CN105158108A - 一种基于原状土柱的电容式土壤水分传感器校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于原状土柱对铜环电容式土壤水分传感器进行校准的方法，通过现场采集原状土柱，在实验室浸泡至饱和后取出，让土壤水分自然散失，用称重法定期称量原状土柱重量，同时记录土壤水分传感器原始测量值，并通过拟合最终得到校准公式。经本发明方法校准后的电容式土壤水分传感器最终输出的数据精确度高，误差小。

Description

一种基于原状土柱的电容式土壤水分传感器校准方法

技术领域

本发明属于水分传感器校准技术领域，具体涉及一种采用原状土柱对电容式土壤水分传感器进行校准的方法。

背景技术

土壤水分传感器在现场安装后，需要针对现场土壤对土壤水分传感器进行校准，以便校准关系式。土壤水分传感器现场校准方法是一项步骤繁杂的工作，如果校准过程不够精确，则安装之后的土壤水分传感器采集到的数据也会与实际值有较大误差，因此，校准过程中操作步骤是否规范，直接影响到土壤水分传感器的工作效果。目前，尚欠缺针对土壤水分传感器进行校准的科学方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于原状土柱对铜环电容式土壤水分传感器进行校准的方法。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于原状土柱的电容式土壤水分传感器校准方法，包括以下步骤：

步骤A，采用取土装置采集合适大小的原状土柱；

步骤B，将PVC护管置于原状土柱表面中心位置，在PVC护管顶部放置尼龙垫块，敲击尼龙垫块将PVC护管压入土壤中，取出PVC护管中的土壤，清洁PVC护管内壁；

步骤C，用尼龙滤布包裹取土刀底部，将包裹尼龙滤布的土柱放入底部铺沙的盆中，将水注入盆中；

步骤D，将泡至饱和的土柱从盆中取出，沥水后，清理干净PVC套管内壁，在PVC套管中插入铜环式传感器，测量传感器原始测量频率值f₁，将铜环传感器取出，称得饱和状态下的土柱重量G₁；

步骤E，将称重后的土柱放在细沙上自然失水，定期监测土柱的重量G_i和传感器输出频率f_i，经过自然失水后，得到若干组土柱重量数据和传感器输出频率数据；

步骤F，取下PVC套管和不锈钢环刀，将土壤取出敲碎，用烘干法测量干土重W_g；

步骤G，根据式(1)计算各次测量土壤样本的重量含水量ω_i，根据式(2)计算土壤干容重γ，根据式(3)计算各次测量土壤样本的体积含水量θ_i：

${\mathrm{\ω}}_i=\frac{W_i-W_g}{W_g}\×100---\left(1\right)$

$\mathrm{\γ}=\frac{W_g}{V}---\left(2\right)$

θ_i＝γ×ω_i(3)

其中，

W_i——第i次监测，湿土重量，单位为g；

W_g——原状土干土重，单位为g；

步骤H，以体积含水量θ_i作为y轴，传感器输出频率f_i对应的归一化频率SF_i作为x轴，进行拟合，得到土壤校准公式，其中，归一化频率SF_i通过公式(4)计算：

${\mathrm{SF}}_i=\frac{f_a-f_i}{f_a-f_w}---\left(4\right).$

进一步的，所述步骤A中取土步骤具体如下：将取土环刀加压盖，均匀敲击压盖将取土环刀压入土壤，当压盖中圆孔有土渗出，取下压盖，用切土刀将凸出取土环刀的土壤削平，盖上底盖，用铁锹铲去周围土壤，将取土环刀挖出翻转，用切土刀将凸出取土环刀的土壤削平，盖上顶盖。

进一步的，所述步骤C中注水后水面高度距土柱上沿1CM。

进一步的，所述步骤C中尼龙滤布为300目尼龙滤布。

进一步的，所述步骤E中定期监测间隔频率为3天～5天。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明提供了电容式土壤水分传感器的校准方法，通过现场采集原状土柱，在实验室浸泡至饱和后取出，让土壤水分自然散失，用称重法定期称量原状土柱重量，同时记录土壤水分传感器原始测量值，并通过拟合最终得到校准公式。经本发明方法校准后的电容式土壤水分传感器最终输出的数据精确度高，误差小。

