基于駐波原理的錐式林區(qū)土壤含水率儀設(shè)計與性能分析

田 昊 劉衛(wèi)平 趙燕東

(1.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.北京林業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

0 引言

水分是土壤的重要組成元素，在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)、道路交通、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域中，水分的測量具有重要作用，土壤含水率的變化可以作為評估環(huán)境條件的重要依據(jù)。目前土壤含水率的測量主要有烘干法、中子儀法、電阻法、電容法等[1-8]。比較常見的有英國Delta-t公司的ThetaProbe型傳感器、德國IMKO公司的TRIME-HD2型土壤含水率傳感器、Sentek公司EnviroSCAN土壤含水率廓線系統(tǒng)和北京林業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的BD-Ⅲ型土壤含水率傳感器[9-16]。林區(qū)土壤構(gòu)成復(fù)雜，土壤中常伴有枯枝落葉及碎石等物質(zhì)，現(xiàn)有的土壤含水率傳感器多針對于農(nóng)田土壤的測量，應(yīng)用于林區(qū)土壤含水率測量時易造成探針損壞，且對不同深度的林區(qū)土壤進(jìn)行測量時存在不便。如TRIME-HD2型土壤含水率傳感器在用于林區(qū)測量時不能直接插入土壤，必須使用預(yù)打孔定位器確定好安裝位置再插入探針，以防損壞探針[17]；EnviroSCAN土壤含水率廓線系統(tǒng)需采用Sentek專用工具安裝[18-19]；BD-Ⅲ型傳感器需要先將傳感器埋入林區(qū)土壤，存在供電不便[20]；CS830型土壤含水率儀探頭具有放射性，只有經(jīng)過注冊及培訓(xùn)的專業(yè)人員才可以使用[21]；FDS100型含水率傳感器不能將探針插入較硬的土壤，以防止損壞探針，測量時要埋入土壤[22]。

因此，在前人研究的基礎(chǔ)[18,21]上，本文設(shè)計一種適用于林區(qū)的基于駐波原理的便攜式土壤含水率儀。對該儀器測量敏感半徑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，通過烘干法進(jìn)行標(biāo)定，并對其性能進(jìn)行靜動態(tài)測試，通過與TDR型傳感器進(jìn)行對比驗(yàn)證該儀器性能。

1 傳感器設(shè)計

1.1 傳感器測量原理

圖1 傳感器測量原理圖 Fig.1 Principle schematic of sensor measurement

駐波原理測量土壤含水率是通過測量土壤的介電常數(shù)實(shí)現(xiàn)對土壤水分測量，當(dāng)土壤介電常數(shù)不同，高頻電磁波在沿傳輸線傳播時，由于探頭處阻抗與傳輸線阻抗不匹配，在傳輸線上形成駐波，進(jìn)而引起傳輸線兩端電壓幅值的變化[18-21]，測量原理如圖1所示。

高頻信號源采用100 MHz的正弦信號源作為激勵信號，傳輸線特征阻抗為50 Ω，探頭采用不銹鋼的雙金屬環(huán)構(gòu)成，對傳輸線上兩端的駐波進(jìn)行檢波后通過差分信號放大器進(jìn)行小信號放大處理，根據(jù)基本傳輸線理論，可以將圖1等效為集總參數(shù)電路，如圖2所示。

圖2 等效電路圖 Fig.2 Equivalent circuit

從Z軸上任意取一微元dz，則微元dz對應(yīng)的電壓和電流分別為

dUz=IzZadz

(1)

dIz=UzYadz

(2)

對式(1)、(2)做二次微分即得到傳輸線的電報方程

(3)

(4)

對方程(3)、(4)求解得到電壓Uz的瞬時表達(dá)式為

u(z,t)=A[cosωt+ρcos(ω(t-2βz))]

(5)

式中A——電壓幅值

ρ——傳輸線反射指數(shù)

