟量输出的型号目前还在市场上处于销售的状态，它们的输出方式基本分为两种。1、电压输出型号：通常采用0到10V输出，采用两到三线数据线路作为输出方式2、电流输出型号：电流输出型号是比较常见的简单方式，这种方式大多采用两线制输出方式。按照接口类型进行区分。当然由于某些行业的需要传感器与一些特性形式的终端设备交流数据，所以前后出现了一下几种借口方式1、RS485 串口型2、RS232串口输出3、通用网线接口输出4、USB输出方式?. 3. 土壤湿度传感器使用方法?. 3. 1.快速测量法选定合适的测

7、量地点，避开石块，确保钢针不会碰到石块之类坚硬物体，按照所需测量深度刨开表层土，保持下面土壤原有的松紧程度，握紧传感器体垂直插入土壤，插入时不可前后左右晃动，确保与土壤紧密接触。一个测点的小范围内建议测多次求平均。?. 3. 2.埋地测量法垂直挖直径大于20厘米的坑，深度按照测量需要，然后在既定深度将传感器钢针水平插入坑壁，将坑填埋压实，确保与土壤紧密接触。稳定一段时间后,即可进行连续数天、数月乃至更长时间按的测量和记录。?. 4. 土壤湿度传感器液位传感器的常用类型关于土壤湿度传感器液位传感器的常用类型，目前市场上主要测量土壤湿度方法有中子衰减法、张力计测湿法、介电法速测法。中子衰减法测量土

8、壤含水量高速运动的快中子与物质作用能改变方向和产生能量损失，变成慢中子，形成衰减，由于被测物中含水量不同产生的衰减亦不同，主要原因是水中含有氢原子，而中子对氢原子作用的损失远大于对其他原子作用的损失，这样可以通过测定慢中子来测定土壤含水量，也就是通过衰减程度的大小来确定被测物质中含水量的多少，中子土壤水分测试仪就是根据这一原理设计而成。这个方法的优点在于陕速准确，但重要的是这种方法如果屏蔽不好，易造成射线泄漏，以致污染环境，危害人体健康，特别难以测量浅层土壤含水量，而浅层土壤含水量与作物生长关系密切，明显随灌溉、降雨、蒸发等的变化而变化，是土壤水分中最为活跃的部分，需要实时监测，这就极大地限制

9、了中子法的进一步推广应用，这种方法在发达围家已被禁止使用压力传感器。第一，利用土壤的介电特性来测量土壤含水量也是一种行之有效的、快速的、简便的、可靠方法。对一定儿何结构的电容式湿度传感器，其电容量与两极间被测物料的介电常数有正比关系。由于水的介电常数比一般物料的介电常数要大得多，所以当土壤中的水分增加时，其介电常数相应增大，测量时湿度传感器给出的电容值也随之上升，根据传感器的电容量与土壤水分之间的对应关系可测出土壤的水分。电容式湿度传感器的特点是精度高、量程宽、可测的物料品种多，而且响应速度也较快，可应用于在线监测实现自动化IJI压力开关。第二，张力计式土壤湿度传感器是一种广泛成功地用于某些土

10、壤水分测量的传感器。这种仪表有个多孔瓷头，它通过充水的管子与真空表连接，该装置插入土壤的钻孔中，多孔瓷头与土壤紧密帖合，真空表设在地面之上。用张力计来测量土壤含水量有很大的发展，它的优点是：结构及原理都比较简单，可以在线实时测量，而且可以确定水在土壤内的流动方向和渗透深度，但它的缺点也很突出。它的测量范围很大程度上受土质的影响。对于粘土来说，由于其通气性好，所以,即便是土壤水分负压低于0-8Pa时，也可以用张力计来测量土壤的含水量。该方法所测量的是土壤水的吸力，需要依据土壤水分特征曲线来换算成土壤含水量,由于土壤水分能量关系非常复杂，呈非线性，且容易受到许多土壤理化特性的影响，即使对同一块田，

