車載式大田土壤電導(dǎo)率在線檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

梁 棟 胡麗娜,2 王 秀 翟長遠(yuǎn) 張焱龍 竇漢杰

(1.安徽大學(xué)電子信息工程學(xué)院，合肥 230039；2.北京市農(nóng)林科學(xué)院智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097；3.國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097)

0 引言

近年來，為提高糧食產(chǎn)量，化肥農(nóng)藥的過度施用嚴(yán)重破壞土壤結(jié)構(gòu)，造成土壤板結(jié)、耕地土壤退化、保水肥能力下降等情況，不僅影響作物生長，還與糧食食品安全息息相關(guān)，如何快速有效地獲取土壤相關(guān)參數(shù)實(shí)現(xiàn)智能化田間管理是實(shí)現(xiàn)精細(xì)農(nóng)業(yè)的重要基礎(chǔ)[1-3]。土壤中包含眾多影響作物生長的因素[4-6]，逐個(gè)測量各成分耗時(shí)耗力成本高，故需要一項(xiàng)能夠綜合反映土壤中各成分的相對指標(biāo)，在物理學(xué)的研究內(nèi)容中，土壤電導(dǎo)率可反映土壤品質(zhì)和物理特性的豐富信息[7-9]，如土壤含鹽量、含水率、有機(jī)質(zhì)含量、質(zhì)地結(jié)構(gòu)[10]、孔隙率[11-12]和肥量等都與電導(dǎo)率呈相應(yīng)的變化關(guān)系[13-15]。

土壤電導(dǎo)率的測量可分為實(shí)驗(yàn)室測量和基于傳感器的在線測量。實(shí)驗(yàn)室測量土壤電導(dǎo)率操作過程較為復(fù)雜，且實(shí)時(shí)性差，但此方法的檢測精度較高，可用于實(shí)時(shí)傳感器標(biāo)定。基于傳感器檢測電導(dǎo)率可分為接觸式和非接觸式兩種。非接觸式主要是電磁感應(yīng)法[16]，此方法易受外界電磁信號(hào)及環(huán)境因素干擾。接觸式主要是電流-電壓四端法[17-19]，采用的電極傳感器可充分接觸土壤高效實(shí)時(shí)檢測且基本不破壞土壤結(jié)構(gòu)。大田環(huán)境復(fù)雜，土壤電導(dǎo)率的檢測值往往受土壤中多種因素的影響。孫宇瑞[15]研究表明，土壤含水率為15%～30%時(shí)土壤電導(dǎo)率與含水率呈線性關(guān)系，小于15%或大于30%時(shí)，電導(dǎo)率不隨含水率變化而變化；相比之下，土壤含鹽量對電導(dǎo)率的影響程度遠(yuǎn)大于含水率。趙燕東等[20]通過對比交、直流四端法對電導(dǎo)率測量的影響，發(fā)現(xiàn)使用直流信號(hào)源檢測土壤電導(dǎo)率時(shí)，檢測值會(huì)逐漸變?yōu)榱悖贿m用于檢測土壤電導(dǎo)率，其設(shè)計(jì)的探針式傳感器在不同插入深度下檢測值不同。盛文溢等[14]采用自行設(shè)計(jì)的土壤含水率、電導(dǎo)率與耕作阻力測量系統(tǒng)在特定的施肥管理試驗(yàn)田進(jìn)行了多參數(shù)相關(guān)關(guān)系研究，建立了農(nóng)田電導(dǎo)率與土壤含水率、耕作阻力以及施肥量的線性統(tǒng)計(jì)預(yù)測模型。楊瑋等[21]采用信號(hào)發(fā)生器和數(shù)字示波器改進(jìn)檢測電路，提高了系統(tǒng)檢測精度，通過開展田間和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)擬合R2不高原因可能是由拖拉機(jī)抖動(dòng)造成。近些年，研究人員對檢測方法不斷探究，改進(jìn)檢測電路，研制便攜式電導(dǎo)率檢測儀以及車載檢測系統(tǒng)[22-24]，試驗(yàn)多在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下開展，分析土壤含水率、溫度、孔隙率及傳感器插入深度等對電導(dǎo)率檢測的影響。

本文基于電流-電壓四端法原理，設(shè)計(jì)大田車載式土壤電導(dǎo)率在線檢測系統(tǒng)，通過試驗(yàn)對自制裝置檢測性能進(jìn)行測試，并探究拖拉機(jī)振動(dòng)、傳感器插入深度、作業(yè)速度和土壤堅(jiān)實(shí)度對系統(tǒng)電導(dǎo)率檢測精度的影響，以期為開展基于土壤電導(dǎo)率的變量施肥控制技術(shù)研究提供技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 電流-電壓四端法測量原理

電流-電壓四端法是最常用的接觸式土壤電導(dǎo)率檢測方法，其原理如圖1所示。

圖1 四端法原理圖Fig.1 Schematic of four-terminal method

檢測電路主要有2部分：一是J、K兩端的交流恒流源給大地電阻提供的電流信號(hào)；二是M、N兩端檢測的電壓信號(hào)，對于長度和面積都不能確定的大地，測量其電導(dǎo)率，孫宇瑞等[25]推導(dǎo)了傳感器電極在不同排布情況下的計(jì)算公式為