β——相移常數(shù)ω——相移角度

負(fù)載一端(z為0)的電壓峰值為

0=A(1+ρ)

(6)

同理，在傳輸線的另一端選擇2βz=π，則z為波長的四分之一處，得峰值電壓為

z=A(1-ρ)

(7)

駐波的波峰和波谷恰在傳輸線的兩端，傳輸線兩端的電壓差為

(8)

式中 ΔU——傳輸線兩端電位差

ZP——測量探頭阻抗

ZL——傳輸線阻抗

本設(shè)計中傳輸線阻抗ZL為50 Ω，在電壓幅值A(chǔ)和傳輸線阻抗ZL為恒定值時，傳輸線兩端的電位差只和測量探頭阻抗ZP有關(guān)，而測量探頭阻抗ZP由探頭尺寸、測量處土壤介電常數(shù)和工作頻率決定，探頭尺寸和工作頻率為固定值，即測量處土壤介電常數(shù)不同會引起測量探頭阻抗ZP的改變，進(jìn)而反映在傳輸線兩端電位差ΔU的變化上。又Topp公式[15-16]

θ=-5.3×10-2+2.92×10-2ε-5.5×10-4ε2+ 4.3×10-6ε3

(9)

式中θ——土壤含水率

ε——土壤介電常數(shù)

由式(9)可知，土壤含水率與土壤介電常數(shù)存在單值數(shù)學(xué)關(guān)系，因而可以通過測量探頭阻抗ZP來測量土壤含水率。

1.2 傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.2.1探頭設(shè)計

目前現(xiàn)有的土壤含水率傳感器多針對于土質(zhì)較均勻且松軟的農(nóng)田土壤的測量，在應(yīng)用于林區(qū)土壤含水率測量時，由于林區(qū)土壤構(gòu)成復(fù)雜，土壤中常伴有枯枝落葉及碎石等物質(zhì)，存在使用不便，而且在使用過程中由于林區(qū)土壤復(fù)雜易損壞傳感器探針，且在測量不同深度時現(xiàn)有傳感器需要埋入測量。

針對上述林區(qū)土壤含水率測量存在的問題，本文設(shè)計了雙金屬環(huán)式含水率測量探頭，雙金屬環(huán)式探頭可以避免針式探針會折斷的問題，同時雙金屬環(huán)的探頭直徑為20 mm，下部安裝錐角為30°的圓錐頭，便于插入土壤。通過螺紋連接到含水率測量探頭上(采用M16的螺紋進(jìn)行連接)，兩個金屬環(huán)探頭(外徑20 mm，內(nèi)徑18 mm，間距10 mm)嵌合在帶有凹槽的實(shí)心剛玉柱上，剛玉柱兩邊為M16的螺紋用于連接錐頭及錐桿。含水率測量探頭上安裝3個PVC環(huán)(外徑20 mm，內(nèi)徑18 mm,安裝間距10 mm)對金屬環(huán)探頭進(jìn)行絕緣隔離，以保證金屬探頭不會相互之間或與其他連接件之間構(gòu)成短路。含水率測量電路安裝在金屬環(huán)探頭上部(內(nèi)徑14 mm，壁厚3 mm，與剛玉柱連接處為M16的內(nèi)螺紋，螺紋深度5 mm)，并對電路做防水處理，這樣可以最大限度地降低同軸傳輸線周圍阻抗變化對測量結(jié)果造成的誤差。含水率測量探頭整體長150 mm(金屬環(huán)探頭安裝部分長60 mm，含水率測量電路安裝部分長90 mm)，錐桿長為630 mm。錐桿上加有刻度，可以同時得到當(dāng)前測量深度。

1.2.2整體結(jié)構(gòu)

