土壤剖面水分傳感器探頭仿真與試驗

閆 華 邢 振 薛緒掌 王利春

(1.北京農業信息技術研究中心，北京 100097； 2.農業部農業信息技術重點實驗室，北京 100097)

土壤剖面水分傳感器探頭仿真與試驗

閆 華1,2邢 振1,2薛緒掌1,2王利春1,2

(1.北京農業信息技術研究中心，北京 100097； 2.農業部農業信息技術重點實驗室，北京 100097)

為準確掌握土壤墑情信息，針對農田環境下不同作物根區土壤含水率變化難以實時觀測的問題，對土壤剖面水分傳感器探頭進行了仿真，并通過試驗驗證，給出了傳感器探頭設計尺寸的優選方案。在建立傳感器探頭微量化平面電容二維模型的基礎上，分析了傳感器探頭結構變化對探頭微量化平面電容周圍電場強度和電容變化的影響，確定了探頭結構尺寸的最優組合。當探頭銅環電極外徑40 mm、內徑38.4 mm、軸向長度20 mm、軸向間距15 mm時，探頭的靈敏性和探測范圍最優。試驗結果表明，本文研究的土壤剖面水分傳感器測量精度為±1.42%，具有很高的穩定性和一致性。所設計的傳感器探頭可以根據實際測量深度需要任意組合，滿足不同作物根區深度的土壤含水率測量需求。

土壤； 水分傳感器； 探頭； 剖面； 仿真； 試驗

引言

實時、準確地掌握農田土壤水分信息，對研究土壤水分運動規律、作物生理水分脅迫規律、實施節水灌溉、發展高效節水農業具有重要意義[1-2]。 測量土壤水分的方法有烘干法、張力計法、微波法、中子法、紅外遙感法、電阻法[3-4]以及介電法等多種方法。由于基于介電理論[5-9]的測量方法具有測量精度高、實時性強、方便布設等優點，應用比較廣泛。隨著精細化農業的推廣應用，如研究土壤中水分的遷移過程[10-11]，了解作物根系區域水分吸收規律[12]，實時監測不同深度土壤水分入滲的梯度變化等，都需要測量土壤剖面的水分變化。目前，應用最為廣泛的土壤水分傳感器以探針式為主，探針長度通常在30 cm以內，主要用于測量表層土壤水分或單個測量點。若要進行土壤剖面水分的測量，通常采用的方法是在一個剖面的不同深度插入傳感器，這樣做不僅費時費力、破壞土壤的質地結構，而且由于傳感器的差異性還會帶來測量精度的問題。針對土壤剖面水分測量問題[13-14]，國外已經做了大量的研究工作，而我國近幾年雖然有相關研究，但大多數仍處于研究探討階段。

為此，本文在分析高頻電磁邊緣場效應原理[15-17]的基礎上，設計土壤剖面水分傳感器探頭，提出傳感器探頭結構的二維模型和設計參數，并采用有限元法分析傳感器探頭的電場強度和電場能量的分布規律，綜合考慮實際應用情況和仿真結果，通過對傳感器的精度、穩定性和一致性進行試驗分析，給出傳感器探頭設計尺寸的優選方案。

1 材料與方法

1.1 測量原理

土壤是由固、液、氣三態構成的多孔介質，水的相對介電常數為81，固體土壤介電常數為3～5，而空氣相對介電常數為1。因此,可以利用水的介電常數遠大于土壤中其他物質的介電常數這一特性間接測量土壤含水率。

傳感器的測量機理是基于高頻電磁的邊緣場效應，傳感器探頭的2個敏感電極之間被施加的高頻電場能量足夠高時，電極間電場的耦合強度與土壤含水率顯著相關，此時，環狀傳感電極構成一個可變的等效電容器，周圍土壤充當電介質，將這個可變電容器作為高頻振蕩器外接并聯LC諧振回路的組成部分(圖1)，當土壤含水率發生變化時，土壤所表征的相對介電常數發生變化，引起傳感器探頭感知的等效電容的變化，進而引起振蕩電路頻率的變化，因此，可通過測量高頻振蕩器的輸出頻率間接測得土壤含水率。

圖1 傳感器探頭測量原理圖Fig.1 Measurement principle diagram of sensor probe

如圖1所示，高頻振蕩電路的輸出頻率為

(1)