(1)

式中σ——土壤電導(dǎo)率，S/m

dJM、dJN、dKM、dKN——電極間距，m

I——恒流源輸出電流，A

VMN——M、N之間電壓，V

本文傳感器電極采用Wenner排列方式，電極間距相等都設(shè)為d,故式(1)可簡化為

(2)

本系統(tǒng)傳感器電極圓盤直徑38 cm，每2個(gè)圓盤電極間距為22 cm，根據(jù)傳感電極間距、恒流源輸出I和M、N兩端檢測的電壓信號(hào)即可計(jì)算出此區(qū)域的電導(dǎo)率。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車載式土壤電導(dǎo)率在線檢測裝置包括電導(dǎo)率在線檢測系統(tǒng)和電導(dǎo)率傳感器。本文主要設(shè)計(jì)了車載式土壤電導(dǎo)率在線檢測系統(tǒng)，電導(dǎo)率傳感器采用美國Veris公司生產(chǎn)的Veris3100型電導(dǎo)率傳感器，其結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。主要由圓盤限深輪、圓盤電極總成、絕緣隔離墊、電極緩沖裝置、電極圓盤和圓盤軸承組組成，電極圓盤通過機(jī)架連接在一起，之間用絕緣隔離墊連接，電極緩沖裝置可使電極在遇堅(jiān)硬物體時(shí)緩沖抬起，電極圓盤總成與機(jī)架限深輪用于控制電極插入深度，圓盤軸承組保證電極圓盤穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)不擺動(dòng)，限深輪之間，兩外側(cè)圓盤電極連接恒流信號(hào)源并插入大地土壤，兩內(nèi)側(cè)圓盤電極檢測大地電壓。

圖2 車載電導(dǎo)率檢測傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure composition of vehicle-mounted conductivity detection sensor1.機(jī)架 2.圓盤限深輪 3.圓盤電極總成 4.絕緣隔離墊 5.電極緩沖裝置 6.電極圓盤 7.圓盤軸承組

車載式土壤電導(dǎo)率在線檢測系統(tǒng)包括硬件電路和軟件系統(tǒng)。工作時(shí)，硬件電路產(chǎn)生恒流信號(hào)源，信號(hào)源加載到電極圓盤上進(jìn)而與大地之間形成回路，通過實(shí)時(shí)檢測內(nèi)外圓盤電極之間電壓變化，并通過信號(hào)放大后由軟件系統(tǒng)處理實(shí)現(xiàn)土壤電導(dǎo)率計(jì)算。

1.2.1硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路包括恒流源電路、信號(hào)處理電路和主控電路，如圖3所示。主控電路中Arduino控制器控制高精度信號(hào)產(chǎn)生電路、數(shù)控增益放大電路和恒流源V-I轉(zhuǎn)換電路輸出恒流信號(hào)，連接至傳感器外側(cè)兩電極，內(nèi)側(cè)兩電極檢測電壓信號(hào)至信號(hào)處理電路進(jìn)行處理。信號(hào)處理電路包括差分放大電路、有效值轉(zhuǎn)換電路、A/D轉(zhuǎn)換電路，用于將檢測到的電壓信號(hào)差分放大，提高信號(hào)精度，并將交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)。最后主控電路控制器讀取并處理電壓信號(hào)和GPS定位信息，顯示及保存。

圖3 車載式大田土壤電導(dǎo)率快速檢測系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic of vehicle-mounted field soil conductivity rapid detection system

(1)恒流信號(hào)源電路

恒流信號(hào)源電路由信號(hào)發(fā)生電路、數(shù)控增益放大電路和V-I轉(zhuǎn)換電路3部分組成。

系統(tǒng)信號(hào)發(fā)生電路采用高精度DDS芯片AD9833數(shù)字可編程波形產(chǎn)生器件，AD9833采用3線SPI串口編程控制，具有占用資源少、功耗低及精度高等優(yōu)點(diǎn)。信號(hào)發(fā)生電路整體設(shè)計(jì)電路如圖4所示。輸出端加上由OP497構(gòu)成的電壓跟隨器，可增大AD9833產(chǎn)生信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力及抗干擾能力，提高穩(wěn)定性。

AD9833產(chǎn)生頻率可調(diào)、幅值不可調(diào)的信號(hào)，故需經(jīng)過增益放大電路，使其幅值可調(diào)。數(shù)控增益放大電路[26]主要有兩部分：一部分是經(jīng)過高精度D/A芯片產(chǎn)生模擬電壓量，另一部分是壓控增益放大電路將模擬電壓量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的增益放大，如圖5所示，D/A轉(zhuǎn)換芯片選用12位高速轉(zhuǎn)換芯片TLV5618。MC1403是高精度、低噪聲、低溫漂的集成基準(zhǔn)電壓源，可為TLV5618提供基準(zhǔn)電壓2.5 V。壓控增益芯片選用VCA821，VCA821具有寬頻帶、V/V線性、持續(xù)可變增益等特性。電路增益計(jì)算公式為