便攜式林區(qū)土壤含水率傳感器由采集主板、含水率測量電路、連接線纜、含水率測量探頭及手柄組成，如圖3所示。

在實(shí)際測量時，含水率測量電路與金屬環(huán)型探針之間的連接線也會作為測量金屬環(huán)的一部分對外界環(huán)境的介電常數(shù)產(chǎn)生感應(yīng)而使得測量結(jié)果產(chǎn)生誤差，本文通過將含水率測量電路嵌入到含水率測量探頭，使得含水率測量電路與金屬環(huán)型探針之間的連接線最短而盡可能的減小這種誤差。傳感器整體采用304不銹鋼材料制作，傳感器整體長900 mm。

圖3 系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.3 Sketch of system composition and structure 1.傳感器外殼 2.顯示及存儲單元 3.銅柱 4.采集主板 5.手柄 6.固定底座 7.外徑10 mm空心鋼管 8.含水率測量探頭 9.錐頭 10.外徑20 mm空心鋼管 11.含水率檢測電路板 12.導(dǎo)線 13、19.M16螺紋 14、18.高5 cm的PVC環(huán) 15、17.金屬環(huán)探頭 16.高10 cm的PVC環(huán)

1.3 硬件電路設(shè)計

圖4 系統(tǒng)原理框圖 Fig.4 System principle block diagram

系統(tǒng)原理框圖如圖4所示，主要包括采集主板、含水率測量單元和顯示控制單元。采集主板包括微控制器STM32103ZET6、AD采集模塊、SD卡存儲模塊、電源控制模塊、時鐘控制模塊；含水率測量單元包括雙金屬環(huán)探頭和含水率測量電路；顯示控制單元包括OLED液晶顯示屏和按鍵模塊。

傳感器工作電路供電電源為5 V，通過按鍵可以控制含水率的測量顯示、數(shù)據(jù)保存和查詢。進(jìn)入測量模式時屏幕實(shí)時顯示測量數(shù)據(jù)；進(jìn)入保存模式后SD卡以TXT文本保存當(dāng)前測量數(shù)據(jù)，便于后期通過計算機(jī)讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析；進(jìn)入查詢模式可以從SD卡中讀取歷史數(shù)據(jù)。

2 傳感器性能分析與實(shí)驗(yàn)

2.1 傳感器測量敏感性

傳感器測量的敏感區(qū)域表示了傳感器在測量過程中的測量范圍，是傳感器的一個重要指標(biāo)。為了對傳感器測量范圍進(jìn)行分析確定，對傳感器的橫向影響區(qū)域和縱向影響區(qū)域進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

2.1.1橫向影響區(qū)域

實(shí)驗(yàn)土壤樣本取自北京林業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)基地(116°21′14″E，40°0′54″N)的典型粘壤土，浸出液的電導(dǎo)率為0.02 mS/cm，其成分構(gòu)成為：砂粒11%、粉粒71%、粘粒18%(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))，取回后首先自然風(fēng)干并用孔徑0.4 mm的篩網(wǎng)過篩，然后放入干燥箱(105℃，24 h)進(jìn)行干燥。通過控制加入水分以配置體積含水率分別為7.30%、11.72%和30.27%的土壤樣本(體積含水率通過烘干法測量)，將配置好的實(shí)驗(yàn)土壤樣本依次裝入3個測試桶(高20 cm，直徑20 cm)中，使用保鮮膜密封靜置48 h。靜置完成后將傳感器插入土壤樣本正中心并記錄傳感器輸出電壓，然后將傳感器輕輕取出，用土環(huán)刀以1 cm為梯度削薄土柱的厚度并記錄土柱直徑，再將傳感器插入土壤樣本正中心并記錄傳感器輸出電壓，重復(fù)上述過程直至完成土柱直徑為4 cm時的測量。實(shí)驗(yàn)過程如圖5所示。

圖5 傳感器橫向影響實(shí)驗(yàn)過程 Fig.5 Test process of sensor transverse impact

為了直觀體現(xiàn)土體厚度的影響，采用能量指數(shù)Ka表征傳感器在縱向范圍上的能量分布狀況[20]，即

(10)