11、这一关系也十分复杂，使得用张力推求土壤含水量时极为困难，不方便，带来较大误差。该方法存在滞后和回环，影响其测量速度。由于以上缺陷的存在极大地限制了该方法的推广应用电子尺。?. 5. 土壤湿度传感器分类经过半个多世纪的发展，土壤湿度传感器已经种类繁多、形式多样。湿度的测量具有一定的复杂性，人们熟知的毛发湿度计、干湿球湿度计等已不能满足现代要求的实际需要。因此，人们研制了各种土壤湿度传感器。湿度传感器按照其测量的原理，一般可分为电容型、电阻型、离子敏型、光强型、声表面波型等。?. 5.1.电容型土壤湿度传感器电容型土壤湿度传感器的敏感元件为湿敏电容，主要材料一般为金属氧化物、高分子聚合物。这些材料

12、对水分子有较强的吸附能力，吸附水分的多少随环境湿度的变化而变化。由于水分子有较大的电偶极矩，吸水后材料的电容率发生变化，电容器的电容值也就发生变化。把电容值的变化转变为电信号，就可以对湿度进行监测。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比，利用这一特性即可测量湿度。常用的电容型土壤湿度传感器的感湿介质主要有：多孔硅、聚酰亚胺，此外还有聚飒(PSF)、聚苯乙烯(PS)、PMMA(线性、交联、等离子聚合)。图1电容型土壤湿度传感器结构示意图?. 5. 2.电阻型土壤湿度传感器电阻型土壤湿度传感器的敏感

13、元件为湿敏电阻，其主要的材料一般为电介质、半导体、多孔陶瓷等。这些材料对水的吸附较强，吸附水分后电阻率/电导率会随湿度的变化而变化，这样湿度的变化可导致湿敏电阻阻值的变化，电阻值的变化就可以转化为需要的电信号。例如，氯化锂的水溶液在基板上形成薄膜，随着空气中水蒸气含量的增减，薄膜吸湿脱湿，溶液中的盐的浓度减小、增大，电阻率随之增大、减小，两级间电阻也就增大、减小。又如多孔陶瓷湿敏电阻，陶瓷本身是由许多小晶颗粒构成的，其中的气孔多与外界相通，通过毛孔可以吸附水分子，引起离子浓度的变化，从而导致两极间的电阻变化。击了 8图2电阻型土壤湿度传感器结构示意图小单元格?. 5. 3.离子型土壤湿度传感器

14、离子敏场效应晶体管(ISFET)属于半导体生物传感器，是上个世纪七十年代由P. Bergeld发明的。ISFET通过栅极上不同敏感薄膜材料直接与被测溶液中离子缓冲溶液接触，进而可以测出溶液中的离子浓度。离子敏型土壤湿度传感器结构模型示意图如下图所示。离子敏感器件由。离子选择膜(敏感膜)和转换器两部分组成，敏感膜用以识别离子的种类和浓度，转换器则将敏感膜感知的信息转换为电信号。离子敏场效应管在绝缘栅上制作一层敏感膜，不同的敏感膜所检测的离子种类也不同，从而具有离子选择性。图3离子型土壤湿度传感器结构示意图?. 6.三种土壤湿度传感器的分析比较通过对三种土壤湿度传感器的研究可知：电容型土壤湿度传感

15、器是由交叉指状铝条构成电容器的电极，利用空气充当电容器的电介质，随空气相对湿度的变化其介电常数发生变化，电容器的电容值也将随之变化，所以该电容器可用作土壤湿度传感器；电阻型土壤湿度传感器是由通过感湿传感层的两个电极构成的许多小单元组成，利用小单元的数目改变，使电阻值发生变化，所以可用作土壤湿度传感器;离子敏型土壤湿度传感器由敏感膜和转换器两部分组成，利用敏感膜来识别离子的种类和浓度，转换器则将敏感膜感知的信息转换为电信号，因此也可作为土壤湿度传感器。同时根据对三种不同类型的土壤湿度传感器结构示意图研究发现：由于多孔硅与CMOS工艺不兼容，并且多孔硅制备的工艺条件及后处理、孔隙及孔径大小的控制很困难，同时多孔