土壤剖面水分线性尺度测量方法

高志涛 田 昊 赵燕东

(1.北京林业大学工学院， 北京 100083； 2.北京林业大学城乡生态环境北京实验室， 北京 100083)

土壤剖面水分线性尺度测量方法

高志涛1,2田 昊1,2赵燕东1,2

(1.北京林业大学工学院， 北京 100083； 2.北京林业大学城乡生态环境北京实验室， 北京 100083)

针对现有土壤水分点尺度下测量的局限性，提出了一种线性尺度下的土壤剖面水分测量方法，并设计了一种基于驻波比法的土壤剖面水分信息测量传感系统。借助HFSS高频电磁场仿真软件与网络矢量分析仪对传感器环形探头的电场强度分布情况与阻抗特性进行了分析研究，确定了环形探头适应性与敏感区域。以2种不同质地的土壤作为试验样本，对土壤水分传感器的输出与对应的测量值进行了多项式拟合，决定系数均达到了0.99以上，传感器的稳态与动态性能均能满足土壤剖面水分的测量要求。通过多层水分土柱穿层试验与对比试验表明，该系统能够满足线性尺度下土壤剖面水分的实时测量需求，具有较高的测量精度与稳定性。设计的土壤剖面水分线性测量系统的各项指标均达到实际应用的需求，具有较高的应用推广价值。

土壤水分； 线性尺度； 实时测量系统

引言

土壤含水率对植物生长与农作物产量起到关键性作用[1]。在水资源匮乏地区，实时检测植物根区水分的垂直分布状态，能为制定最优的灌溉策略提供基本的数据支持。

目前，常规的土壤剖面水分检测多采用介电型传感器分层埋设定点测量的方式[2-3]。因埋入传感器的单点测量空间仅局限于立方分米数量级上[4-7]，所以在检测过程中，为获取土壤剖面水分的分布状况，往往需要埋设多个传感器。这种做法会增加测量系统成本且难以真实、有效地反映土壤剖面水分的分布状况。并且在传感器安装过程中对土壤环境的破坏与传感器发生故障后进行更换过程中引入的误差，对优化灌溉决策也是不能忽略的[8-9]。

国内外相关学者基于频域反射法(FDR)设计了一种非接触式的土壤水分传感器[10-12]，比较典型的产品有澳大利亚Sentek公司的Diviner 2000型土壤水分廓线仪。因其采用非接触测量技术且测量过程中只使用一个检测探头，所以该系统在一定程度上减小了安装与更换引入误差。但是它在检测过程中需要手动测量，且采样间距过长(10 cm)，所以它并不适合高精度的土壤剖面水分实时线性测量。

基于对常规土壤水分测量方法[13-19]的比较，本文探讨采用驻波法(SWR)测量土壤剖面水分的可行性，通过对传感器探头结构的分析设计，降低传感器的采样步长，设计一种可在土壤内自动垂直移动扫描的土壤剖面水分测量系统。

1 系统简述

设计的测量系统总体结构如图1所示，主要由水分传感器探头、步进电动机、绕线导轮、导电滑环、拉线位移传感器、PVC管与数据采集器等组成。

图1 测量系统总体结构图Fig.1 Configuration of measurement system1.步进电动机 2.绕线导轮 3.导电滑环 4.数据采集器 5.水分传感器 6.配重块 7.防水堵头 8.PVC套筒探头 9.拉线位移传感器

为实现水分传感器探头在土壤中进行线性扫描测量，首先需要利用专用工具将一段PVC套管(管长170 cm、外径5.6 cm、壁厚0.2 cm)插入土壤中，根据农作物的种类与根系特点，调整PVC套管长度决定插入深度。土壤水分传感器探头通过线缆牵引至PVC管体内，让其在步进电动机牵引下做垂直向上移动，移动的同时传感器根据采样步长检测探头周围土体的体积含水率。采集完成后，水分传感器探头在配重块的重力作用下配合步进电动机将传感器移动至PVC管底初始点。为保证对传感器探头的供电与数据传输，绕线导轮内部采用中空结构与外部的导电滑环连接，导电滑环的引出线缆与采集器连接，进而对水分传感器探头进行控制而实现数据采集。为提高传感器的定位精度，传感器探头在PVC管中的实时位置通过拉线位移传感器进行测量。