式中L0——振蕩電路的電感

C0——匹配電容

CP——電路的寄生電容

CS——探頭感知的土壤等效電容

傳感器探頭感知的土壤等效電容的容量與探頭周圍的土壤及探頭本身的寄生電容有關，關系為

CS=kε

(2)

式中ε——土壤相對介電常數

k——系數，與探頭的結構(電極面積、電極間距)及輻射到土壤中的電磁場的形狀及場強有關

ε=AF-2+B

(3)

式中A、B——與探頭結構有關的參數

因此，確定了探頭的尺寸，土壤的介電常數僅僅與傳感器的輸出頻率有關。根據TOPP方程[17]θV=-5.3×10-2+2.92×10-2ε-5.5×10-4ε2+4.3×10-6ε3便可以計算出土壤含水率。

1.2 傳感器結構

基于高頻電容測量原理的土壤剖面水分傳感器的整體結構包括探頭、探體和防護套3部分，如圖2所示。探體可以根據實際的測量深度需求，通過探頭組裝而成。探頭與探頭之間的物理連接通過內外螺紋，電氣連接通過觸點。防護套材質為優質的PVC，防護等級為IP68。在需要測量土壤含水率時，預先把傳感器防護套埋設在待測位置，然后把探體放置于防護套筒內部即可。

圖2 傳感器整體結構Fig.2 Sensor structure

1.3 傳感器硬件電路設計

本文設計的傳感器硬件主要由若干傳感器探頭、數據采集及處理模塊等組成，傳感器硬件總體框圖如圖3所示。傳感器探頭將土壤含水率轉換成頻率信號；數據采集及處理模塊包括MCU、信號調理電路、電源模塊、存儲模塊、通信模塊。電源模塊采用鋰電池充放電電源管理芯片把外部鋰電池電能轉換成5 V和3.3 V電源，供傳感器探頭和采集電路使用。當到達用戶設定的采集時間時，MCU會被喚醒，其通過信號調理電路，順序開、關傳感器探頭的供電電源，并同時采集、存儲傳感器探頭輸出的頻率信號，通過分析處理，把頻率信號轉換成實際的土壤含水率。傳感器提供433 MHz的無線模塊和GPRS兩種通信方式，最多可以連接8個傳感器探頭，測量土壤深度為80 cm。

圖3 傳感器硬件總體框圖Fig.3 Block diagram of sensor hardware

傳感器探頭硬件電路主要由銅環電極、高頻振蕩電路、分頻/整形電路、信號放大電路組成，如圖4所示。銅環電極充當高頻振蕩電路的外接并聯諧振電路的可變電容器，當土壤含水率發生變化時，所表征的介電常數發生變化(以下建模分析中，由土壤的介電常數變化表示土壤含水率變化)，隨即探頭所感知的等效電容發生變化，繼而高頻振蕩電路的諧振頻率發生變化，由其產生的高頻正弦頻率信號經分頻/整形電路將正弦信號轉換為方波信號并大大降低了信號頻率，然后經過小信號放大電路把微弱方波信號轉換成易于采集的大幅度頻率信號輸出。

圖4 傳感器探頭硬件電路組成框圖
Fig.4 Block diagram of sensor probe hardware

1.4 傳感器探頭建模

傳感器探頭由上下2個圓環、PVC支架和電路板組成，電路板固定在PVC支架內部，圓環套在PVC支架上(如圖2)，圓環的內半徑r為19.2 mm，外半徑R為20 mm，軸向長度為a，兩環之間的軸向距離為b。由于傳感器探頭基于邊緣場效應感知土壤水分容抗，與平面電容傳感器的工作原理相似，為了分析探頭周圍電磁場的分布與探頭結構之間的關系，優化探頭結構，確定a、b尺寸，如圖5所示，以1 mm為寬度，把傳感器探頭沿著圓周分割成126份，各取上下圓環所對應的縱向截面(圖5陰影部分)即構成一個微量化平面電容，而整個探頭感知土壤含水率所表征的總容抗可等效為126個微量電容的并聯。

圖5 傳感器探頭的物理模型Fig.5 Physical model of sensor probe

由于高頻電磁邊緣電場分布的邊界條件相對復雜，很難直接計算邊緣場電容，而采用有限元數值算法[18]，可以對傳感器探頭的電場分布及其感知土壤的等效電容進行微量近似分析，在工程電磁有限元分析中，電容通常從電場的能量角度來定義，即