式中Ka——能量指數(shù)

VC——傳感器實(shí)時測量電壓

V——傳感器在空氣中輸出電壓

Vsoil——傳感器在未削薄土柱中的電壓

將測量結(jié)果代入式(10)，傳感器在體積含水率為7.30%、11.72%和30.27%的3種實(shí)驗(yàn)土壤樣本中測得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 傳感器橫向影響能量指數(shù)變化 Fig.6 Energy index change of sensor transverse impact

從圖6可以看出，能量指數(shù)Ka隨著樣本直徑的增加而變大，對于3種不同體積含水率的樣本，95%的能量均勻分布在土柱直徑為10 cm左右的范圍內(nèi)，因此本文所設(shè)計的傳感器橫向影響直徑為10 cm，且橫向影響范圍會隨著體積含水率的增加而略微變大。

2.1.2縱向影響區(qū)域

圖7 傳感器縱向影響實(shí)驗(yàn)過程 Fig.7 Test process of sensor longitudinal impact

將2.1.1節(jié)中配置好的3份不同體積含水率的土壤樣本分別配置不同高度土柱(土柱直徑16 cm)，將傳感器依次插入土柱中正中心，記錄土柱高度及傳感器輸出電壓，實(shí)驗(yàn)過程如圖7所示，并代入式(10)中計算得到對應(yīng)的能量指數(shù)(Vsoil此處為傳感器在高24 cm，直徑16 cm土柱中的電壓)，能量指數(shù)隨土柱高度的變化曲線如圖8所示。

圖8 傳感器縱向影響能量指數(shù)變化 Fig.8 Energy index change of sensor longitudinal impact

從圖8可以看出，能量指數(shù)Ka隨著樣本高度的增加而增加，對于3種不同體積含水率的樣本，95%的能量均勻分布在樣本高度為18 cm左右的范圍內(nèi)，因此本文所設(shè)計的傳感器的縱向影響范圍為18 cm，且縱向影響范圍會隨著體積含水率的增加而略微變大。

2.2 傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

傳感器標(biāo)定選用3個土壤樣本，樣本分別為砂土(取自北京市順義區(qū)共青林場，位置為116.73°E,40.11°N，砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%、粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%)、黃土(取自甘肅省慶陽市鎮(zhèn)原縣，經(jīng)緯度為107.03°E,35.54°N,砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%、粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)65%、粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%)和粘壤土(取自北京林業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)基地，經(jīng)緯度為116.34°E,40.00°N，砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)11%、粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)71%、粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%)，3種土壤分別記作樣本1、樣本2、樣本3。將3份土壤樣本在自然條件下進(jìn)行風(fēng)干，用40目的篩網(wǎng)對土壤進(jìn)行篩選去除其中較大的顆粒，用精密電子秤稱量10 kg的干土。在土壤樣本1中加入定量的水并攪拌(攪拌10 min)至均勻，使加水后的土壤含水率保持一致。然后將攪拌均勻的實(shí)驗(yàn)土壤等分為8份，將第1份實(shí)驗(yàn)土壤均勻鋪放入PVC標(biāo)定桶(底面直徑32 mm，高30 mm)抹平，用直徑50 mm(長50 cm)的尼龍棒進(jìn)行壓實(shí)(尼龍棒距離土壤表面3 cm左右自由落體落下進(jìn)行壓實(shí)，從外圍向中間一點(diǎn)一點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)，保證整個標(biāo)定桶中的土壤表面都進(jìn)行了一遍壓實(shí)后再重復(fù)一次，每層壓實(shí)兩遍)。然后加入第2份實(shí)驗(yàn)土壤，并重復(fù)上述壓實(shí)過程，直至8份實(shí)驗(yàn)土壤都加入到標(biāo)定桶中并壓實(shí)。將標(biāo)定桶密封靜置48 h，保證桶中水分運(yùn)移達(dá)到平衡，將含水率傳感器插入標(biāo)定桶中的土壤進(jìn)行測量，每份土壤樣本進(jìn)行5次測量，5次測量結(jié)果去掉最大值和最小值，然后剩下3個值取平均值作為測量結(jié)果。同時對標(biāo)定桶內(nèi)的實(shí)驗(yàn)土壤利用環(huán)刀法取樣，取兩個環(huán)刀樣本，將所取環(huán)刀樣本放入干燥箱干燥(105℃下干燥24 h)，計算2份干燥土壤樣本的體積含水率，并取平均值得出所測土壤的體積含水率。重復(fù)上述過程完成對土壤樣本2和土壤樣本3的配置，通過控制加入水的多少配置不同體積含水率的土壤，將含水率傳感器輸出的電壓和實(shí)驗(yàn)土壤樣本體積含水率(烘干法測量)進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖9所示。

