土壤剖面含水量监测仪 的试验与研究 答 辩 人：郭胜君导 师：王卫星教授专业名称：农业电气化与自动化内 容n前言n土壤电导测量方法的研究n土壤剖面含水量监测系统的设计n相关性试验与分析n监测系统可行性试验的设计与分析n结论与讨论1、前言1.1、研究的意义n土壤水分含量的快速监测对于科学地控制 调节土壤水分状况，进行节水灌溉、实现 科学用水和灌溉自动化都有着重要的意义 。n现有的土壤水分快速测量方法都存在着一 些缺陷。TDR、FDR和SWR研究土壤电导和土壤含水量在一定条件 下的定量关系，从而可以构建一个通过测 量土壤电导间接实时测量土壤剖面含水量 的监测仪。 1.2、研究的目的1.3 理论依据n2001年，中国科学院的刘广明、杨劲松应用不同盐分含量 土壤，进行了土壤电导率与土壤含盐量关系得试验研究， 获得了不同含盐量土壤的电导率随水分含量变化的规律， 并且建立了土壤含盐量与土壤电导率及水分含量的二维方 程。 n中国农业大学的孙宇瑞以壤土为研究对象，对土壤这三个 参数作了相关性的试验，得出当土壤含水量在15%30% 之间变化时，土壤电导率的变化最为显著且近似呈线性关 系；当土壤含水量超过30%以后，它的影响明显减少，这 是因为土壤含水量已接近饱和限度的缘故。 n西北农林科技大学的马孝义等研究发现尽管土壤电导率变 化相当大，但对同一质地、容重、结构和含盐量的土壤， 其电导率与土壤体积含水量呈幂函数关系 。2、土壤电导测量方法的研究2.1、电极的材料选取与形状设计选用了金属铜片作为电极材料。采用弧形电极结构 平行板电极双环形电极弧形电极2.2、土壤电导测试电路的设计2.2.1 转换电路的选择 电阻分压式转化电路当RxR时， 集成运放输入法电路2.2.2、双极性脉冲间歇电压激励信号二极脉冲法的主要思想就是让土壤的极化电荷 在脉冲间歇自动中和掉。在二极脉冲法的基础上再加上一个反向电压来削 弱极化电荷的影响。双极性脉冲间歇电压源电路图2.2.3 程控放大器电路与程序设计n程控放大器选择AD526。本监测系统采用的是两片AD526 级联的方式，放大倍数为1、4、16、64、256。2.3、激励信号的对比试验双极性脉冲间歇电压法的反向 信号中和了一部分的极化电荷 ，在一定程度上回避了极化效 应改进后的双极性脉冲间 歇电压法的波动更小2.4 两种土壤下的验证试验利用双极性脉冲间歇 电压激励法测量土壤 电导是可行的。3、土壤剖面含水量监测系统的设计3.1、土壤剖面含水量测试节 点的设计测试节点的探头设计测试节点的硬件电路设计3.2 基于ARM7数据采集器的设计 用户界面程序的设计4.1 不同土壤相同压实程度的试验数据分析做幂函数的回归分析： 红壤： 型砂： 4、相关性试验与分析在相同压实程度下， 当含水量一定时，型 砂的导电性能比红壤 的好试验对象为红壤。质量固定为1706.8g， 体积设定为3种，分别为1600ml、1400ml 和1200ml。4.2 单一土壤不同密度的试验分析在含水量一定时，密度越大，电 导越大，导电性能越好4.3 相关试验的结论n在压实程度一定条件下单一土壤的含水量 和电导存在乘幂关系。n对于压实程度基本不变的单一土壤，可以 通过测量土壤电导来间接测量土壤含水量 。 5、监测系统可行性试验的设计与分析5.1、ML2X传感器的标定试验ML2X传感器的ADC值和体积含水量之间线 性关系为：5.2 入渗试验 5.2.1 试验装置5.2.2 试验现象与结果改变采样周期 造成的5.2.3 入渗试验的对比分析nML2X的探针长度是60mm， ML2X传感器测量的是60mm 高度内土壤的平均含水量。n自制传感器只要25mm内的 土壤水分发生变化，就将使 测量结果发生变化。 应选择当水分入渗到第三层时的数 据进行比较，而且比较的数据应为 第2、3层测量值的平均值。当ML2X传感器达到最 大值时，第三层的测量 值正处于增长期。第2、3层测量均值与ML2X测量值的对比分析第2、3层测量均值的标 准差大于ML2X测量的 标准差，这说明自制传 感器的测量波动比较大 。自制传感器可以反映 土壤水分在入渗过程 中的变化5.3、蒸发试验5.3.1 试验的对比分析早晚温度的变化对测 量的结果产生了影响第2、3层测量均值与ML2X测量值的对比和ML2X传感器测 出的含水量相比， 自制传感器波动较 大。