附图说明

图1为在安徽阜阳大寺站取土后对电容式土壤水分传感器进行校准得到的曲线和校准公式。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明选用的土壤水分传感器为铜环电容式传感器，该铜环电容式传感器的信号范围为半径9CM高10CM的柱状区域，因此我们需要采集合适的原状土柱，并能全部覆盖传感器信号区域，具体步骤如下：

步骤A，为采集符合体积的原状土柱，我们采用专用取土装置(已在CN201420395690.0-一种原状土取样装置及固定装置中公开)，将取土环刀加压盖，均匀敲击压盖将取土环刀压入土壤，当压盖中圆孔有土渗出，取下压盖，用切土刀将凸出取土环刀的土壤削平，盖上底盖，用铁锹铲去周围土壤。将取土环刀挖出翻转，用切土刀将凸出取土环刀的土壤削平，盖上顶盖，将取好土的环刀依次放入固定架，用六角扳手锁紧螺栓。取土环刀尺寸根据电容式传感器的信号范围设计，采集的原状土柱直径为24.4CM高11.3CM。

步骤B，将原状土柱取回实验室后，将PVC护管置于原状土柱表面中心，在PVC护管顶部放置尼龙垫块，敲击尼龙垫块将PVC护管压入土壤中，压入土壤的PVC护管应与原状土柱同轴，PVC护管的外径为5.6CM，这样有效土柱半径为9.4CM高11.3CM，满足铜环传感器测试需要。用取土钻取出PVC护管中的土壤，用清洁刷头清洁PVC护管内壁。

步骤C，用300目尼龙滤布包裹取土刀底部，将包裹尼龙滤布的土柱滤布面朝下放入底部铺沙的盆中，将水注入盆中，水面高度距土柱上沿1CM。

步骤D，将泡至饱和的土柱从盆中取出，放置在栈板上沥水，沥好水后(指土柱底部不再滴水)，清理干净PVC套管内壁，在PVC套管中插入铜环式传感器，连接数据线，测量传感器原始测量频率值，该频率即为饱和状态下的传感器输出频率值f₁。将铜环传感器取出，放入去皮的盆中称重，该重量即为饱和状态下的土柱重量G_1，，该重量减去环刀、PVC护管和滤布重量后才是湿土的实际重量。

步骤E，将称重后的土柱放在厚度为3CM的细沙上自然失水。每隔3天～5天定期监测土柱的重量G_i，和传感器输出频率f_i；经过30天～50天的自然失水，将监测到的若干组传感器输出频率作为土壤水分传感器校准的基础数据。土柱的重量G_i是第i次监测得到的包含有湿土、环刀、PVC护管和滤布的重量，环刀、PVC护管和滤布的自身重量应预先称取，将G_i减去环刀、PVC护管和滤布的重量即得第i次监测的湿土重量W_i。

步骤F，取下PVC套管和不锈钢环刀，将土壤取出敲碎，用烘干法测量干土重W_g，W_g是纯原状土的重量。

步骤G，按式(1)计算各次测量土壤样本的重量含水量，按式(2)计算土壤干容重，按式(3)计算各次测量土壤样本的体积含水量。

${\mathrm{\ω}}_i=\frac{W_i-W_g}{W_g}\×100---\left(1\right)$

$\mathrm{\γ}=\frac{W_g}{V}---\left(2\right)$

θ_i＝γ×ω_i(3)

式中：

ω_i——第i次监测的重量含水量，单位为％；

W_i——第i次监测，湿土重量，单位为g；

W_g——原状土干土重，单位为g；

V——环刀容积，单位为ml；

γ——干容重；

θ_i——第i次监测的体积含水量，单位为％；

i——1、2、3……。

步骤H，选中体积含水量θ_i作为y轴，传感器输出频率f_i对应的归一化频率SF_i作为x轴，利用软件在坐标系中标点值后进行曲线拟合，得到土壤校准公式。其中，归一化频率SF_i通过公式(4)计算：