圖9 傳感器輸出電壓變化曲線 Fig.9 Changing curves of sensor output voltage

由圖9可以看出,3個土壤樣本的線性擬合曲線的擬合決定系數(shù)分別為0.974 9、0.983 5和0.968，擬合決定系數(shù)達(dá)到0.96以上，表明傳感器輸出電壓與被測土壤樣本的體積含水率具有良好的線性關(guān)系。

2.3 傳感器靜態(tài)特性測試

靜態(tài)特性表示輸入為常量或者輸入變化極慢時，傳感器的輸入輸出關(guān)系特性，針對含水率傳感器使用要求及林區(qū)特點(diǎn)，本文所設(shè)計的傳感器的靜態(tài)性能測試主要包括測量范圍、測量精度、穩(wěn)定性和分辨率[23]。

2.3.1測量范圍

傳感器測量范圍是指傳感器所能測量的最小值與最大值之間的范圍，本文所設(shè)計的錐式林區(qū)土壤含水率傳感器測量的是土壤體積含水率，將傳感器置于空氣中(視此時體積含水率為零)時傳感器輸出電壓為0.33 V，從圖9可看出，空氣中傳感器輸出最小，并且隨著土壤體積含水率的增加直至飽和時傳感器輸出電壓同時增加，因而傳感器的測量范圍為零到飽和含水率。

2.3.2測量精度

傳感器測量精度表示測量結(jié)果的可靠程度，一般用量程范圍內(nèi)的最大誤差和滿量程之比的百分?jǐn)?shù)進(jìn)行表示。

傳感器的測量精度通過以下實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，按照2.2節(jié)中土樣配置方法，將3種土壤樣本每種配置4個不同含水率的土樣，共12個樣本，每個樣本通過烘干法得到土壤體積含水率，并將傳感器插入每個樣本進(jìn)行含水率測量，每份樣本測量8次并記錄測量結(jié)果，取8次測量中的誤差測量最大值計算測量精度(此處滿量程選擇100%)，得到數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 傳感器測量精度 Tab.1 Sensor measurement accuracy

從表1可以看出，傳感器的測量精度在3%以內(nèi)，達(dá)到實(shí)際使用要求。

2.3.3穩(wěn)定性

傳感器穩(wěn)定性指相同環(huán)境中，傳感器在長時間內(nèi)輸出的結(jié)果的差異情況或者是進(jìn)行多次測量時輸出的差異情況。為了測試傳感器的穩(wěn)定性，按照2.2節(jié)中方法配置了直徑為100 cm、高度為20 cm的土壤樣本并進(jìn)行了100次測量，記錄傳感器輸出結(jié)果，得到數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 傳感器輸出變化曲線 Fig.10 Changing curve of sensor output

圖10中所測量數(shù)據(jù)最大體積含水率為10.68%，最小體積含水率為8.74%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.49%，可以看出傳感器輸出的穩(wěn)定性較好，可以用于重復(fù)測量。