圖4 信號(hào)發(fā)生電路Fig.4 Signal generation circuit

(3)

式中R5、R7、R8——電阻器R5、R7、R8的電阻

VG——D/A轉(zhuǎn)換電路輸出電壓

VOUTC——高精度信號(hào)源輸出電壓

VOUT——壓控增益放大電路輸出電壓

圖5 數(shù)控增益放大電路Fig.5 Numerical control gain amplifier circuit

由于R5和R7相等，公式可化簡為

(4)

圖6 V-I轉(zhuǎn)換電路Fig.6 V-I conversion circuit

數(shù)控增益電路后端連接由高精度、低溫漂運(yùn)算放大器OP27構(gòu)成的增益微調(diào)電路，可把壓控增益電路的增益微調(diào)至所需比例。獲得穩(wěn)定頻率、幅值可調(diào)的交流電壓信號(hào)后，經(jīng)過恒流源V-I轉(zhuǎn)換電路輸出電流信號(hào)，如圖6所示。選用INA333和運(yùn)算放大器OP07組成V-I轉(zhuǎn)換電路，根據(jù)電路虛短虛斷原理可知，輸出電流與負(fù)載電阻無關(guān)，與電路中電阻器RG電阻RG及輸入電壓有關(guān)，其輸出電流計(jì)算公式為

(5)

(6)

式中G——放大倍數(shù)

結(jié)合式(5)、(6)可知，輸出電流可通過設(shè)置輸入電壓和電阻RG確定，設(shè)計(jì)選取RG為10 kΩ，則計(jì)算電路輸出最大電流為1 500 μA，輸出電流端加上精密電阻將其兩端電壓反饋至控制器可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)恒流輸出[27-28]。

圖7 差分放大電路Fig.7 Differential amplifier circuit

(2)信號(hào)處理電路

信號(hào)處理電路模塊包括差分放大和有效值轉(zhuǎn)換電路。為減小誤差、提高精度，需要先將兩端電壓信號(hào)經(jīng)過差分放大處理。如圖7所示，放大電路使用低成本、高精度的集成芯片AD620。電路采用±5 V電源供電，由12 V電源轉(zhuǎn)換至5 V后再轉(zhuǎn)換為-5 V，芯片的ref端為輸出電壓基準(zhǔn)端，將其接地定義零輸出電壓可實(shí)現(xiàn)最大1.0 nA的低輸入偏置電流。電壓信號(hào)輸入輸出端口加上低通濾波電路以濾除高頻雜波信號(hào)，根據(jù)AD620的特性可知該放大電路的放大倍數(shù)G由電阻器RD的電阻RD確定，計(jì)算式為

(7)

在本設(shè)計(jì)中，RD取5.4 kΩ，則實(shí)際放大倍數(shù)為10.2倍。

選用AD637及外圍電容、電阻設(shè)計(jì)有效值轉(zhuǎn)換電路，如圖8所示，先將交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于讀取的直流電壓信號(hào)；然后采用16位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1115，將模擬直流電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，輸出到單片機(jī)，通過IIC通信讀取電壓信號(hào)，根據(jù)輸入電流和檢測電壓代入式(2)即可計(jì)算出電導(dǎo)率。

圖8 有效值轉(zhuǎn)換電路Fig.8 RMS conversion circuit

(3)主控電路

主控電路主要由Arduino UNO控制器、GPS定位和顯示存儲(chǔ)3部分組成，控制器采用3線SPI串口編程控制高精度DDS芯片AD9833輸出電壓信號(hào)以及可編程控制數(shù)控增益放大電路增益值，進(jìn)而控制輸出恒流信號(hào)源；GPS定位傳感器選用U-BLOX NEO-7N GPS模組，根據(jù)串口通訊協(xié)議即可與控制器通信，定位成功后根據(jù)NMEA-0183協(xié)議設(shè)置每秒傳回一次檢測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，控制器再進(jìn)行解析處理出需要的經(jīng)緯度信息。獲取電導(dǎo)率和GPS定位信息后即可傳輸至由C#編程的上位機(jī)界面進(jìn)行顯示，完成作業(yè)后信息可保存至SD卡中。

1.2.2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)工作流程如圖9所示，控制器上電后，LED指示燈亮起且系統(tǒng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，恒流信號(hào)源與電導(dǎo)率傳感器形成回路，通過檢測傳感器兩端的電壓，經(jīng)過信號(hào)處理電路后傳給控制器，控制器處理電壓信息，計(jì)算電導(dǎo)率，判斷電導(dǎo)率沒有異常后，獲取GPS信息判斷是否完整，無異常后解析獲取經(jīng)緯度坐標(biāo)信息，到達(dá)定時(shí)時(shí)間后對應(yīng)顯示并保存。

圖9 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.9 System data acquisition flow chart