(4)

式中U——構成電容介質的兩端電勢差

We——電場總儲能

D——電位移量E——電場強度

Ω——有效電場區域的體積

圖6 探頭微量化平面電容二維模型Fig.6 Two-dimensional model of micro-scale planar capacitor

探頭微量化平面電容二維模型采用Ansoft公司有限元分析軟件[19]Maxwell V10進行建模，對微量化平面電容周圍電場強度的變化趨勢與能量分布規律進行分析，建立的探頭微量化平面電容的二維模型如圖6所示。驅動電極和感應電極的長度設為a，兩者之間的距離為b，電極上方為理想土壤，高度H為60 mm,長度L為2a+b+10 mm,電極的下方設有基極，基極的厚度為兩電極的中心距離，即a+b,并在其下面設有保護電極[20]。加載激勵源時保護電極和感應電極等電位，用于減少寄生電容的影響[21]。

2 結果與討論

2.1 傳感器探頭結構仿真與分析

二維模型建立后，在驅動電極上加載5 V、100 MHz的正弦波電壓，感應電極和保護電極接地，電極的材質設定為銅，基極材質設為介電常數為3.2的PVC，模型之外為真空，設定邊界條件為ballon。設定求解器為電場，求解參數為電場和電容，求解器余量誤差控制在10-5以內，采用自適應控制，兩次迭代誤差設定為0.02%。通過改變銅環的尺寸a、b和土壤的介電常數ε，求得微量化平面電容周圍電場分布情況，分析結果如下：

(1)保持土壤的介電常數(ε=3.2)恒定，通過改變銅環的尺寸a，求得微量化平面電容周圍電場分布情況如圖7所示。由圖7可看出，a從5 mm增大到30 mm，對應的最大電場強度依次為3.369 5×103、2.504 3×103、2.362 6×103、2.293 5×103、2.312 6×103、2.365 0×103V/m。可見當a小于20 mm時，隨著a增加，最大電場強度隨著減小；a=20 mm時，最大電場強度最小；當a大于20 mm時，隨著a繼續增大，最大電場強度逐漸減小。由于相同電場能量情況下，電場強度的平方與相應電場所占面積成反比關系，所以在a=20 mm時，最大電場強度最小，其對應的面積最大。從圖7上也可直觀看出，圖7d中的電場分布區域最大，也就是探測范圍最大。

圖7 b=10 mm時探頭微量化平面電容周圍電場分布情況Fig.7 Electric field distributions around micro-scale planar capacitance with b=10 mm

(2)保持土壤的介電常數(ε=3.2)恒定，通過改變銅環的尺寸b，求得微量化平面電容周圍電場分布情況如圖8所示。從圖8中可以看出，當b小于15 mm時，隨著b增加，最大電場強度減小；當b大于15 mm時，隨著b繼續增大，最大電場強度逐漸增大。同時，在b=15 mm時，最大電場強度最小，其對應的面積最大。由圖8也可以看出，圖8c中的電場分布區域最大，也就是探測范圍最大。

圖8 a=20 mm時探頭微量化平面電容周圍電場分布情況Fig.8 Electric field distributions around micro-scale planar capacitance with a=20 mm

(3)保證銅環的尺寸不變，通過改變土壤的介電常數(相當于改變土壤含水率或土壤質地)，求得微量化平面電容周圍最大電場強度Em和相應的探測半徑Rt(探測半徑為以2個銅環中點為中心，微量化平面電容周圍電場最大范圍處的值)的關系如圖9所示。可以看出，在a與b固定的情況下，改變土壤介電常數，相應的最大電場強度Em和相應的探測半徑Rt變化較小，變化幅度均在3%以內，研究結果表明，探頭的探測范圍與土壤含水率及土壤質地無關，僅與探頭結構有關。

圖9 不同介電常數時的最大電場強度和探測半徑Fig.9 Maximum electric field strength and radius of detection for different dielectric constants

(4)通過改變a/b和土壤介電常數ε，采用有限元計算方法得到圓環探頭微量化平面電容的容值C如表1所示，可以看出，相同的a/b情況下，隨著土壤介電常數ε的增加(土壤體積含水率的增加)，微量化平面電容的容值也逐漸增加；土壤介電常數ε不變，隨著a/b增加，微量化平面電容的容值均呈增加趨勢。