2 传感器结构与测量原理

土壤由水、空气、土壤固体三态组成，属于典型的多孔介质[20]。其中水的相对介电常数(81)远远大于空气(1)与土壤固体(3～5)的介电常数。所以当土壤含水率发生变化后，会导致土壤介电常数的变化。因此通过测量土壤介电常数就可间接测量出土壤含水率。

土壤水分传感器探头采用双铜环电极结构，其主要由铜环电极(外径5 cm、厚0.1 cm、高1.5 cm)、PVC壳体、配重块、防水堵头、连接线缆与检测电路组成，实物如图2所示。采样过程中高频信号发生器产生100 MHz的正弦信号经由1/4波长的同轴传输线传输至环形电极。环形电极释放的电磁波穿过PVC管体进入土壤，并在环形电极间形成一个曲面场，感应PVC管体周围土体含水率的变化。

图2 传感器实物图Fig.2 Soil moisture sensor1.牵引线缆 2.防水端子 3.PVC壳体 4.环形电极 5.配重块

可以认为水分传感器环形电极与周围填充介质组成一个电容器，2个环形电极相当于电容器的2个极板，当曲面场区域内土壤含水率发生变化时(即电容填充介质的介电常数发生变化)，会引起探头阻抗的变化。

环形探头的阻抗特性与探头间填充介质的介电常数有关，即

(1)

式中Zp——探头的阻抗w——传感器的测试角频率Cs——探头感应电容g——与形状尺寸有关的常数εr——探头周围填充介质的介电常数ε0——真空中的介电常数

本文采用驻波比法[21-22]，利用水分变化导致传输线与探头阻抗不匹配产生的驻波，通过检测传输线两端驻波引起的电压差来获取传感器探头阻抗，进一步计算土壤体积含水率的变化。

根据传输线理论[23]可求得传感器探头阻抗，即

(2)

式中 ΔU——传输线两端电势差A——高频信号发生器的振荡幅值ZI——传输线阻抗

因为土壤的介电常数εr=ε′-jε″是一个复合变量，根据目前的研究结果，当测试频率足够大(大于30 MHz)、土壤浸出液电导率很低的情况下，可以忽略介电常数虚部ε″对土壤介电常数的影响[24]。

3 测量与控制单元

系统框图如图3所示，主要包括土壤水分检测单元与数据采集控制主板。土壤水分检测单元中，2个检波芯片同时检测传输线两端电压并传输给差分运算放大器，差分运算放大器对输入信号进行减法操作，并将获得的电压信号进行放大。为保证数据传输的稳定性，电压电流转换单元将输入的电压信号转换成标准的4～20 mA电流信号进行传输。

图3 系统原理框图Fig.3 Schematic diagram of measurement system

数据采集控制主板由主控制器、电压转电流单元、电源转换单元、SD卡存储单元、实时时钟单元、步进电动机驱动单元与RS-232接口等部分组成。系统以意法半导体公司生产的STM32F103RBT6型单片机作为主控制器，实时时钟单元根据设定的时间定时唤醒单片机进行土壤水分采集工作。步进电动机驱动单元在单片机PWM脉冲的控制下驱动步进电动机拖动传感器移动测量。系统运行过程中，传感器探头以5 cm步长行进，步间停200 ms，此时单片机对传感器输出的信号进行连续10次的AD采样，将采集到的数据取平均值后存入SD卡存储单元中，同时存入的信息还包括传感器的位置信息与时间信息，其中时间信息通过读取实时时钟单元获得，位置信息通过线性位移传感器获得。

