管式土壤水分傳感器探頭的研制

呂　東，王新忠，劉　飛，沙劉云

(1.江蘇大學 農業裝備工程學院，江蘇 鎮江　212013；2.上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海　201804；3.昆山市永宏溫室有限公司，江蘇 昆山　215332)

?

管式土壤水分傳感器探頭的研制

呂東1，王新忠1，劉飛2，沙劉云3

(1.江蘇大學 農業裝備工程學院，江蘇 鎮江212013；2.上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海201804；3.昆山市永宏溫室有限公司，江蘇 昆山215332)

摘要：設計了一種基于電場邊緣效應的管式土壤水分傳感器。為了研究圓環電極幾何結構對水分傳感器靈敏度及有效測量范圍的影響，采用有限元分析軟件Maxwell分析了不同參數組合下探頭的電場分布和電容變化，得到了傳感器探頭最優結構參數組合。試驗表明：優化后的土壤水分自制傳感器測量值與傳統烘干法測量值對比，兩者決定系數R2=0.997 6，最大絕對誤差為1.60%，提高了傳感器的測量精度，可應用于農業生產實踐中。

關鍵詞：土壤水分；土壤剖面；傳感器；邊緣效應

0引言

對土壤剖面不同深度的水分進行連續實時監測，能及時了解土壤墑情和空間立體分布，對研究作物生理水分脅迫規律、實施合理灌溉及提高農業生產效益具有重要意義[1-4]。

目前，絕大多數土壤水分傳感器的探頭都是探針結構[5-7]，這些傳感器只適于農業表層土壤含水率測量, 難以滿足深土層條件下土壤含水率測定的需求[8]。若要實現土壤剖面不同深度的水分測量，則需沿剖面穿插數個傳感器，成本倍增，能耗較大。近年來，國內外學者相繼展開了利用電場邊緣效應的管式土壤剖面水分傳感器的研究[9-13]。其優點是對土壤結構破壞較小，基本不影響土壤水分的自由交換，能夠準確檢測出土壤某一深度的含水率，并且可以通過簡單組合形成不同深度的多點土壤水分測量傳感器。但是，當前的研究大多集中在土壤類型及理化特性對傳感器測量結果影響方面[9-12]，對傳感器探頭自身幾何結構優化方面的研究則比較少。

由于邊緣電場的分布非常復雜，在進行傳感器的電場分析時，通過理論計算獲得傳感器電場分布的解析解比較困難，目前主要通過試驗或軟件仿真分析的方法得到傳感器的電場分布。由于試驗法對測量精度要求很高，需要非常精密的測量儀器，且試驗量大，存在人為誤差和干擾等不利因素，容易導致測量結果不準確，甚至出現誤導性結果。因此，通過軟件仿真建模獲得傳感器電場分布具有非常重要的參考價值[14]。

邊緣電場管式土壤水分傳感器設計中，影響傳感器靈敏度和有效測量范圍的最直接和最重要的兩個幾何參數是兩圓環軸向間距和軸向長度[14]。為了提高傳感器的測量精度，本文對邊緣電場土壤水分傳感器結構進行了改進，采用有限元分析軟件MAXWELL仿真分析了不同結構參數下圓環探頭的電容值及電場能量分布規律，并在此基礎上給出了圓環探頭設計尺寸的優選方案。

1圓環探頭電場的理論分析

邊緣電場管式土壤水分傳感器由1對圓環電極上下正對、嵌套于絕緣棒上構成，通過驅動電極與感應電極間形成的電場變化進行測量。待測土壤環繞在圓環電極的周圍，所測得的將是以電極為兩極點向周圍輻射的一個橢球體區域內的土壤含水量。其單節點探頭的原理結構如圖1所示。

在工程電磁有限元分析中，可以從電場能量的角度來分析探頭電容值[15]，即有

(1)

其中，C為探頭電容值；U為構成電容的介質兩端的電勢之差；We為電場總的儲能。

電場總能量表示為

(2)

其中，We為電場總的儲能；D為電位移量；E為電場強度；Ω為有效電場區域的體積。

在電場區域中各點的電場能量為

(3)