表1 不同a/b和ε情況下探頭微量化平面電容的容值Tab.1 Capacity values of micro-scale planar capacitance of probe for different values of a/b and ε pF

不同a/b情況下，對于相鄰介電常數的土壤，探頭所感知微量化平面電容的電容差ΔC如表2所示。隨著a/b增大，相同的a/b情況下探頭所感知的這2種土壤的微量化平面電容的電容差增大，也就是在土壤體積含水率不同的情況下，探頭所感知的電容差將隨a/b的增大而增大。由于傳感器的靈敏度為輸出的變化量與輸入變化量之比，對于本文所設計的傳感器探頭，在感知不同含水率的土壤時，所表征的電容差越大，就表明該傳感器的靈敏度越高。因而隨著a/b的增大，傳感器的靈敏度越高。

綜合考慮微量化平面電容周圍電場分布情況，在探頭結構尺寸a為20 mm和b為15 mm時，傳感器探頭的探測范圍最大，靈敏度最高，探頭結構最佳，探頭測量精度顯著提高。

表2 不同a/b情況下探頭所感知微量化平面電容的電容差Tab.2 Adjacent capacity differences of micro-scale planar capacitance of probe pF

2.2 傳感器性能試驗

2.2.1傳感器的標定

圖10 傳感器試驗裝置Fig.10 Sensor testing device

圖11 土壤剖面水分傳感器標定結果Fig.11 Calibration results of sensor

2.2.2傳感器穩定性

在實驗室，取容重為1.35 g/cm3的土樣，使用預先安裝了傳感器防護套的容器配制4種不同體積含水率的土壤樣品，密封放置48 h待水分運動充分后，采用烘干法測量得出土樣的實際含水率。然后隨機抽取1個傳感器探頭，連續測量10 h，并記錄結果。在傳感器測量過程中，土壤樣品處于密封狀態。圖12為傳感器探頭穩定性試驗結果，從試驗數據可知，傳感器的最大偏移量為0.28%。試驗說明傳感器探頭具有很高的穩定性。

圖12 傳感器探頭穩定性試驗結果Fig.12 Test results of sensor probe stability

2.2.3傳感器一致性

一致性是傳感器的重要性能指標，良好的一致性是土壤水分傳感器標準化生產和可互換的前提。由于本文研究的傳感器是由多個傳感器探頭組合而成，一致性就顯得尤為重要。采用穩定性試驗所用的土壤樣品，隨機抽取3個傳感器探頭，對每個土壤樣品測量5次，去除最大、最小值，然后取平均。表3為傳感器探頭一致性試驗結果，從試驗數據可知，傳感器的最大偏移量為1.57%，說明傳感器探頭具有良好的一致性。

表3 傳感器探頭土壤含水率試驗結果Tab.3 Test results of sensor probe consistency %

2.2.4傳感器精度測試

在小湯山國家精準農業示范基地標準農田中，選取一塊3 m×2 m的地塊，然后按照1.5 m×1 m的面積進行分割，塊與塊之間沒有水分交換，如圖13所示。

圖13 傳感器埋設及取樣點分布圖Fig.13 Locations of sensors embedded and sampling points

在每塊土壤的正中心埋設土壤剖面水分傳感器防護套，保證防護套的外徑與土壤充分接觸，然后往每塊地塊中注入不等量的水，并用薄膜覆蓋，防止水分快速蒸發，72 h后進行試驗。首先用環刀在距離防護套周圍5 cm、土層深度分別為20 cm和40 cm的地方取土樣，然后用烘干法計算土壤體積含水率，然后，把土壤水分傳感器探頭放入防護套中測量土壤層深為20 cm和40 cm土壤含水率。以烘干法測得的土壤體積含水率為真值，傳感器測得值為觀測值，測量5次取平均值，均方差為1.42%，計算結果見表4。

3 結論

(1)在分析高頻電磁邊緣場效應原理的基礎上，對傳感器測量機理做了比較系統的推理分析，確定了傳感器測量土壤水分的關鍵因素；通過傳感器功能電路分析，設計了傳感器探頭硬件電路。