4 高频激励下土壤水分传感器环形探头的性能分析

4.1 环形探头工作环境下的电场强度分布状况

传感器探头周围环境的电场强度分布情况反映的是传感器敏感区域的分布状况，是传感器空间测量范围的一个重要依据。本文利用HFSS高频电磁场仿真软件建立传感器探头的物理模型，按照真实情况模拟传感器的工作环境对传感器工作时的电场强度分布状况进行仿真分析。模型采用集总端口的激励方式，激励频率为100 MHz，PVC管体与PVC壳体的介电常数为4，铜环电极材质设置成黄铜，PVC管体内的填充介质为空气，其介电常数为1，设定直径为12 cm、高13 cm的圆柱形测试土体包围PVC管体，其介电常数设置为21(对应土壤体积含水率为36%)。仿真结果如图4所示。

图4 环形探头电场分布侧视图与俯视图Fig.4 Lateral view and plan view of electrical field distribution of a ring probe

由图4可以看出，铜环电极在高频激励下产生的电场能够穿过PVC管体，并在土壤中形成一个曲面场，并且电场在环形电极两端分布均匀，并没有出现分离现象。所以该探头能够满足土壤水分测量的要求。值得注意的是由于PVC管体对电场强度的衰减作用，探头内的电场强度要高于土壤中的电场强度。为减小电磁干扰对管内电路的影响，本文对传感器内部的检测电路进行金属外壳屏蔽。

4.2 土壤体积含水率对探头阻抗特性的影响

为分析本文所设计的环形探头在实际土壤测量中的阻抗特性，利用网络矢量分析仪(天津德力电子仪器公司NA7300型、50 Ω、扫描频率300 kHz～3 000 MHz、频率分辨率为10 Hz)分别获取环形探头在100 MHz频率下的阻抗。测量方法采用反射法,试验环境温度为20℃。试验土样为2种不同质地的土壤：粘壤土与砂土，其成分构成如表1所示。土壤从田间取回后首先自然风干过筛(孔径0.4 mm)，然后利用干燥箱(105℃、24 h)干燥。计算不同梯度含水率土壤所需水分，按照1.6 g/cm3的土壤容重均匀装入7个高20 cm、直径30 cm，中心固定有高20 cm、直径5.6 cm的PVC管的PVC测试桶中。使用保鲜膜密封静置48 h，使水分充分运移。利用体积为100 cm3的环刀取土，每个测试桶取4个土样，干燥后取平均值，最后测得粘壤土7个梯度的含水率分别为2.1%、9.5%、14.2%、21.5%、26.0%、31.0%与39.5%(饱和)。砂土7个梯度的含水率分别为2.0%、8.2%、14.3%、18.6%、22.5%、26.3%与30.0%(饱和)。测试环境如图5所示。

表1 试验土壤的成分构成

Tab.1 Textural composition of soil samples %

土壤类型成分构成砂粒粉粒粘粒粘壤土117118砂土 9235

试验土壤制备完成后，使用SMA连接头将矢量网络分析仪测试电缆与环形探头相连，矢量网络分

图5 环形探头阻抗测试图Fig.5 Diagram of ring probe impedance test1.PVC测试管 2.环形探头 3.PVC测试桶 4.网络矢量分析仪 5.同轴线缆

析仪开机1 h后利用开路、短路与50 Ω负载校准件进行校准，然后将环形探头置于PVC测试管中进行阻抗的测量，针对2种类型的试验土壤，本文在100 MHz测试频率下检测环形探头的阻抗特性随土壤含水率的变化情况。最终获取14组数据，对试验结果进行多项式拟合，结果如图6所示。

图6 土壤含水率对环形探头阻抗的影响Fig.6 Influence of soil moisture content on ring probe impedance

