CN106248522A - 一种关于土壤墒情传感器的实验室校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种关于土壤墒情传感器的实验室校准方法，在设定拟合点和验证点土样的容重和体积含水率后，将土样与水均匀混合，通过循环利用已制作的土样来制作下一个土样，同时依次记录土壤墒情传感器的原始频率测量值，使用Matlab软件拟合数据最终得到校准公式。经本发明方法校准，不仅可以缩短标定周期和减少劳动量，而且校准后的传感器最终输出的数据精确度高，误差小。

Description

一种关于土壤墒情传感器的实验室校准方法

技术领域

本发明涉及水分传感器校准技术领域，特别是涉及一种土壤墒情传感器的实验室校准方法。

背景技术

土壤墒情传感器在出厂前都需要进行实验室校准，以往的实验室校准方法需要反复经历晾土、筛土、拌土、醒土、压实等过程，尤其是晾土、筛土、醒土耗时较长，导致校准周期长、劳动量大。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种土壤墒情传感器的实验室校准方法，用以克服现有技术校准周期长、劳动量大的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种土壤墒情传感器的实验室校准方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

步骤A，设定拟合点和验证点土样的容重和体积含水率；

步骤B，将待用土样自然烘干(或使用烘箱烘干)、碾碎、过筛(过筛后土壤粒径≤1mm)；

步骤C，根据(1)、(2)、(3)式计算土壤的体积V_土，根据(4)式计算干土的质量M_干；

V₁＝π×r² ₁×h (1)

V₂＝π×r² ₂×h (2)

V_土＝V₁-V₂ (3)

M_干＝V_土×ρ₀ (4)

其中，

V₁为装土容器的总体积，单位为cm³；

V₂为导管在容器中所占的总体积，单位为cm³；

r₁为装土容器的内半径，单位为cm；

r₂为导管的外半径，单位为cm；

h为制作土样的高度，单位为cm；

ρ₀为配置土壤的容重，单位为g/cm³；

步骤D，根据(5)式计算每个拟合点和验证点所加入的水的量；

M_水＝ρ_水×V_土×θ (5)

其中，

ρ_水为水的密度，单位为g/cm³

θ为设计的土壤体积含水率；

步骤E，按照选取的拟合点和验证点体积含水率的大小由低到高依次制作。制作第一个实验点V_i(设容重为ρ_i)，将质量为m_i干的干土放入装土容器中，同时加入相应质量的水m_i水，然后均匀搅拌；

步骤F，将搅拌均匀后的土壤均匀分成若干份，首先将称好的第1份土样放入装土容器中(注：放入过程中不要将土样撒到容器外面)，然后使用辅助工具将土样抚平，最后使用压实工具均匀压实土样，压实工具每次都要压到内部标线的位置，将剩余份数土样按第1份压实的方式依次压入容器，装土完毕后加盖并密封(如果是插针式传感器，则不用加盖密封)，待测试样制作完毕；

步骤G，将铜环式传感器插入容器内的导管中(插针式传感器直接插入导管周边的土样中)，稳定后读取测量的原始频率值，重复读取若干组；

步骤H，使用环刀取土。取出传感器，将环刀均匀放入土样，盖上环刀手柄，使用敲击工具轻轻敲入，到位后取下环刀手柄，在挖出环刀的操作过程中要避免环刀中的试样掉落，然后使用肖土刀将试样两端修平，修平时避免环刀中试样掉落；

步骤I，重复步骤H，用环刀取样若干次，依次放入装土盒子(盒子的盖和盒体要标记一致)，注意在放的过程中不要掉落试样，用电子天平(要求感量≤0.01g)称量试样湿重m_湿(含盒重)，待环刀取土完毕后，将剩余的土样密封；