(2)為了提高傳感器探頭的靈敏性和探測范圍，采用有限元分析方法，建立了探頭微量化平面電容二維模型，通過分析探頭微量化電容周圍電場強度和電容的變化情況，綜合考慮實際土壤水分測量間距的需求，確定了探頭設計尺寸的最優方案：探頭銅環電極外徑為40 mm，內徑為38.4 mm，軸向長度為20 mm，軸向間距為15 mm時，探頭的靈敏性和探測范圍最優。

表4 土壤剖面水分傳感器與烘干法測量土壤體積含水率結果對比Tab.4 Comparison of moisture results obtained by standard drying method and soil moisture profile sensor %

(3)試驗結果表明，本文研究的土壤剖面水分傳感器測量精度為±1.42%，具有很高的穩定性和一致性。傳感器探頭可根據實際測量深度需要任意組合，滿足不同作物根區深度的土壤水分測量需求。

1 羅錫文，臧英，周志艷．精細農業中農情信息采集技術的研究進展[J]．農業工程學報，2006，22(1): 167-173．

LUO Xiwen，ZANG Ying，ZHOU Zhiyan.Research progress in farming information acquisition technique for precision agriculture[J].Transactions of the CSAE, 2006, 22(1): 167-173.(in Chinese)

2 馮磊，楊衛中，石慶蘭，等．基于時域傳輸原理的土壤水分測試儀研究[J/OL]．農業機械學報，2017,48(3)：181-187.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20170323&journal_id=jcsam.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2017.03.023.

FENG Lei, YANG Weizhong, SHI Qinglan, et al.Soil moisture meter based on time domain transmission principle[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2017,48(3):181-187.(in Chinese)

3 王曉雷，胡建東，江敏，等．附加電阻法快速測定土壤含水率的試驗[J]．農業工程學報，2009，25(10)：76-81．

WANG Xiaolei, HU Jiandong, JIANG Min, et al.Experiment on fast-measurement of soil moisture based on additional resistance method[J].Transactions of the CSAE, 2009,25(10)：76-81.(in Chinese)

4 GASKIN G J, MILLER J D.Measurement of soil water content using a simplified impedance measuring technique[J].J.Agric.Engng Res., 1996, 63(1): 153-160.

5 RIAL W S，HAN Y J.Assessing soil water content using complex permittivity[J].Transactions of the ASAE, 2000, 43(6): 1979-1985.

6 SUN Yurui,MA Daokun, LIN Jianhui,et al.An improved frequency domain technique for determining soil water content[J].Pedosphere, 2005, 15(6): 805-812.

7 DEAN T J, BELL J P, BATY A J B.Soil moisture measurement by an improved capacitance technique, Part II: field techniques, evaluation and calibration [J].Hydrology, 1987, 93(1): 79-90.

8 SUN Yurui, MA Daokun, HE Quan, et al.Experimental study of sensor for real-time measurement of soil moisture profile[J].Journal of Beijing Forestry University, 2006, 28(1): 55-59.

9 FAN Jun, SHAO Ming’an, WANG Quanjiu.Development about methods of soil hydraulic conductivity determination in fields[J].Science of Soil and Water Conservation, 2006, 4(2): 114-119.

10 徐力剛，楊勁松，徐南軍，等.農田土壤中水鹽運移理論與模型的研究發展[J].干旱區研究，2004，21(3)：254-258.

XU Ligang,YANG Jinsong,XU Nanjun, et al.Progress of the study on theories and models of water-salt transport in cultivated soil[J].Arid Zone Research，2004，21(3)：254-258.(in Chinese)

11 鄧建才，蔣新，胡維平，等．田間土壤剖面中阿特拉津的遷移試驗[J]．農業工程學報，2008，24(3)：77-81．

DENG Jiancai, JIANG Xin, HU Weiping, et al.Experimental investigation of atrazine transport in field soil profile[J].Transactions of the CSAE, 2008, 24(3)：77-81.(in Chinese)

12 高陽，段愛旺，劉戰東，等.玉米/大豆間作條件下的作物根系生長及水分吸收[J].應用生態學報，2009，20(2)：307-313.