其中，W為電場區域中各點的電場能量。

由式(1)～式(3)可知：探頭的電容與非均勻電場中電場能量成正比，電場能量高的地方電容高，即對傳感器的測量值影響大。本文通過定義變量L來描述傳感器測量范圍：L表示電極間對稱中線上能量最大值所在的點(記為Wmax點)與能量為1/100最大值能量時的對應點(記為Wmax/100點)之間的距離[16]。本文對于靈敏度的廣義定義為：傳感器輸出結果的變化量與引發該變化的輸入變化量之比。具體到本文所設計傳感器，是指在土壤含水率不同的情況下前后所檢測出的電容差值越大，表明傳感器靈敏度越高。

1.PVC絕緣管　2.PVC套筒　3.土壤　4.驅動電極

2圓環探頭優化尺寸的仿真分析

圓環探頭的優化設計應該從探頭的靈敏度、測量范圍等幾方面考慮。本文采用Maxwell有限元分析軟件計算出探頭電容容量，進而分析傳感器的靈敏度，通過仿真分析探頭周圍能量分布規律來刻畫傳感器的測量范圍，最終確定傳感器節點圓環探頭的結構優選參數。

2.1圓環電極軸向間距對傳感器的影響

2.1.1圓環電極軸向間距與靈敏度的關系

圓環探頭電容器電容的大小同軸向間距有關，還受探頭表面土壤介電常數的影響。本文采用有限元數值計算方法，取圓環軸向長度b=20mm，以圓環軸向間距a為參數，設定圓環探頭材料為紫銅，驅動電極的電位為4.24V，感應電極的電位為0V，PVC介電常數為3.0，圓環外徑R=19mm，PVC套筒厚度2mm。仿真計算探頭在不同土壤介電常數εi時的電容值C，如表1所示。

表1　不同軸向間距情況下圓環探頭電容的容值

εi為土壤介電常數(i=1,2,3)；ΔC12為不同εi之間的電容差值。

由表1可知：在相同圓環軸向間距a的情況下，隨著土壤介電常數ε的增加，圓環電容的容值也增加；隨著圓環軸向間距a增大，相同的軸向間距情況下探頭所感知的這兩種土壤的電容的電容差值就增大。也就是說，在土壤介電常數ε不同的情況下，探頭所感知的電容差值將隨圓環電極軸向間距的增大而增大，因而傳感器的靈敏度也就越大。所以，在其他條件相同時，可以通過選擇圓環軸向間距較大的探頭，提高傳感器靈敏度。

2.1.2圓環電極軸向間距與測量敏感區域的關系

同樣，取圓環電極軸向長度b=20mm，以圓環軸向間距a為參數，利用有限元法可計算電場能量沿對稱中線上的分布。圖2為土壤介電常數ε=12時電場能量沿對稱中線上的分布。

由圖2可知：對于同一介電常數的土壤，當圓環軸向間距較小時，電場能量大，衰減較快；當圓環軸向間距較大時，電場能量較小，衰減較慢。

圖3所示為不同圓環軸向間距a取值的情況下，對稱中線上Wmax點與Wmax/100點之間距離的變化，即近似為土壤水分傳感器探頭的測量范圍的變化。由圖3可以看出：在相同圓環軸向間距a的狀態下，隨著土壤介電常數變化，傳感器的測量范圍變化較小；隨著圓環軸向間距增大，傳感器的測量范圍也隨之增大。所以，在其他條件相同時，可以通過選擇圓環軸向間距較大的探頭來增大傳感器的測量范圍。

圖2　土壤介電常數為12時電場能量沿對稱中線上的分布

圖3　不同軸向間距a情況下電極的測量范圍

2.2圓環電極軸向長度對傳感器的影響

2.2.1圓環電極軸向長度與靈敏度的關系

設定圓環電極軸向間距a=10mm，以圓環軸向長度b為變量，仿真計算出圓環探頭電容的容值如表2所示。

表2　不同軸向長度情況下圓環探頭電容的容值

由表2可知：在相同圓環軸向長度的情況下，隨著土壤介電常數ε的增加，圓環電容的容值C也增加；隨著圓環軸向長度增大，對同一軸向長度的探頭所能感測到的兩種土壤電容的電容差值ΔC就增大。也就是說，在土壤介電常數不同的情況下，探頭所感測的電容差值將隨圓環電極軸向長度的增大而增大，因而傳感器的靈敏度也就越大。所以，在其他條件一樣的情況下，可以通過選擇圓環軸向長度較大的探頭，提高傳感器靈敏度。