步骤J，将称好湿重的盒子放进烘箱，在105±2℃温度下烘干6～12小时；

步骤K，用电子天平将烘干的试样逐一称重m_干；

步骤L，在上一个制作土样的基础上，开始制作下一个实验点V_i+1(设容重为ρ_i+1)，使用电子天平称量步骤J中密封后的土样，总质量记为m_余i，称量完毕后，将其放入塑料盆中备用，由步骤C，计算该实验点所需的干土质量M_(i+1)干，水的质量M_(i+1)水，由(6)式计算需要添加的干土质量m′_(i+1)干，由(7)式计算水的质量m′_(i+1)水：

向塑料盆中加入质量为m′_(i+1)干的干土，质量为m′_(i+1)水的水，准备拌土，重复步骤E～步骤K的过程；

步骤M，重复步骤L，依次制作完设计的拟合点和验证点；

步骤N，依次计算记录的原始频率值的平均值f_i，采用(8)式计算烘干后土样的体积含水率θ_i：

θ_i＝(m_湿-m_干)/V_环刀 (8)

其中，V_环刀为环刀的体积，单位为cm³；

以体积含水率θ_i作为y轴，传感器输出频率的平均值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(9)式计算：

${\mathrm{SF}}_i=\frac{f_a-f_i}{f_a-f_w}---\left(9\right)$

其中，

f_a是在传感器插入空装土容器内的导管中所测的空气频率；

f_w是传感器插入装满水的装土容器内的导管中所测的水中的频率。

进一步的，所述步骤A的容重区间为1.40～1.57g/cm³，拟合点数目不少于7个，验证点数目不少于3个。

进一步的，所述步骤N的拟合公式为幂函数或者三次多项式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在设定拟合点和验证点土样的容重和体积含水率后，将土样与水均匀混合，通过循环利用已制作的土样来制作下一个土样，同时依次记录土壤墒情传感器的原始频率测量值，使用Matlab软件拟合数据最终得到校准公式。经本发明方法校准，不仅可以缩短标定周期和减少劳动量，而且校准后的传感器最终输出的数据精确度高，误差小。

附图说明

图1为铜环式传感器实验室校准后得到的曲线和校准公式。

具体实施方式

下面将结合具体实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。

本实例选用的是铜环式传感器，信号范围为半径10cm，高10cm的柱状区域。本发明所使用的装土容器为圆柱形容器，半径为16.5cm，高度为20cm，导管的外半径为2.85cm，满足铜环式传感器的信号作用范围。

步骤A，设定容重区间为1.40～1.57g/cm³，体积含水率区间为5％～45％，设定的拟合点为5％、7％、12％、18％、22％、26％、34％、40％、43％共9个，验证点为9％、15％、25％、37％、44％共5个。其中5％、7％、9％的容重均设为1.40g/cm³，12％、15％、18％的容重均设为1.45g/cm³，22％、25％、26％的容重均设为1.50g/cm³，34％的容重设为1.55g/cm³，37％的容重设为1.56g/cm³，40％、43％、44％容重均设为1.57g/cm³。

步骤B，将待用土样自然烘干(或使用烘箱烘干)、碾碎、过筛(过筛后土壤粒径≤1mm)；

步骤C，根据(1)、(2)、(3)式计算土壤的体积V_土，根据(4)式计算干土的质量M_干；

V₁＝π×r² ₁×h (1)

V₂＝π×r² ₂×h (2)

V_土＝V₁-V₂ (3)

M_干＝V_土×ρ₀ (4)

其中，

V₁为装土容器的总体积，单位为cm³；

V₂为导管在容器中所占的总体积，单位为cm³；

r₁为装土容器的内半径，单位为cm；

r₂为导管的外半径，单位为cm；

h为制作土样的高度，单位为cm；

ρ₀为配置土壤的容重，单位为g/cm³；

步骤D，根据(5)式计算每个拟合点和验证点所加入的水的量；

M_水＝ρ_水×V_土×θ (5)