自制传感器可以反 映土壤水分在蒸发 过程中的变化第四层的测量值与ML2X的对比标准差大于自制传感器在第2、3层测量 值与ML2X传感器测量值差值的标准差 ，说明第四层的波动比较大。6、结论与讨论6.1 结论 （1）和二极脉冲法相比，双极性脉冲间歇电压法能更好的 避免极化效应。 （2）用PVC-U塑料管做成了简易廉价的探头，并设计了与 之相应的转换电路、存储电路和显示电路，实现了对土壤 多层电导的在线监测。 （3）相关性试验表明：对于压实程度基本不变的土壤，电 导和含水量之间存在幂函数关系，可以通过对电导的测量 来实现对土壤含水量的间接测量。 （4）入渗和蒸发试验表明：本监测系统可以实时反映土壤 在入渗和蒸发过程中的水分变化趋势。和ML2X传感器相 比，本监测系统测量值的波动相对较大，但可以更快反映 水分的变化。6.2 讨论（1）本研究得出的结论全部是在试验室内试验得到的 ，实际中田间的情况会比较复杂，需进行田间标定。（2）在研究含盐量对土壤电导和含水量相互关系得影 响上，由于时间关系，只对两种土壤红壤和型砂做了试 验，还不能确切的知道含盐量的影响程度，需增加土壤 类型重复试验。（3）在入渗和蒸发试验中，用来对比测量结果的ML2X 传感器测量的范围比较宽，对比的结果还有待验证。（4）在入渗和蒸发试验中没有考虑温度对测量结果的 影响。（5）没有对电极材料的抗氧化和腐蚀性作试验研究， 不知道探头长期埋设在土壤中的使用寿命。致 谢首先，衷心地感谢我的导师王卫星教授，感谢王老师这三年来对 我的关心和教导，感谢王老师在论文选题的兴趣上给予了我莫大的 理解和支持。本论文是在王老师的悉心指导和帮助下完成的。王老 师严谨的治学精神，务实的工作作风，宽以待人的师德风范，以及 平易近人的人格魅力给予了我做事和做人上的莫大启迪和帮助，王 老师对我的学术训练和研究能力的培养将使我终身受益！在电路图的设计过程中，得到了工程学院宋淑然副教授的指导和 帮助；在试验设计和解决土壤问题方面得到了土木工程学院李就好 教授的指导和帮助；在此表示衷心的感谢!在试验期间得到了师兄孙道宗、同学黄海琴、程红胜、张文科、 苏宝林、冷令、师弟周斌、罗承旸、钟荣敏、杨志勇的热心帮助， 使我的试验能顺利、有序地进行；在论文的撰写期间得到了同学黄 莺、孙宝霞、尹东晓、师妹潘小红、刘俊的热情帮助；在此对他们 表示诚挚的谢意！在三年的学习和科研中，两位师兄胡均万和孙道宗给予了我很大 的关心和帮助，使我对嵌入式C语言的学习和嵌入式系统的设计和开 发有了浓厚的兴趣。在此深表谢意！最后，感谢我的父母对我多年的养育与关怀，感谢他们对我含辛 茹苦的无私奉献，感谢他们给予我莫大的理解、支持和帮助，使我 顺利完成学业。谢 谢！当今常用快速土壤水分测量方法的弊端lTDR（时域反射法，Time Domain Reflect）（1）TDR传感器的探针长度不能小 于10cm;（2）TDR传感器要对10-9秒数量级 的反射时间差进行准确测量，这从无 线电测量技术的角度来看难度极大（ 目前世界上掌握超高速延迟线测量技 术的只有美、加、德等极少数国家） ；（3）制作成本很高，不适合大面积 使用。TDR传感器的探针lFDR（频域反射法，Frequency Domain Reflect ）Hilhorst从实验中得出：理想的测试频率为2030MHz之 间，但在这个频段，土壤的介电常数受土质的影响非常敏 感，也就是说，此方法的测量结果受土质的影响比较大， 这将是它不可避免的缺陷。lSWR（基于驻波率原理，Standing Wave Ratio）中国农业大学王一鸣、赵燕东等根据驻波率原理研制出 测量土壤含水量的SWR型土壤水分传感器。降低了成本 ，但也存在和TDR一样的问题，不能缩短探针长度。这使 得传感器不能监测更小范围的水分含量。n两种测试电路的对比电阻分压式：电路简单，成本低，但在选 择R上要进行误差分析。 集成运放输入法：在测试过程中只需考虑 传感器本身的误差，而不必考虑采集信号 的电路所带来的误差，而实际运放，相对 误差会达到10-6 数量级 ，由运放造成的误 差可以不予考虑。 设置最佳测量电 压范围大约为14V ，对应的ADC值为 200820。设置 14V为最佳测量范 围的好处： （1）避免A/D传换器在 测量接近边界值时产生 误差。（2）与增益放大的递增 倍数相同，使得相邻两 种放大倍数的重复测量 值减少。