2.3.4傳感器分辨率

傳感器分辨率指傳感器可感受到的被測量的最小變化的能力。本文所設(shè)計含水率傳感器中基于駐波原理的含水率檢測電路通過對傳輸線兩端的駐波進(jìn)行檢波后通過放大器放大輸出模擬電壓信號，之后通過AD采樣模塊對電壓采集處理得到土壤體積含水率，因此傳感器的分辨率由AD模塊的采樣精度決定。AD采樣精度為0.8 mV，對應(yīng)的分辨率最小為0.05%。

2.4 傳感器動態(tài)特性測試

動態(tài)特性指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性，將傳感器插入土壤這一過程看為輸入信號，此時輸入為一階階躍信號，通過測量輸出隨輸入的變化得到動態(tài)特性。按照2.2節(jié)中土壤樣本配置方法配置1份土壤樣本，將傳感器置于土壤表面并開始測量，然后將傳感器快速貫入土壤直至輸出結(jié)果穩(wěn)定，傳感器會實(shí)時將測量結(jié)果記錄并儲存在SD卡中，通過讀取SD卡中的數(shù)據(jù)繪制動態(tài)特性曲線如圖11所示。

圖11 傳感器動態(tài)特性曲線 Fig.11 Sensor dynamic characteristic curve

由圖11可以計算得到傳感器的相關(guān)動態(tài)特性指標(biāo)，如表2所示。

表2 傳感器動態(tài)特性指標(biāo) Tab.2 Sensor dynamic characteristic parameters

3 測量結(jié)果對比與驗(yàn)證

使用德國IMKO公司的TDR含水率傳感器(測量精度2%，測量范圍0～100%)和烘干法作為對比，分別進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和室外實(shí)驗(yàn)。

3.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下完成，按照2.2節(jié)中方法對3個土壤樣本配置不同體積含水率的土體，分別用本文所設(shè)計的傳感器和TDR傳感器測量土體的體積含水率，記錄測量數(shù)據(jù)。

3.1.1測量結(jié)果準(zhǔn)確性對比

按照2.2節(jié)配置測量土體，每種土壤樣本配置12個不同體積含水率的土體，共配置36份用于測量的土體樣本，用本文所設(shè)計的傳感器和TDR傳感器測量土體樣本體積含水率并記錄數(shù)據(jù)，2種傳感器的測量結(jié)果對比如圖12所示。

圖12 傳感器測量結(jié)果準(zhǔn)確性對比 Fig.12 Accuracy comparison of sensor measurement results

由圖12可以看出，3種土壤樣本下本文所設(shè)計的傳感器與TDR傳感器測量得到的結(jié)果基本相近，并進(jìn)一步對本文設(shè)計的傳感器和TDR傳感器測量結(jié)果進(jìn)行線性擬合分析，如表3所示，得到擬合決定系數(shù)分別為0.975 0、0.992 9和0.988 1，表明本文所設(shè)計的傳感器與TDR傳感器的測量準(zhǔn)確性相當(dāng)，達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用的要求。但是本文所設(shè)計的傳感器測量探頭為金屬不銹鋼結(jié)構(gòu)，和TDR傳感器測量探頭相比，更適合于林區(qū)環(huán)境下土壤體積含水率的測量。

表3 傳感器與TDR測量結(jié)果線性擬合 Tab.3 Sensor measurements linear fitting with TDR measurement

3.1.2測量結(jié)果穩(wěn)定性對比

該實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行，按2.2節(jié)所述配置用于測量實(shí)驗(yàn)的土體，用土壤樣本2(黃土)配置8個不同體積含水率的土體，分別用本文所設(shè)計的傳感器和TDR傳感器對土體進(jìn)行3次測量，并通過烘干法測量得到8份土體的體積含水率作為實(shí)驗(yàn)土體的真值，記錄數(shù)據(jù)并用Excel計算測量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差對比如圖13所示。