其中，

ρ_水为水的密度，单位为g/cm³

θ为设计的土壤体积含水率；

步骤E，按照选取的拟合点和验证点体积含水率的大小由低到高依次制作。制作第一个实验点V_i(设容重为ρ_i)，将质量为m_i干的干土放入装土容器中，同时加入相应质量的水m_i水，然后均匀搅拌；

步骤F，将搅拌均匀后的土壤均匀分成若干份，首先将称好的第1份土样放入装土容器中(注：放入过程中不要将土样撒到容器外面)，然后使用辅助工具将土样抚平，最后使用压实工具均匀压实土样，压实工具每次都要压到内部标线的位置，将剩余份数土样按第1份压实的方式依次压入容器，装土完毕后加盖并密封(如果是插针式传感器，则不用加盖密封)，待测试样制作完毕；

步骤G，将铜环式传感器插入容器内的导管中(插针式传感器直接插入导管周边的土样中)，稳定后读取测量的原始频率值，重复读取若干组；

步骤H，使用环刀取土。取出传感器，将环刀均匀放入土样，盖上环刀手柄，使用敲击工具轻轻敲入，到位后取下环刀手柄，在挖出环刀的操作过程中要避免环刀中的试样掉落，然后使用肖土刀将试样两端修平，修平时避免环刀中试样掉落；

步骤I，重复步骤H，用环刀取样若干次，依次放入装土盒子(盒子的盖和盒体要标记一致)，注意在放的过程中不要掉落试样，用电子天平(要求感量≤0.01g)称量试样湿重m_湿(含盒重)，待环刀取土完毕后，将剩余的土样密封；

步骤J，将称好湿重的盒子放进烘箱，在105±2℃温度下烘干6～12小时；

步骤K，用电子天平将烘干的试样逐一称重m_干；

步骤L，在上一个制作土样的基础上，开始制作下一个实验点V_i+1(设容重为ρ_i+1)，使用电子天平称量步骤J中密封后的土样，总质量记为m_余i，称量完毕后，将其放入塑料盆中备用，由步骤C，计算该实验点所需的干土质量M_(i+1)干，水的质量M_(i+1)水，由(6)式计算需要添加的干土质量m′_(i+1)干，由(7)式计算水的质量m′_(i+1)水：

向塑料盆中加入质量为m′_(i+1)干的干土，质量为m′_(i+1)水的水，准备拌土，重复步骤E～步骤K的过程；

步骤M，重复步骤L，依次制作完设计的拟合点和验证点；

步骤N，依次计算记录的原始频率值的平均值f_i，采用(8)式计算烘干后土样的体积含水率θ_i：

θ_i＝(m_湿-m_干)/V_环刀 (8)

其中，V_环刀为环刀的体积，单位为cm³；

以体积含水率θ_i作为y轴，传感器输出频率的平均值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(9)式计算：

${\mathrm{SF}}_i=\frac{f_a-f_i}{f_a-f_w}---\left(9\right)$

其中，

f_a是在传感器插入空装土容器内的导管中所测的空气频率；

f_w是传感器插入装满水的装土容器内的导管中所测的水中的频率。

我们对铜环式传感器进行实验室校准，根据上述各项步骤，得到所需的监测数据后，采用Matlab软件，使用幂函数拟合方式，得到的曲线和校准公式如图1所示，本次校准实验，我们仅用了两周时间，比常规校准方法缩短大约一个月的时间，使用该校准方法可以缩短标定周期和减少劳动量，得到的校准曲线经五组验证点验证均满足水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心的要求，数据如表1所示。

表1铜环式传感器测量点与烘干法数据

Claims (3)

1.一种关于土壤墒情传感器的实验室校准方法，其特征在于：包括以下几个步骤：

步骤A，设定拟合点和验证点土样的容重和体积含水率；

步骤B，将待用土样烘干、碾碎、过筛，过筛后土壤粒径≤1mm；

步骤C，根据(1)、(2)、(3)式计算土壤的体积V_土，根据(4)式计算干土的质量M_干；

V₁＝π×r² ₁×h (1)