由图6可以看出，在砂土与粘壤土2种土质中，水分传感器探头的阻抗均随着土壤体积含水率的增加而单调增加，并没有出现容性与感性的相互转换。从多项式拟合结果可以看出，在粘壤土与砂土中其决定系数(R2)均大于0.98，因此该传感器探头能够满足对粘壤土与砂土含水率测量要求。

4.3 环形探头敏感区域分析研究

高频激励下的探头敏感特性能够直接表征传感器在实际工作土壤中的测量范围，是线性测量中所关注的重要指标，同时也是决定传感器移动过程中采样步长的重要依据。本文借助1台网络矢量分析仪，以4.2节配置的试验土壤为对象，由低到高选取3个梯度含水率的试验土壤，选取的粘壤土含水率为9.5%、14.2%、21.5%，选取的砂土含水率为8.2%、14.3%、18.6%。依次测量传感器探头在不同质地与含水率情况下的敏感特性，试验方法如下：将本文设计的土壤水分探头连接在网络分析仪上，并置于PVC管体中，探头中心区域距离土体上表面10 cm，以1 cm为步长将传感器探头向上拖动，记录100 MHz激励下每个步长对应的阻抗。在2种土壤中的试验结果如图7、8所示。

图7 传感器在粘壤土中敏感区域的试验结果Fig.7 Experimental results of sensor located in sensitive area of clay loam

图8 传感器在砂土中敏感区域的试验结果Fig.8 Experimental results of sensor located in sensitive area of sandy soil

由图7、8可以看出，传感器在粘壤土与砂土2种土壤中，其探头的阻抗在-2.5～2.5 cm范围内随着距离的增加单调减小，传感器的测量范围为0～5 cm，所以传感器在线性移动测量过程中，其采样步长应设置为5 cm，以实现土壤剖面的线性扫描测量。

5 试验

5.1 土壤水分传感器性能分析试验

5.1.1 土壤水分传感器灵敏性试验及标定方法

传感器灵敏性表征的是当检测区域土壤水分发

生变化时传感器输出值的变化范围，是传感器性能的重要指标。选取砂土与粘壤土2种不同质地的土壤作为试验土壤，依据4.2节的方法对2种土壤进行处理，依次配置成水分梯度从风干到饱和含水率的测试土壤。粘壤土10个梯度含水率分别为2.1%、8.5%、13.2%、15.8%、19.5%、24.5%、28.5%、32.0%、35.6%与40.5%(饱和)。砂土的10个梯度含水率分别为2.5%、7.2%、12.3%、14.3%、18.9%、20.3%、23.5%、25.3%、27.5%与29.0%(饱和)。用采集器将传感器输出的电流信号转换成电压信号，每种土样测量3次，对测量结果取平均值，采用十折交叉验证的方法依次选取1个梯度的水分作为验证集，其余9个梯度作为校正集对数据进行多项式回归，结果如表2所示。

对粘壤土与砂土拟合模型系数进行均值处理得出粘壤土的多项式拟合模型为y=-0.280 87x2+32.130 1x+141.623，砂土的多项式拟合模型为y=-0.284 09x2+27.685 4x+106.637 2。将实际测量的数据与模型进行相关性分析，结果如图9所示。

由图9可以看出，传感器的输出电压均随着土壤体积含水率的增加而单调增加，传感器在砂土与粘壤土2种土壤中都具有良好的相关性，其决定系数R2分别达到0.997 4(粘壤土)与0.991 7(砂土)，均方根误差RMSE分别达到12.257 mV(粘壤土)与19.024 mV(砂土)。由此可以说明粘壤土与砂土的多项式拟合模型与传感器的输出特性能够满足测量要求，但是需要注意的是，土壤质地对传感器的输出具有一定影响，所以在实际应用中需要用实际测量土壤依照以上标定方法对传感器进行标定后再进行测量。