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

2.1.1交流恒流源穩(wěn)定性試驗(yàn)

對于設(shè)計(jì)的恒流源，關(guān)鍵技術(shù)是在不同負(fù)載電阻情況下保持恒定輸出，本文設(shè)計(jì)的恒流信號(hào)源電路可通過數(shù)控增益放大電路及電阻器RG調(diào)節(jié)輸出電流，理論輸出電流范圍為0～1 500 μA，四端法測量土壤電導(dǎo)率時(shí)，大地電阻一般小于10 kΩ，因此設(shè)置交流恒流源的電流為1 000 μA，為檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)設(shè)備的穩(wěn)定性，采用可調(diào)電阻模擬不同的大地電阻，測試方法為逐漸增加負(fù)載電阻并測量傳感器輸出，同時(shí)使用示波器觀察交流恒流源輸出正弦波波形，直到達(dá)到失真臨界點(diǎn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 交流恒流源穩(wěn)定性Tab.1 AC constant current source stability

由表1可知，當(dāng)電阻逐漸增大時(shí)，電流輸出基本保持穩(wěn)定，具有較好的穩(wěn)定性，最大變化誤差為1.04%，電流源負(fù)載臨界阻值為11 kΩ，滿足土壤電導(dǎo)率檢測要求。

2.1.2系統(tǒng)響應(yīng)性能試驗(yàn)

將傳感器從一種介質(zhì)的穩(wěn)定狀態(tài)到另一種介質(zhì)的穩(wěn)定狀態(tài)的響應(yīng)時(shí)間作為動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，用于評(píng)價(jià)檢測系統(tǒng)響應(yīng)性能。為評(píng)價(jià)本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，將電導(dǎo)率傳感器通電后，從空氣狀態(tài)插入含水率為12%的土壤中，測量系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)響應(yīng)性能Fig.10 System response performance

由圖10可知，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間約為540 ms，響應(yīng)時(shí)間相對較快。在基于土壤電導(dǎo)率進(jìn)行變量施肥作業(yè)時(shí)，作業(yè)網(wǎng)格區(qū)域劃分一般不低于2 m，作業(yè)速度保持在1.5 m/s左右，本文設(shè)計(jì)電導(dǎo)率檢測系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間能確保在作業(yè)區(qū)域內(nèi)采集至少2個(gè)點(diǎn)，滿足應(yīng)用要求。

2.1.3溫漂影響試驗(yàn)

導(dǎo)致溫漂現(xiàn)象的原因是多方面的，比如使用環(huán)境的溫濕度變化、開機(jī)預(yù)熱、傳感器及電性元件對溫度的敏感程度等，為確定開機(jī)預(yù)熱是否引起檢測結(jié)果誤差，首先制備3個(gè)土壤樣本，室內(nèi)恒溫25℃，在每個(gè)樣本內(nèi)使用本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)從開機(jī)開始檢測，每30 s讀取一次數(shù)據(jù)，記錄10 min內(nèi)的電導(dǎo)率檢測值變化，如圖11所示。

圖11 溫漂試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.11 Temperature drift test data

由圖11可知，3個(gè)樣本電導(dǎo)率檢測值的最大誤差分別為5、6、7 μS/cm，相對誤差精度為3.70%、3.45%、3.35%，偏差較小，說明系統(tǒng)開機(jī)預(yù)熱對電導(dǎo)率檢測值影響較小。

2.1.4含水率、溫度、插入深度影響試驗(yàn)

研究團(tuán)隊(duì)前期已開展相關(guān)研究[29]，針對設(shè)計(jì)的系統(tǒng)開展了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，通過中心組合試驗(yàn)探究了土壤含水率、電極入土深度、土壤溫度對系統(tǒng)電導(dǎo)率檢測值影響規(guī)律并建立了土壤電導(dǎo)率計(jì)算回歸模型

B=(Y-43 895.54+2 201.48A+284.04C+
333.45D-12.59AC-10.85AD-20.8A2+1.86C2-
1.22D2)/(0.42A+0.031C-11.21)

(8)

式中Y——傳感器檢測值，mV

A——土壤含水率，%

B——土壤電導(dǎo)率，μS/cm

C——電極入土深度，mm

D——土壤溫度，℃

模型R2為0.998 3，預(yù)測R2為0.996 1,通過對試驗(yàn)中各個(gè)因素以及各因素交互項(xiàng)的顯著性進(jìn)行擬合和分析，可知，土壤含水率、電極入土深度、土壤溫度對系統(tǒng)電導(dǎo)率檢測值有顯著影響。本文在該研究基礎(chǔ)上，對設(shè)計(jì)的土壤電導(dǎo)率在線檢測系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并基于該模型對電導(dǎo)率檢測值進(jìn)行修正。

2.1.5系統(tǒng)標(biāo)定試驗(yàn)