V₂＝π×r² ₂×h (2)

V_土＝V₁-V₂ (3)

M_干＝V_土×ρ₀ (4)

其中，

V₁为装土容器的总体积，单位为cm³；

V₂为导管在容器中所占的总体积，单位为cm³；

r₁为装土容器的内半径，单位为cm；

r₂为导管的外半径，单位为cm；

h为制作土样的高度，单位为cm；

ρ₀为配置土壤的容重，单位为g/cm³；

步骤D，根据(5)式计算每个拟合点和验证点所加入的水的量；

M_水＝ρ_水×V_土×θ (5)

其中，

ρ_水为水的密度，单位为g/cm³

θ为设计的土壤体积含水率；

步骤E，按照选取的拟合点和验证点体积含水率的大小由低到高依次制作，制作第一个实验点V_i，设容重为ρ_i，将质量为m_i干的干土放入装土容器中，同时加入相应质量的水m_i水，然后均匀搅拌；

步骤F，将搅拌均匀后的土壤均匀分成若干份，首先将称好的第1份土样放入装土容器中，然后使用辅助工具将土样抚平，最后使用压实工具均匀压实土样，压实工具每次都要压到内部标线的位置，将剩余份数土样按第1份压实的方式依次压入容器，装土完毕后加盖并密封，待测试样制作完毕；

步骤G，将铜环式传感器插入容器内的导管中，稳定后读取测量的原始频率值，重复读取若干组；

步骤H，使用环刀取土，取出传感器，将环刀均匀放入土样，盖上环刀手柄，使用敲击工具轻轻敲入，到位后取下环刀手柄，在挖出环刀的操作过程中要避免环刀中的试样掉落，然后使用肖土刀将试样两端修平，修平时避免环刀中试样掉落；

步骤I，重复步骤H，用环刀取样若干次，依次放入装土盒子，注意在放的过程中不要掉落试样，用感量≤0.01g的电子天平称量试样湿重m_湿，待环刀取土完毕后，将剩余的土样密封；

步骤J，将称好湿重的盒子放进烘箱，在105±2℃温度下烘干6～12小时；

步骤K，用电子天平将烘干的试样逐一称重m_干；

步骤L，在上一个制作土样的基础上，开始制作下一个实验点V_i+1，设容重为ρ_i+1，使用电子天平称量步骤J中密封后的土样，总质量记为m_余i，称量完毕后，将其放入塑料盆中备用，由步骤C，计算该实验点所需的干土质量M_(i+1)干，水的质量M_(i+1)水，由(6)式计算需要添加的干土质量m′_(i+1)干，由(7)式计算水的质量m′_(i+1)水：

向塑料盆中加入质量为m′_(i+1)干的干土，质量为m′_(i+1)水的水，准备拌土，重复步骤E～步骤K的过程；

步骤M，重复步骤L，依次制作完设计的拟合点和验证点；

步骤N，依次计算记录的原始频率值的平均值f_i，采用(8)式计算烘干后土样的体积含水率θ_i：

θ_i＝(m_湿-m_干)/V_环刀 (8)

其中，V_环刀为环刀的体积，单位为cm³；

以体积含水率θ_i作为y轴，传感器输出频率的平均值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(9)式计算：

${\mathrm{SF}}_i=\frac{f_a-f_i}{f_a-f_w}---\left(9\right)$

其中，

f_a是在传感器插入空装土容器内的导管中所测的空气频率；

f_w是传感器插入装满水的装土容器内的导管中所测的水中的频率。

2.根据权利要求1所述的一种关于土壤墒情传感器的实验室校准方法，其特征在于：步骤A所述的容重区间为1.40～1.57g/cm³，拟合点数目不少于7个，验证点数目不少于3个。

3.根据权利要求1所述的一种关于土壤墒情传感器的实验室校准方法，其特征在于：步骤N所述的拟合公式为幂函数或者三次多项式。