基于高頻電容原理的土壤剖面水分傳感器研究.pdf

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

2、水分測(cè)量,水分梯度變化明顯,性能良好,可應(yīng)用于我國(guó)農(nóng)業(yè)實(shí)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(shí)測(cè)量的特殊要求著手,總體設(shè)計(jì)了土壤水分傳感器多傳感器節(jié)點(diǎn)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(cè)量理論模型;通過(guò)對(duì)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(diǎn)的探頭為圓環(huán)結(jié)構(gòu)。在對(duì)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(zhǎng)度與電極軸向間距之比b/a=2較為適宜,取電極軸向長(zhǎng)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(guò)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(jì)了傳感器節(jié)點(diǎn)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(jì),并以KeilμVision

4、4軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái),采用C語(yǔ)言編程,進(jìn)行了傳感器軟件程序設(shè)計(jì)。結(jié)合土壤介電常數(shù)的頻率特性和不同頻段高頻電場(chǎng)作用下傳感器探頭阻抗特性的研究分析,通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)選了適合本文所設(shè)計(jì)傳感器的測(cè)量頻率為115MHz。
　　 (3)通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析,建立了土壤剖面水分傳感器水分測(cè)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(guò)試驗(yàn)對(duì)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(cè)試,結(jié)果表

5、明:對(duì)于同一體積含水量的土壤,傳感器節(jié)點(diǎn)彼此之間沒(méi)有顯著測(cè)量差異,輸出電壓顯著相關(guān);連續(xù)定點(diǎn)測(cè)量,傳感器輸出電壓比較穩(wěn)定,與標(biāo)定輸出相比無(wú)明顯偏差,最大相對(duì)誤差范圍控制在-0.58%～0.60%;多次有取放的重復(fù)性測(cè)量,傳感器亦無(wú)顯著測(cè)量差異,相比標(biāo)定輸出亦無(wú)明顯偏差,相對(duì)誤差范圍控制在-0.45%～0.50%。
　　 (4)針對(duì)土壤理化特性變異造成傳感器測(cè)量誤差的問(wèn)題,試驗(yàn)分析了土壤溫度、電導(dǎo)率、容重等變異對(duì)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(duì)傳感器的輸出影響最大,電導(dǎo)率EC＞2ms/cm時(shí)需要對(duì)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(cè)量修正模型:V=0.002T-0.30θv+2.993,對(duì)傳感器的標(biāo)定測(cè)量值進(jìn)行了修正,修正后的輸出值最大絕對(duì)誤差為3.91%,最小絕對(duì)誤差為0.02%,誤差顯著減小。通過(guò)傳感器、EC-5和烘干法三者之間的土壤水分測(cè)量對(duì)比試驗(yàn),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