圖13 傳感器測量結(jié)果穩(wěn)定性對比 Fig.13 Comparison of stability of sensor measurement results

由圖13可以看出，錐式傳感器和TDR傳感器測量結(jié)果波動基本一致，錐式傳感器測量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差最大為2.32%，TDR傳感器測量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差最大為1.63%，說明本文設(shè)計的錐式傳感器與TDR傳感器性能相當(dāng)。

3.2 室外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

室外實(shí)驗(yàn)選取北京林業(yè)大學(xué)林場(北京市鷲峰國家森林公園)和北京林業(yè)大學(xué)三頃園實(shí)驗(yàn)基地作為室外實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，在北京林業(yè)大學(xué)林場選取9 m2的正方形平整土地(海拔642 m、116°4′36″E、40°3′42″N)，使用本文所設(shè)計的錐式傳感器測量實(shí)驗(yàn)土壤的體積含水率，測量深度為25 cm，測量點(diǎn)為正方形土地的4個對角及正中心，共5個點(diǎn)測量，記錄測量數(shù)據(jù)，并在選取測量點(diǎn)旁使用環(huán)刀取土壤樣本進(jìn)行干燥，通過烘干法計算得到實(shí)驗(yàn)樣地土壤的體積含水率。同樣，在北京林業(yè)大學(xué)三頃園實(shí)驗(yàn)基地選取9 m2的正方形平整土地(海拔52 m、116°20′15″E、40°0′44″N)，測量深度為25 cm，按照上述方法進(jìn)行測量并記錄數(shù)據(jù)，表4為2個不同地點(diǎn)下傳感器和烘干法測量得到土壤體積含水率的對比。

表4 傳感器與烘干法測量結(jié)果對比 Tab.4 Comparison of measurement results between sensor and drying method %

由表4可以看出，傳感器測量結(jié)果和烘干法測量結(jié)果基本一致，最大誤差為2.10%，小于3%，因此本文設(shè)計的錐式林區(qū)土壤含水率傳感器滿足林區(qū)含水率測量的實(shí)際應(yīng)用要求，相比烘干法更便捷。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種基于駐波原理的錐式林區(qū)土壤含水率傳感器，采用不銹鋼材料作為傳感器的測量探針及支撐結(jié)構(gòu)提高了傳感器的抗損壞性，采用雙金屬環(huán)的探針結(jié)構(gòu)，將含水率測量電路嵌入錐頭，使得傳輸線最短，降低了傳輸線受到周圍環(huán)境阻抗變化引起的測量誤差。

(2)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明傳感器的橫向影響直徑為10 cm，縱向影響高度為18 cm，且影響范圍會隨著土壤體積含水率的增加而略微變大。通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到擬合決定系數(shù)分別為0.974 9、0.983 5和0.968，表明傳感器能很好地表征土壤含水率的變化。

(3)通過靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)，得到傳感器測量范圍為零到飽和含水率，測量精度為3%，傳感器穩(wěn)定性良好，分辨率為0.05%；通過動態(tài)特性實(shí)驗(yàn)，得到傳感器超調(diào)量為0.48%，過渡時間為0.582 s，振蕩次數(shù)為零，延遲時間為0.248 s，上升時間為0.162 s,峰值時間為0.8 s，表明傳感器具有良好的靜動態(tài)特性，能夠達(dá)到實(shí)際使用要求。

(4)通過與國際公認(rèn)的TDR含水率傳感器進(jìn)行對比，測量結(jié)果一次線性擬合決定系數(shù)為0.975、0.992 9和0.988 1，測量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.32%和1.63%，表明傳感器和TDR的測量結(jié)果準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性基本一致。通過在林區(qū)進(jìn)行室外實(shí)驗(yàn)并和烘干法測量結(jié)果進(jìn)行對比，表明傳感器測量結(jié)果和烘干法測量結(jié)果基本一致。