表2 十折交叉验证

5.1.2 传感器精度标定试验结果分析

选取粘壤性土壤样本6份，依据4.2节方法对土壤样本进行处理，配置成6个含水率梯度。通过干燥法测量6个梯度含水率分别为6.5%、12.4%、16.8%、21.6%、26.8%与35.6%。将本文设计的传感器插入土壤样本中进行测量，每种样本测量3次，取平均值作为此次传感器的测量结果。传感器的测量结果与干燥法所得的实际含水率对比如图10所示。

图10 传感器的测量结果与实际体积含水率比较Fig.10 Comparison of volumetric soil water content between sensor results and actual values

由图10可以看出，传感器所测量的含水率与干燥法测量结果基本吻合，其决定系数R2达到0.997 7，均方根误差RMSE为0.224 2 cm3/cm3，说明传感器具有较高的测量精度。

5.1.3 传感器动态响应性能试验

作为传感器线性移动测量所关注的重要指标，动态响应性能主要表现为当传感器检测区域土壤水分发生变化时，传感器完全响应所需要的时间，其决定了传感器测量停留时间。试验设备为中间固定PVC管的测试筒。将传感器置于PVC管体中，测试筒中加满水，使用示波器捕获传感器从通电到输出稳定及输出电压恒定不变所需要的时间为53 ms，试验结果如图11所示。传感器在进行移动测量时其在每个测试点应至少停留53 ms，才能保证数据的真实性。

5.2 多层水分土壤穿层试验分析

5.2.1 对比试验与结果分析

为分析本文设计的土壤剖面水分实时检测系统与国外同类土壤水分线性测量产品性能的差距，本文设计了性能对比试验。对比产品为澳大利亚Sentenk公司的Diviner 2000型便携式土壤水分速测仪，其土壤层间测量间隔为10 cm，测量精度为±1%。

试验土壤为粘壤土，按照4.2节的试验步骤配置成体积含水率为5.5%、15.5%与30.4% 3个梯度的土壤样品。将配置好的3种土壤样品依次装入高35 cm、直径30 cm，中心固定有高60 cm、直径5.6 cm PVC管的PVC测试桶中，分层等体积压实，层间用1.5 mm厚的PVC圆板隔断，以防止层间水分交互，静置48 h。装入的每层土壤高度为10 cm，最终试验土柱由3个水分层构成。分别利用Diviner 2000型便携式土壤水分速测仪与本文设计的土壤剖面水分实时检测系统对3层土壤样本进行扫描测量，其中采样间隔为30 min，采样步长为10 cm。以土体上表面作为参考原点，最终获得12 h的测量结果如图12所示。

图12 传感器对比试验结果Fig.12 Contrast results of moisture sensor

由图12可以看出，对比的2种设备均能精确地测量3层土壤中的含水率，与干燥后的含水率比较，自制系统的体积含水率的绝对误差为-0.4%～0.4%，Diviner 2000型便携式土壤水分速测仪的绝对误差范围为-0.3%～0.5%。2种被测设备的绝对误差小于1%。试验结果表明，2种传感器在此测试条件下性能相当。

5.2.2 系统稳定性与敏感性试验分析

比老巴更开心的是阿里。因为阿东早上会跟着他和罗爹爹一起去东湖。他坐在阿里的身边，静静地听他播放哀乐。旋律在水波上滑行，一直滑得很远很远，远到他们眼界之外。阿里每次听完后都会说：“这是姆妈的声音。”

图13 多层水分土柱穿层试验现场Fig.13 Experiment site of multi-layer moisture through soil column1.线性剖面传感器机械传动结构 2.PVC测试管 3.12 V铅酸电池 4.采集器 5.装有土壤样本的PVC筒 6.土壤水分传感器