為提高系統(tǒng)使用時(shí)檢測精度，需對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。首先制備土壤浸提液，土壤樣本取自北京市昌平區(qū)小湯山國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究示范基地。實(shí)驗(yàn)室土壤浸提液的制備按照國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)HJ 802—2016[30]步驟制備，主要操作流程如圖12所示。首先將土壤樣品進(jìn)行風(fēng)干，然后取風(fēng)干后的土壤樣品和無離子蒸餾水，按照1∶5的比例混合充分?jǐn)嚢枵袷帯㈧o止沉淀、經(jīng)定性濾紙過濾取上層清液，保存待測。試驗(yàn)過程中，室內(nèi)恒溫25℃，試驗(yàn)選取土壤樣本3 kg放置于土樣盒中，分別配置0%、0.04%、0.08%、0.12%、0.16%、0.20%、0.24%、0.28%、0.32%、0.36%10個(gè)含鹽量梯度的土壤樣本，試驗(yàn)用品包括100 mL燒杯、KCl試劑(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、無離子水(紅荒之力牌，電導(dǎo)率小于0.1 μS/cm)和電子天平(BS323D型，賽多利斯公司，最大量程320 g，精度0.001 g)。電子天平分別稱取需要的KCl后溶于100 mL無離子水中，使用噴壺噴灑至土壤樣本中攪拌均勻靜置，分別用本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)和DDB-307A型便攜式電導(dǎo)率檢測儀(上海儀電科學(xué)儀器有限公司，量程0～100 mS/cm，精度±1.0%FS)檢測土壤溶液，試驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)含鹽量大于0.3%時(shí)四端法檢測值基本不變，這也與陳玲等[31]研究結(jié)論相符。本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)檢測的電導(dǎo)率和DDB-307A電導(dǎo)率儀檢測的電導(dǎo)率呈明顯線性關(guān)系，如圖13所示，線性擬合決定系數(shù)R2為0.996 6，表明此電導(dǎo)率檢測系統(tǒng)檢測準(zhǔn)確性較高。

圖12 土壤浸提液制備流程圖Fig.12 Soil extract preparation flow chart

圖13 系統(tǒng)傳感器標(biāo)定Fig.13 System sensor calibration

2.2 大田試驗(yàn)

2.2.1系統(tǒng)檢測精度試驗(yàn)

將本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)和電導(dǎo)率傳感器搭載在拖拉機(jī)上，在北京市昌平區(qū)小湯山國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究示范基地進(jìn)行了田間試驗(yàn)，為保證含水率不影響檢測，試驗(yàn)前采集土樣進(jìn)行檢測，土壤含水率小于15%。

試驗(yàn)時(shí)間為9月1日08：00—18：00，溫度19～29℃，天氣晴轉(zhuǎn)多云。試驗(yàn)地附近無建筑物遮擋，GPS信號(hào)可準(zhǔn)確接收，首先對系統(tǒng)的檢測精度進(jìn)行測試，田間試驗(yàn)如圖14所示。在25 m×120 m區(qū)域內(nèi)選取90個(gè)測量點(diǎn)，每個(gè)檢測點(diǎn)先使用本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)檢測電導(dǎo)率并保存數(shù)據(jù)，再在圓盤放置位置采用五點(diǎn)法進(jìn)行土壤樣本采集，采集深度在10～20 cm之間，同時(shí)，用TR-6D型電導(dǎo)率檢測儀檢測采樣位置處電導(dǎo)率，記錄數(shù)據(jù)，土樣采集及TR-6D型電導(dǎo)率儀檢測如圖15所示。

圖14 田間試驗(yàn)Fig.14 Field experiment1.電源 2.拖拉機(jī) 3.傳感器電極 4.GPS 5.控制系統(tǒng)

圖15 土樣采集及手持TR-6D型電導(dǎo)率儀檢測Fig.15 Soil sample collection and handheld TR-6D detection

對本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)、TR-6D型電導(dǎo)率儀和DDB-307A型檢測儀在90個(gè)檢測點(diǎn)檢測的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不同檢測方式下電導(dǎo)率分布如圖16所示。可知，3種檢測方式下土壤電導(dǎo)率整體變化趨勢相似，但同一檢測點(diǎn)三者檢測值存在偏差。