${\mathrm{SF}}_i=\frac{f_a-f_i}{f_a-f_w}---\left(4\right)$

式中：

SF_i——第i次监测对应的归一化频率；

f_a——空气中监测传感器输出频率；f_a是在PVC套管中插入铜环式传感器后，将PVC套管直接放置在空气中，连接数据线，测量得到的传感器输出频率值。

f_w——水中监测传感器输出频率；是在PVC套管中插入铜环式传感器后，PVC套管底部采用阻水橡胶密封，将PVC套管直接放置在水中，连接数据线，测量得到的传感器输出频率值。

f_i——第i次监测传感器输出频率；

我们在安徽阜阳大寺站取土，针对电容式土壤水分传感器进行校准，根据上述各项步骤，先取样原状土柱后，再进行埋管、浸泡、称重、取得监测数据后，利用matlab软件进行拟合，得到的曲线和校准公式如图1所示。采用校准公式对电容式土壤水分传感器进行校准后，最终输出的水分值数据精确度高，误差小。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于原状土柱的电容式土壤水分传感器校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A，采用取土装置采集合适大小的原状土柱；

步骤B，将PVC护管置于原状土柱表面中心位置，在PVC护管顶部放置尼龙垫块，敲击尼龙垫块将PVC护管压入土壤中，取出PVC护管中的土壤，清洁PVC护管内壁；

步骤C，用尼龙滤布包裹取土刀底部，将包裹尼龙滤布的土柱放入底部铺沙的盆中，将水注入盆中；

步骤D，将泡至饱和的土柱从盆中取出，沥水后，清理干净PVC套管内壁，在PVC套管中插入铜环式传感器，测量传感器原始测量频率值f₁，将铜环传感器取出，称得饱和状态下的土柱重量G₁；

步骤E，将称重后的土柱放在细沙上自然失水，定期监测土柱的重量G_i和传感器输出频率f_i，经过自然失水后，得到若干组土柱重量数据和传感器输出频率数据；

步骤F，取下PVC套管和不锈钢环刀，将土壤取出敲碎，用烘干法测量干土重W_g；

步骤G，根据式(1)计算各次测量土壤样本的重量含水量ω_i，根据式(2)计算土壤干容重γ，根据式(3)计算各次测量土壤样本的体积含水量θ_i：

${\mathrm{\ω}}_i=\frac{W_i-W_g}{W_g}\×100---\left(1\right)$

$\mathrm{\γ}=\frac{W_g}{V}---\left(2\right)$

θ_i＝γ×ω_i(3)

其中，

W_i——第i次监测，湿土重量，单位为g；

W_g——原状土干土重，单位为g；

步骤H，以体积含水量θ_i作为y轴，传感器输出频率f_i对应的归一化频率SF_i作为x轴，进行拟合，得到土壤校准公式，其中，归一化频率SF_i通过公式(4)计算：

${\mathrm{SF}}_i=\frac{f_a-f_i}{f_a-f_w}---\left(4\right).$

2.根据权利要求1所述的基于原状土柱的电容式土壤水分传感器校准方法，其特征在于，所述步骤A中取土步骤具体如下：将取土环刀加压盖，均匀敲击压盖将取土环刀压入土壤，当压盖中圆孔有土渗出，取下压盖，用切土刀将凸出取土环刀的土壤削平，盖上底盖，用铁锹铲去周围土壤，将取土环刀挖出翻转，用切土刀将凸出取土环刀的土壤削平，盖上顶盖。

3.根据权利要求1所述的基于原状土柱的电容式土壤水分传感器校准方法，其特征在于：所述步骤C中注水后水面高度距土柱上沿1CM。

4.根据权利要求1所述的基于原状土柱的电容式土壤水分传感器校准方法，其特征在于：所述步骤C中尼龙滤布为300目尼龙滤布。

5.根据权利要求1所述的基于原状土柱的电容式土壤水分传感器校准方法，其特征在于：步骤E中定期监测间隔频率为3天～5天。