GAO Yang, DUAN Aiwang, LIU Zhandong, et al.Crop root growth and water up take inmaize/soybean strip inter cropping[J].Chinese Journal of Applied Ecology, 2009，20(2)：307-313.(in Chinese)

13 胡建東，趙向陽，李振峰，等．參數調制探針式電容土壤水分傳感技術研究[J].傳感技術學報，2007，20(5)：1057-1060．

HU Jiandong, ZHAO Xiangyang,LI Zhenfeng, et al.Technique considerations on the use of a probe capacitance sensor with parameter modulation for measuring soil moisture content[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators，2007，20(5)：1057-1060.(in Chinese)

14 許景輝,馬孝義, SALLY D L,等.FDR探頭結構對土壤介電譜測量的影響分析[J/OL].農業機械學報,2014,45(1):102-107.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20140117&journal_id=jcsam.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2014.01.017.

XU Jinghui, MA Xiaoyi, SALLY D L, et al.Probe structure influence on the soil dielectric spectrum measurement[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014,45(1):102-107.(in Chinese)

15 賀慶之，賀靜．極板放在同一平面上的電容敏感器件的研制[J]．儀器技術與傳感器，2001(5)：9-11．

HE Qingzhi,HE Jing.Development of capacitive sensor of the plates put on same plane[J].Instrument Technique and Sensor, 2001(5): 9-11.(in Chinese)16 賀慶之, 賀靜．單一平面電容傳感器原理與應用[J].工業儀表與自動化裝置，2001(5): 62-63,58.

HE Qingzhi,HE Jing.The principle and application of a single planar capacitance sensor[J].Industrial Instrumentation & Automation, 2001(5): 62-63,58.(in Chinese)

17 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．

LI Jianqing, MA Zhengzheng, TIAN Xu.Discussion on methods of two kinds for calculating capacitance and electric field of an unparallel-plate capacitor[J].College Physics, 2008，27(8)：21-23.(in Chinese)

18 高志濤，田昊，趙燕東.土壤剖面水分線性尺度測量方法[J/OL].農業機械學報，2017,48(4)：257-264.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20170433&journal_id=jcsam.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2017.04.033.

GAO Zhitao, TIAN Hao, ZHAO Yandong.Linear scale measurement method for soil profile moisture[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017,48(4)：257-264.(in Chinese)

19 劉國強，趙凌志，蔣繼婭．Ansoft工程電磁場有限元分析[M]．北京：電子工業出版社，2005．

20 王海田．電容器電場有限元方法研究[J]．東方電氣評論，2004，18(4)：194-196．

WANG Haitian.Research electric field of the capacitor with finite element method[J].Dongfang Electric Review,2004, 18(4): 194-196.(in Chinese)

21 倪光正．工程電磁場數值計算[M]．北京：機械工業出版社，2004.

SimulationandExperimentonSoilMoistureProfileSensorProbe

YAN Hua1,2XING Zhen1,2XUE Xuzhang1,2WANG Lichun1,2

(1.BeijingResearchCenterforInformationTechnologyinAgriculture,Beijing100097,China2.KeyLaboratoryofAgri-informatics,MinistryofAgriculture,Beijing100097,China)

In order to accurately grasp soil moisture content information, the problem of real-time observation of soil moisture change in different crop root areas under farmland environment is difficult to observe.The structure of probe was researched and analyzed in detail by modeling simulation analysis, and the optimal sensor structure was determined through experimental verification.Through establishing the trace amount planar capacitance probe two-dimensional model, the influence of change of sensor probe structure on the change of electric field intensity and the capacitance value around the trace amount planar capacitance probe was analyzed by using the finite element analysis, and then the probe structure was determined.The sensitivity and the detecting depth of the probe was optimal when the outer diameter of the probe copper ring electrode was 40 mm, the inner diameter was 38.4 mm, the axial length was 20 mm, and the axial spacing was 15 mm.The sensor probe can be applicable to various types of soil moisture measurement.The measurement accuracy reached ±1.42% with better stability and consistency.The results showed that the sensor probe can be designed according to the actual measurement depth and satisfy the soil moisture measurement requirements of the root zone of different crops.

soil; moisture sensor; probe; profile; simulation; experiment

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.030

S24

A

1000-1298(2017)10-0245-07

2017-06-04

2017-08-16

國家重點研發計劃項目(2016YFC0403102)、國家自然科學基金項目(51509005)和北京市農林科學院科技創新能力建設專項 (KJCX20170204)

閆華(1978—)，女，副研究員，主要從事農業高效用水及農業自動化研究，E-mail：yanh@nercita.org.cn

邢振(1983—)，男，高級工程師，主要從事信息采集與處理研究，E-mail：xingz@nercita.org.cn