圖16 性能對比數(shù)據(jù)Fig.16 Performance comparison data

為了進(jìn)一步分析3種檢測方式之間的差異，在原有檢測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上剔除異常數(shù)據(jù)，默認(rèn)實(shí)驗(yàn)室電導(dǎo)率測量值為實(shí)際土壤電導(dǎo)率[21]，分別將本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)檢測電導(dǎo)率、TR-6D型電導(dǎo)率儀檢測電導(dǎo)率與DDB-307A型檢測儀檢測電導(dǎo)率進(jìn)行相關(guān)性分析，如圖17所示。可知，本文設(shè)計(jì)的電導(dǎo)率檢測系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)的R2為0.734 2，而TR-6D型電導(dǎo)率儀檢測數(shù)據(jù)的R2為0.609 5。本文設(shè)計(jì)的車載式大田土壤電導(dǎo)率在線檢測系統(tǒng)電導(dǎo)率檢測精度相對較高。同時(shí)，大田試驗(yàn)檢測時(shí)天氣溫度為19～29℃，土壤檢測點(diǎn)多、時(shí)間跨度大，環(huán)境溫度變化會(huì)影響本系統(tǒng)電導(dǎo)率檢測精度。前期試驗(yàn)結(jié)果以及文獻(xiàn)[20]和文獻(xiàn)[32]研究表明，溫度與電導(dǎo)率呈線性關(guān)系，同一個(gè)樣本在相差5℃的條件下檢測的電導(dǎo)率差值約40 μS/cm。因此，在考慮溫差影響基礎(chǔ)上對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段分析。由于本次實(shí)驗(yàn)室檢測是在25℃條件下進(jìn)行，將圖17a中采樣數(shù)據(jù)按25℃分為兩部分，分別與DDB-307A型檢測電導(dǎo)率值進(jìn)行相關(guān)性分析，如圖18所示。可知，通過數(shù)據(jù)分段以后，兩部分?jǐn)?shù)據(jù)的R2均增加，25℃以上部分電導(dǎo)率數(shù)據(jù)的R2為0.864 5，25℃以下部分電導(dǎo)率數(shù)據(jù)R2為0.915 6。該車載式土壤電導(dǎo)率檢測系統(tǒng)檢測精度進(jìn)一步提高，大于TR-6D型電導(dǎo)率儀檢測精度，可用于大田電導(dǎo)率在線檢測。在使用該系統(tǒng)進(jìn)行電導(dǎo)率檢測時(shí)，為確保系統(tǒng)檢測精度，應(yīng)考慮溫度影響。

圖17 不同檢測方法電導(dǎo)率檢測值相關(guān)性對比Fig.17 Correlation comparison of conductivity values for different detection methods

圖18 不同環(huán)境溫度下電導(dǎo)率檢測值相關(guān)性對比Fig.18 Correlation comparison of conductivity values for different ambient temperature

2.2.2系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗(yàn)

試驗(yàn)區(qū)域選取25 m×120 m的旋耕地，隨機(jī)選擇6個(gè)點(diǎn)，檢測時(shí)傳感器呈自然插入狀態(tài)，插入深度為10 cm，每點(diǎn)檢測50組數(shù)據(jù)。檢測結(jié)果如圖19所示，檢測點(diǎn)電導(dǎo)率基本保持穩(wěn)定，對每個(gè)檢測點(diǎn)的誤差進(jìn)行分析，見表2。該系統(tǒng)最大偏差27 μS/cm，最大相對誤差4.47%，滿足使用精度要求。

圖19 系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Fig.19 System sensor stability test results

表2 系統(tǒng)穩(wěn)定性檢測誤差Tab.2 System stability detection error

圖22 不同插入深度電導(dǎo)率檢測值空間分布Fig.22 Spatial distributions of measured conductivity values at different insertion depths

由于拖拉機(jī)啟動(dòng)會(huì)帶動(dòng)檢測系統(tǒng)和傳感器振動(dòng)，為探究振動(dòng)對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響程度，在25 m×120 m區(qū)域內(nèi)均勻標(biāo)記90個(gè)測量點(diǎn)；每個(gè)測量點(diǎn)分別檢測拖拉機(jī)靜止和啟動(dòng)狀態(tài)下的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)并保存。將獲取的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖20所示，對比拖拉機(jī)啟動(dòng)振動(dòng)和熄火靜止?fàn)顟B(tài)的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，兩者發(fā)生明顯變化，說明拖拉機(jī)振動(dòng)對測量結(jié)果具有顯著影響，相對靜止?fàn)顟B(tài)電導(dǎo)率檢測值的相對誤差范圍為-9.39%～10.37%。為進(jìn)一步明晰誤差產(chǎn)生原因，對單點(diǎn)連續(xù)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)率檢測數(shù)據(jù)呈周期性變化，由此推導(dǎo)誤差產(chǎn)生原因主要有：①拖拉機(jī)自身振動(dòng)帶動(dòng)傳感器振動(dòng)導(dǎo)致傳感器與地面土壤接觸面積不充分。②拖拉機(jī)振動(dòng)周期是采樣周期的倍數(shù)，當(dāng)振動(dòng)時(shí)刻與采樣時(shí)刻一致時(shí)，會(huì)抵消或疊加部分電導(dǎo)率檢測信號(hào)，導(dǎo)致電導(dǎo)率的變動(dòng)是呈現(xiàn)周期性變化。表3對誤差絕對值在一定范圍內(nèi)占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可知誤差主要集中在0～10 μS/cm內(nèi)。

圖20 拖拉機(jī)振動(dòng)和靜止?fàn)顟B(tài)下電導(dǎo)率檢測值變化曲線Fig.20 Change of conductivity detection value under vibration and static state of tractor

表3 振動(dòng)誤差范圍占比統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of proportion of vibration error range

2.2.3電極不同插入深度對比試驗(yàn)