2.2.2圓環電極軸向長度與測量敏感區域的關系

同樣，設定圓環電極軸向間距a=10mm，以圓環軸向長度b為變量，利用有限元法計算出電場能量沿對稱中線上的分布。圖4所示為土壤介電常數ε=12時電場能量沿對稱中線上的分布。

圖4　土壤介電常數為12時電場能量沿對稱中線上的分布

由圖4可知：對于同一介電常數的土壤，當圓環軸向長度b較小時，電場能量小，衰減較快；當圓環軸向長度b較大時，電場能量較大，衰減較慢。

圖5所示為圓環軸向長度b不同設定值時，電極對稱中線上Wmax點與Wmax/100點之間距離的變化。由圖5可以看出：在相同圓環軸向長度b的情況下，隨著土壤介電常數變化，傳感器的測量范圍波動較小；隨著圓環軸向長度增大，傳感器的測量范圍也隨之增大。所以，在其他條件相同時，可以通過選擇圓環軸向長度較大的探頭，增大傳感器的測量范圍。

綜上所述：從土壤水分傳感器圓環探頭的靈敏度和測量范圍考慮，圓環電極軸向間距應盡量取大，圓環電極軸向長度也應盡可能取大；但是，考慮到測量土壤某一特定深度含水量的要求，探頭兩個圓環電極與軸向間距之和以不超過50mm為宜(2b+a≤50mm)。比較符合這一條件的幾種探頭結構組合的靈敏度與測量范圍可知：當圓環軸向間距a=10mm、圓環軸向長度b=20mm時，靈敏度最高，測量范圍最大，適宜作為傳感器探頭的幾何參數。

3試驗分析

實驗室環境下，采用鎮江地區典型土壤黃棕壤，取電導率0.04mS/cm、容重1.06g/cm3配制8種不同體積含水量的土樣(由低到高趨于飽和)：0、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35m3/m3。使用本文所設計的傳感器、傳統烘干法、EC-5土壤水分傳感器分別對土樣進行測量試驗，然后對比分析所測量土壤水分。其中，EC-5土壤水分傳感器是由美國Decagon公司生產，測量范圍0～100%，測量精度±3%(EC<8dS/m的所有類型土壤)，±1%(經過單獨標定)。

圖6所示為自制傳感器測量值與烘干法測量值的回歸分析，回歸函數y=1.0476x-0.0071，相關系數R12=0.9976，均方0.115。圖7所示為EC-5測量值與烘干法測量值的對比分析，回歸函數y=1.0245x-0.0002，相關系數R22=0.999 6，均方0.110。試驗結果表明：EC-5傳感器的測量精度較高，與烘干法相比最大絕對誤差僅為1.20%；自制傳感器的誤差范圍為±2%，最大絕對誤差為1.60%，測量體積含水率范圍可達0～34%，能夠滿足土壤含水量準確測量的要求。

圖5　不同軸向長度狀態下的電極測量范圍

圖6　自制傳感器測量值與烘干法測量值的回歸分析

圖7　EC-5測量值與烘干法測量值的回歸分析

4結論

本文以提高土壤水分測量靈敏度和測量范圍為目的，根據管式電極邊緣電場的計算原理，從優化傳感器探頭結構出發，對探頭幾何結構參數對周邊電場的影響進行了深入研究。數值分析試驗表明：當圓環軸向間距a=10mm、圓環軸向長度b=20mm時，為管式電極最優組合。試驗結果表明：該自制傳感器與傳統干燥法測量值對比，兩者決定系數R2=0.967 9，最大測量絕對誤差為1.60%，可以滿足農業生產實踐的要求。

參考文獻：

[1]Hutton R J, Loveys B R. A partial root zone drying irrigation strategy for citrus—Effects on water use efficiency and fruit characteristics[J].Agricultural Water Management, 2011, 98(10): 1485-1496.