为进一步验证土壤剖面水分线性测量系统在实际应用中的运行稳定性与敏感性。本文模拟系统在野外工作环境设计了5 cm分辨尺度下的多层水分土柱穿层试验。试验现场环境如图13所示。试验土壤为粘壤土，依据4.2节所示方法配置成体积含水率为3.5%、6.0%、10.3%、17.9%、25.2%与30.5% 6个梯度的土壤样本。依据5.2.1节方法将配置成的土样装入容器中，装入的每层土壤高度为5 cm，最终试验土柱由6个水分层构成。将本文设计的线性测量系统安装到PVC测试管上，通过串口设置水分传感器的检测范围，使传感器能够在6层土壤样本中扫描测量，设定设备采样间隔为30 min，采样步长为5 cm。以土体上表面作为参考原点，最终获得12 h试验结果如图14所示。

图14 多层水分土柱穿层试验结果Fig.14 Experiment result of multi-layer moisture through soil column

由图14可以看出，该系统能够精确测量0～5 cm范围内的层间土壤水分的阶梯变化，其绝对误差范围为-0.5%～0.7%。且长时间的稳定运行并没有出现测量水分数值的较大偏移，此结果说明传感器在移动测量过程中不存在位移测量的累计误差。因此说明传感器能够有效检测传感器中心纵向区域内0～5 cm范围内的土壤水分变化，该现象也进一步验证了4.3节的试验结果。因此该系统能够满足线性尺度下土壤剖面水分的实时测量需求，且具有较高的测量精度与稳定性。

6 结论

(1)提出了一种线性尺度下的土壤剖面水分测量方法，并设计了一种基于驻波比法的土壤剖面水分实时检测系统，为实时获取土壤剖面水分垂直分布，指导精准农业灌溉奠定了基础。

(2)针对传感器的环形探头的电场强度分布与阻抗特性进行了深入研究，利用HFSS高频电磁场仿真软件对环形探头的仿真分析得出，本文设计的环形探头的电场强度分布均匀，能够满足传感器的设计要求。进一步借助网络矢量分析仪，在砂土与粘壤土2种土壤中对环形探头的阻抗特性与敏感区域进行了分析，确定了该系统的采样步长为5 cm。

(3)设计了传感器的性能分析试验，从试验结果可以看出土壤水分传感器的敏感度与动态响应性能均能够满足线性尺度下土壤剖面含水率测量的要求。

(4)系统的多层水分土柱穿层试验表明，本文所设计的土壤剖面水分实时检测系统能够满足线性尺度下的土壤剖面水分的实时测量需求，具有较高的测量精度与稳定性。

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Linear Scale Measurement Method for Soil Profile Moisture

GAO Zhitao1,2TIAN Hao1,2ZHAO Yandong1,2

(1.SchoolofTechnology,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China2.BeijingLaboratoryofUrbanandRuralEcologicalEnvironment,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

Pointing at the main problems existing in the utilization of point scale in soil moisture measurement, a linear scale measurement method was put forward and a sensor system of soil profile moisture information measurement was designed based on standing wave ratio method. With the help of a high frequency electromagnetic field simulation software HFSS and vector network analyzer, electric field distribution and impedance characteristics of sensor ring probe were analyzed and studied to determine the adaptation and sensitive areas of the ring probe. Two kinds of soil in different textures were taken as experimental samples, the output and the corresponding measured value of soil moisture sensors were executed polynomial fitting, and the results showed that the determination coefficient was above 0.99 and the steady and dynamic performances of sensors could satisfy the requirement of soil profile moisture measurement. The experiments of multi-layer moisture through the soil column showed the system could meet the soil profile moisture real-time measurements demand in linear scale and it had high measurement precision and stability. Meanwhile, the system was satisfied with needs of practical application and it had high application promotion value.

soil moisture; linear scale; real-time measurement system

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.04.033

2016-07-22

2016-09-28

国家自然科学基金项目(31371537)、北京市科技计划项目(Z116100000916012)和北京市共建项目专项

高志涛(1989—)，男，博士生，主要从事生态信息智能检测与控制研究，E-mail: e228319@163.com

赵燕东(1965—)，女，教授，博士生导师，主要从事生态信息智能检测与控制研究，E-mail: yandongzh@bjfu.edu.cn

S237

A

1000-1298(2017)04-0257-08