土壤水分傳感器校準結果的不確定度分析

魏運芳 王旭 劉宗堯 劉軍

摘 要：土壤水分觀測在氣象部門逐漸開展，對觀測資料的嚴格質量控制尤其重要。本文介紹了土壤水分測量原理、不確定度影響因素及評定方法。

關鍵詞：土壤水分;測量原理;不確定度評定

1 緒論

土壤水分含量是土壤檢測項目中大部分參數計算的基礎數據，是否準確判斷所使用土壤水分觀測設備的可靠性，直接關系到其它參數計算的準確性，對土壤水分的測定是保障農業生產的重要手段。吉林省氣象部門建立自動土壤水分觀測站上百個，為準確把握傳感器的計量特性，必須對傳感器進行周期性校準。校準過程中標準介質的制備流程、讀數裝置、配套設備等都對校準結果影響較大，本文著重對校準結果的不確定因素進行分析。

2 測量原理

DZN1型和DZN2型土壤水分觀測儀均是利用FDR原理（Frequancy Domain Reflectometry），土壤水分變化導致介電常數變化，而頻率的變化受到電容的影響，根據探測器發出的電磁波在不同介電常數物質中的頻率不同，傳感器讀出的頻率與測量的體積含水量之間建立特定的校準等式，轉化為體積含水量，計算被測物含水量。

3 校準結果的不確定度分析

3.1 實驗室校準方法

自動土壤水分觀測儀器校準流程包括檢前準備、砂樣制備、調試讀數、環刀取樣、取樣烘干、稱重計量和檢后整理7環節。根據吉林省土壤類型和容重范圍，多數土壤屬于I、II類，容重集中在（1.5～1.8）g/cm3，適合選擇240目石英砂作為模擬介質，選取5%、10%、15%、20%、25%作為校準點。校準結果的評定參照JJF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》。

3.2 數學模型

按照校準方法，建立下式數學模型：

4 校準結果不確定度的分析與計算

JJF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》規定，根據數值評定方法的不同，可將測量結果的不確定度分為兩類：A類評定和B類評定。

A類評定主要由一系列測量數據的統計分布獲得的不確定度，用標準偏差來表征。一般影響A類不確定度的因素主要是被檢土壤傳感器測量重復性引入的不確定度。

B類評定根據有關信息或經驗，判斷被測量可能值區間。一般影響B類不確定度的因素主要有：采集器讀數分辨力引入的不確定度、標準介質不均勻引入的不確定度、傳感器入土深度引入的不確定度。

4.1 A類標準測量不確定度的評定

通過對5%、10%、15%、20%和25%共5個校準點的20次測量，結果如表1所示。

因為單點測量次數n=4，采用極差法求得標準差：

查表得極差法系數d（4）=2.06，則各點測量結果的A類評定的標準不確定度為

其中，自由度v=2.7。

4.2 B類標準測量不確定度的評定

A.顯示裝置的分辨力引入的不確定度u1。顯示裝置的分辨力為0.1%，則不確定度區間半寬度為0.05%，可假設為均勻分布，查表得k=3，則由分辨力引起的標準不確定度分量u1為：

B.介質場不均勻引入的不確定度u2。石英砂和水配比后，存在介質不均勻性，依據經驗，介質場體積含水量最大差值為0.2%，則不確定度的半寬度為0.05%，按照均勻分布計算，取k=3，則有：

C.插針入土深度引入的不確定度u3。探針入土深度對傳感器影響很大，被檢土壤傳感器的插入深度差異將引起測量結果的誤差，探針趨于全沒過時，數據趨于穩定。假設為均勻分布，區間半寬度取0.1%，k=3，則有：

則有B類標準不確定度為：

4.3 合成標準不確定度

由于各不確定度分量之間相互獨立，所以他們之間的相關系數為0。

根據合成標準不確定度的計算公式可得：

4.4 擴展不確定度的計算

取包含因子k=2，則擴展不確定度為：

作者簡介：魏運芳（1981-），女，漢族，吉林長春人，高級工程師，主要研究方向：儀器計量檢定。