在同一地塊不同區(qū)域隨機(jī)選擇5個(gè)檢測位置進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)前將電極圓盤的半徑標(biāo)記12個(gè)刻度，間隔1 cm，檢測12組數(shù)據(jù)，每次記錄傳感器輸出值，依次檢測5個(gè)測量位置在不同插入深度下的電導(dǎo)率，試驗(yàn)結(jié)果如圖21所示。當(dāng)傳感器的插入深度在0～10 cm范圍內(nèi)，隨著深度增加傳感器檢測電導(dǎo)率逐漸增大，當(dāng)傳感器插入深度大于10 cm時(shí)，傳感器的輸出基本保持不變，電導(dǎo)率檢測較為穩(wěn)定。

圖21 插入深度數(shù)據(jù)分析Fig.21 Insert depth data analysis

為探究車載系統(tǒng)在行走檢測時(shí)，不同插入深度對電導(dǎo)率檢測影響，選取25 m×120 m田塊，將電導(dǎo)率檢測傳感器圓盤插入深度分別設(shè)置為6、8、10 cm，駕駛拖拉機(jī)以作業(yè)速度3.0 km/h沿相同作業(yè)軌跡進(jìn)行試驗(yàn)，每種插入深度下重復(fù)進(jìn)行3次試驗(yàn)，并將檢測數(shù)據(jù)保存至SD卡中。試驗(yàn)結(jié)束后，將采樣數(shù)據(jù)導(dǎo)出，處理后導(dǎo)入ArcGIS中，采用克里金插值法處理，形成區(qū)域電導(dǎo)率變化趨勢圖，如圖22所示。從圖22可以看出，此區(qū)域的電導(dǎo)率隨著插入深度的加大逐漸增加，與單點(diǎn)測試插入深度影響變化趨勢一致，傳感器插入深度為6 cm時(shí)，檢測區(qū)域內(nèi)電導(dǎo)率整體偏小，且存在電導(dǎo)率陡變現(xiàn)象；隨著插入深度增加，8 cm和10 cm區(qū)域電導(dǎo)率變化漸變分層且無明顯跳變現(xiàn)象，并且插入10 cm時(shí)，電導(dǎo)率檢測值分布相對均勻，較為穩(wěn)定。綜上，在使用本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行電導(dǎo)率測量時(shí)，插入深度應(yīng)大于10 cm。考慮到傳感器電極圓盤尺寸和土壤阻力影響，傳感器插入深度最好選擇10 cm。

2.2.4不同作業(yè)速度對比試驗(yàn)

在大田試驗(yàn)過程中，車速是試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性的重要影響因素。為分析車速對系統(tǒng)檢測精度影響，將傳感器插入深度設(shè)置為10 cm，分別駕駛拖拉機(jī)以作業(yè)速度3.0、4.2、5.0、5.8、6.9 km/h在同一作業(yè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，獲取不同作業(yè)速度下系統(tǒng)檢測的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理同樣采用克里金插值法，各車速下檢測的電導(dǎo)率如圖23所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，電導(dǎo)率整體變化趨勢一致，呈現(xiàn)東部地塊比西部地塊高的趨勢；隨著車速增加，西部地塊電導(dǎo)率較小的區(qū)域逐漸變大，東部地塊電導(dǎo)率相對較大的區(qū)域逐漸變小，且整體的電導(dǎo)率都明顯變小，可能由于車速加快導(dǎo)致傳感器與地面接觸不充分，進(jìn)而導(dǎo)致檢測值偏小。因此，車速越小，系統(tǒng)檢測穩(wěn)定性越好，進(jìn)而檢測精度越高。

圖23 不同車速下電導(dǎo)率檢測值空間分布Fig.23 Spatial distributions of measured conductivity values at different speeds

為確定本系統(tǒng)適用的檢測車速范圍，基于試驗(yàn)過程記錄的GPS定位信息，在同一作業(yè)軌跡內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)測量點(diǎn)，選擇速度3.0 km/h下檢測數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對比不同車速下的電導(dǎo)率變化，如表4所示。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，測量點(diǎn)1在車速6.9 km/h時(shí)的最大偏差為11.50 μS/cm，測量點(diǎn)2在車速5.8 km/h的最大偏差為58.65 μS/cm，測量點(diǎn)3在車速6.9 km/h的最大偏差為30.90 μS/cm，測量點(diǎn)4在車速5.8 km/h的最大偏差為37.65 μS/cm，測量點(diǎn)5在車速5.8 km/h的最大偏差為147.42 μS/cm。相對車速為3 km/h的電導(dǎo)率檢測數(shù)據(jù)，4.2 km/h和5.0 km/h電導(dǎo)率偏差明顯小于5.8 km/h和6.9 km/h的電導(dǎo)率偏差。進(jìn)一步表明，車速影響系統(tǒng)電導(dǎo)率檢測精度，且速度越小，檢測精度越高。綜合考慮大田作業(yè)需求，本文設(shè)計(jì)的大田車載式電導(dǎo)率在線檢測系統(tǒng)的作業(yè)速度應(yīng)不超過5 km/h。