[2]邱新強，路振廣，孟春紅，等．土壤水分脅迫對夏玉米形態發育及水分利用效率的影響[J].灌溉排水學報，2013，32(4)：79-83．

[3]Sampathkumar T, Pandian B J, Mahimairaja S. Soil moisture distribution and root characters as influenced by deficit irrigation through drip system in cotton-maize cropping sequence[J]. Agricultural Water Management, 2012, 103: 43-53.

[4]Dinaburga G, Lapins D, Kopmanis J, et al. Effect of differences in soil moisture on winter wheat yield[C]//Annual 16th International Scientific Conference Proceedings, "Research for rural development 2010". Jelgava：Latvia University of Agriculture, 2010: 22-27.

[5]Pastuszka T, Krzyszczak J, Slawinski C, et al. Effect of Time-Domain reflectometry probe location on soil moisture measurement during wetting and drying processes[J].Measurement, 2014, 49:182-186.

[6]Mendes L B, Li H, Xin H, et al. Evaluation of EC-5 soil moisture sensors for Real-Time determination of poultry manure or litter moisture content[J].Applied Engineering in Agriculture, 2014, 30(2):277.

[7]Feng L, Wang Y, Yang W, et al. Comparison of standing wave ratio, time domain reflectometry and gravimetric method for soil moisture measurements[J].Sensor Letters, 2011, 9(3): 1140- 1143.

[8]Zegelin S J,White I,Jenkins D R.Improved field probes for soil water content and electrical conductivity measurement using time domain reflectometry[J].Water Resources Research, 1989, 25(11): 2367-2376.

[9]付磊，孫宇瑞．土壤水分剖面測量系統設計與應用性能檢驗[J].農業工程學報，2010，26(6)：42-46．

[10]員玉良，盛文溢，孫宇瑞．三深度土壤水分傳感器的研制及試驗[J].農業工程學報，2014(12)：64-71．

[11]王新忠，劉飛，韓旭．土壤理化特性對土壤剖面水分傳感器性能的影響[J].農業機械學報，2012，43(11)：97-101．

[12]Buss P. Soil matric potential and salinity measurement apparatus and method of use: U.S.,7042234[P].2006-05-09.

[13]Lee F C.Capacitive soil moisture sensor: U.S.,7170302[P].2007-01-30.

[14]王惠玲，李寶生．基于邊緣效應的圓環式電容傳感器電場仿真分析[J].傳感器與微系統，2014，33(4)：31-34．

[15]李建青，馬爭爭，田旭．非平行板電容器電容和電場的兩種計算方法之討論[J].大學物理，2008，27(8)：21-23．

[16]楊柳,毛志懷,董蘭蘭．電容式谷物水分傳感器平面探頭的研制[J].農業工程學報，2010，26(02)：185-189．

Development of Probe of Tube Access Soil Moisture Sensor

Lv Dong1, Wang Xinzhong1, Liu Fei2, Sha liuyun3

(1.College of Agricultural Equipment Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China；2.Technical Center of SAIC Motor, Shanghai 201804, China；3. Kunshan Yonghong Greenhouse Co. Ltd., Kunshan 215332, China)

Abstract：A tube access soil moisture sensor based on marginal effect of electric field was developed. Maxwell finite element analysis software analyzes the electric field distribution and capacitance, and how axial length of probe electrode or axial spacing length of two rings influence sensitivity and effective range , find the optimal combination of sensor probe structure. The results showed that the value of comparative measure this moisture sensor measurements with conventional drying method, the coefficient of determination R2=0.997 6 , the maximum absolute error of 1.60%. Improved the measurement accuracy of the sensor can be used in agricultural production practices.

Key words：soil moisture; soil profile; sensor; marginal effect of electric field

文章編號：1003-188X(2016)06-0069-05

中圖分類號：S237

文獻標識碼：A

作者簡介：呂東(1990-),男，濟南人，碩士研究生，(E-mail) zgshidi@163.com。通訊作者：王新忠(1969-)，男，石家莊人，教授，(E-mail) xzwang@ujs.edu.cn。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD08B03)；昆山市農業科技計劃項目(KN1408)

收稿日期：2015-05-06