表4 不同車速下電導(dǎo)率檢測值對比Tab.4 Comparison of conductivity detection values at different vehicle speeds μS/cm

2.2.5不同土壤堅(jiān)實(shí)度對比試驗(yàn)

圖24 土壤堅(jiān)實(shí)度田間檢測Fig.24 Field test of soil firmness1.堅(jiān)實(shí)度檢測儀傳感器 2.土壤堅(jiān)實(shí)度交互界面

為探究土壤堅(jiān)實(shí)度對電導(dǎo)率檢測的影響，在試驗(yàn)區(qū)域上，用旋耕機(jī)旋耕土壤以改變土壤的堅(jiān)實(shí)度。試驗(yàn)過程中，土壤含水率基本在10%～14%內(nèi)，由于兩次檢測間隔時(shí)間較短，排除溫度對電導(dǎo)率的影響。試驗(yàn)如圖24所示，使用自行研發(fā)的土壤堅(jiān)實(shí)度儀測量地塊土壤堅(jiān)實(shí)度，旋耕1次的壓力均值為15.52 N，記為堅(jiān)實(shí)度1；旋耕2次的壓力均值為14.67 N，記為堅(jiān)實(shí)度2。設(shè)置傳感器電極插入深度10 cm，以作業(yè)速度3.0 km/h駕駛拖拉機(jī)在旋耕地塊進(jìn)行土壤電導(dǎo)率檢測，并實(shí)時(shí)在線保存檢測數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)束后，將檢測數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS軟件，采用克里金插值法對數(shù)據(jù)進(jìn)行差值分析，不同堅(jiān)實(shí)度下電導(dǎo)率變化如圖25所示。

圖25 不同土壤堅(jiān)實(shí)度下電導(dǎo)率檢測值空間分布Fig.25 Spatial distributions of measured conductivity values under different soil firmness

由圖25可知，2種土壤堅(jiān)實(shí)度下電導(dǎo)率變化趨勢相同，但電導(dǎo)率檢測值存在差異，堅(jiān)實(shí)度1區(qū)域內(nèi)電導(dǎo)率變化范圍為0～1 000 μS/cm，堅(jiān)實(shí)度2區(qū)域內(nèi)電導(dǎo)率變化范圍為0～600 μS/cm。相比于堅(jiān)實(shí)度1地塊，堅(jiān)實(shí)度2地塊的電導(dǎo)率較小，無明顯漸變分層現(xiàn)象。可能由于土壤堅(jiān)實(shí)度越小，土壤越松軟，松軟的土壤使電導(dǎo)率傳感器圓盤與土壤接觸變差，導(dǎo)致傳導(dǎo)信號(hào)的能力減弱。因此，在使用本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行電導(dǎo)率檢測時(shí)，土壤堅(jiān)實(shí)度不能太小。

3 結(jié)論

(1)基于交流電流-電壓四端法原理設(shè)計(jì)了車載式大田土壤電導(dǎo)率在線檢測系統(tǒng)，采用高精度信號(hào)發(fā)生器作為激勵(lì)源，應(yīng)用數(shù)控增益放大電路產(chǎn)生可調(diào)的穩(wěn)定輸入電壓信號(hào)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出電流。系統(tǒng)搭載在商用車載電導(dǎo)率檢測傳感器電極上，并融合GPS定位系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)田塊不同區(qū)域內(nèi)土壤電導(dǎo)率在線檢測。

(2)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對自制設(shè)備的性能進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)交流恒流源穩(wěn)定性試驗(yàn)、系統(tǒng)響應(yīng)性能試驗(yàn)和溫漂影響試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較好穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間約為540 ms，開機(jī)預(yù)熱時(shí)間引起的溫漂最大偏差為3.70%，系統(tǒng)標(biāo)定試驗(yàn)線性擬合決定系數(shù)R2為0.996 6，滿足使用要求，該系統(tǒng)可用于大田土壤電導(dǎo)率在線檢測。

(3)對系統(tǒng)檢測精度及穩(wěn)定性進(jìn)行大田試驗(yàn)，TR-6D型電導(dǎo)率儀與本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)電導(dǎo)率檢測精度對比試驗(yàn)表明，消除溫差影響后該系統(tǒng)檢測精度R2為0.864 5～0.915 6，均高于TR-6D型電導(dǎo)率儀(R2為0.609 5)，拖拉機(jī)振動(dòng)狀態(tài)相對靜止?fàn)顟B(tài)，系統(tǒng)檢測最大誤差為10.37%，且誤差主要集中在0～10 μS/cm范圍內(nèi)；在相同檢測區(qū)域中，系統(tǒng)在不同插入深度、作業(yè)速度和土壤堅(jiān)實(shí)度條件下進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果分析，為提高檢測精度，電導(dǎo)率傳感器圓盤插入深度應(yīng)大于等于10 cm；作業(yè)速度不宜過高，應(yīng)保持在5 km/h范圍內(nèi)；土壤堅(jiān)實(shí)度不應(yīng)過小，以確保傳感器電極與土壤充分接觸。