CN111239373A

CN111239373A - 一种土壤水分传感器高精度简易标定方法

Info

Publication number: CN111239373A
Application number: CN202010182074.7A
Authority: CN
Inventors: 杨帆; 夏美玲; 杨皓文
Original assignee: Wuhan Meinetong Technology Development Co Ltd
Current assignee: Wuhan Meinetong Technology Development Co Ltd
Priority date: 2020-03-16
Filing date: 2020-03-16
Publication date: 2020-06-05

Abstract

本发明公开了一种土壤水分传感器高精度简易标定方法，属于测量技术领域。解决了如何提供土壤水分传感器的高精度简易标定方法的技术问题。该方法包括以下步骤：确定一只标准土壤水分传感器；标准传感器和待测传感器放置同一样土中；样土达到饱和进行脱湿并自动采集两种传感器输出值；将两种传感器输出值进行二次回归拟合得到公式完成标定。该方法完整记录了样土含水量从饱和到风干状态的传感器连续变化值，分辨率达1%，增强了测量精度；同时待测传感器只需一次放置样土中，减少多次配置样土过程，简化步骤。此方法适用于多种类型土壤水分传感器的高精度简易标定，具有既满足科学研究高精度要求，又满足批量生产高效简易需求的优点。

Description

一种土壤水分传感器高精度简易标定方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，涉及一种水分传感器的标定方法，特别是涉及一种土壤水分传感器高精度简易标定方法。

背景技术

土壤水分传感器越来越多被用在科研土壤水分监测，它具有快速、准确、多点连续测定等优点，并能自动、遥测土壤水分的变化。国内外实验人员和工程技术人员，从不同的原理提出研制的土壤水分传感器多达十几种，到目前为止，我国水利系统常用的土壤水分传感器主要以介电类为主，包括时域反射法原理和频域法原理的水分传感器。这两种水分传感器都是通过测量土壤介电常数来间接测量土壤含水量，由于土壤质地不同，土壤的介电常数也有较大差异。在实际工程运用中，土壤水分传感器安装后，水分传感器出厂自带的通用公式可能存在与监测站土壤质地不匹配，会造成监测数据不准确，所以使用前需要对土壤水分传感器与公认准确的土壤烘干法做一次标定校准工作。但土壤烘干法的缺点是繁杂、步骤多、费时费力，如公开号为CN108490150A在2018年09月04日公开的发明专利“土壤水分传感器的室内高精度绝对定标方法”，但该方法需要重复对样土烘干、碾磨、过筛、洒水、搅拌、压实多项步骤，程序繁琐，工作量极其大，同时每次拔插传感器，扰动了土壤，误差较大；也有利用土壤饱和状态到风干称重原理的，如公开号为CN110220948A在2019年09月10日公开的发明专利“一种环刀称重法土壤水分传感器标定装置及标定方法”，但该方法需要人工称重，自动化程度较低，，且称重前需断开传感器与数据采集终端链接的数据线的和用毛巾擦净环刀外壁附着的水珠等步骤，人为干预动作多，误差较大；还有利用在实验室对原状土模拟自然状态下降水、蒸发过程的，如公开号为CN109425551A在2019年03月05日公开的发明专利“一种FDR频域反射式土壤水分传感器原状土壤标定的方法”，但该方法每隔一段时间用电子天平进行一次质量和频率测量，采集间隔大，数据采集点不足，数据不连贯，分辨度不高，自动化程度较低。有鉴于此，亟需一种标定结果更为精确可靠且简易方便的土壤水分传感器标定方法。

发明内容

发明目的：为解决现有土壤水分传感器标定方法弊端，如传统的土壤烘干法，需要重复对样土烘干、碾磨、过筛、洒水、搅拌、压实多项步骤，程序繁琐，工作量极其大；采用称重法，缺点是人工称重，自动化程度较低，且称重前需断开传感器与数据采集各种连接线和擦拭附着的水珠等步骤，步骤复杂，人为干预动作多，误差较大。本发明方法简易，只需确定一只标准土壤水分传感器，待测传感器和标准传感器只需一次放置样土中，减少多次配置样土过程，简化步骤，同时因为传感器一直放置在样土中不动，能够将土壤样本的扰动程度减少至最低，减少误差；同时采集时完整记录了样土含水量从饱和到风干状态的传感器连续变化值，采集到含水量百分之一的细微变化过程，分辨率高，增强了测量精度；在一个标定周期，待测传感器可以为多只，这样在单位时间内，标定出更多水分传感器，提高了生产效率。所以本发明既能满足科学研究高精度要求，又能同时满足批量生产的高效需求。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明提出的一种土壤水分传感器的高精度简易标定方法，步骤如下：

步骤一、确定一只标准土壤水分传感器；

步骤二、标准土壤水分传感器和待测土壤水分传感器放置同一样土中；

步骤三、样土含水量从饱和状态到风干状态进行脱湿，利用采集器自动采集标准土壤传感器和待测土壤水分传感器的连续变化输出值；

步骤四、导出采集器输出值，将标准土壤水分传感器和待测土壤水分传感器输出值进行二次回归拟合得到标定公式。

所述的确定一只标准土壤水分传感器，标准土壤水分传感器为美国Campbell公司的TDR100土壤水分传感器，将此传感器与公认标准的土壤烘干法做一次校准实验，首先配置8种不同含水量的梯度样土，配置样土为含水量为5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%，用土壤烘干法测的实际土壤含水量，记录传感器对应每种样土的输出值，推算出土壤水分传感器输出值与实际土壤含水量值的拟合公式，修正土壤水分传感器值与实际含水量值一致，确定一只标准土壤水分传感器。

所述的标准土壤水分传感器和待测土壤水分传感器放置同一样土中，待测传感器数量为一只或多只，它与一只标准传感器放置同一样土中，装样土的容器为土盒，土盒材质为有机玻璃管，管壁厚1cm，直径30cm，高4cm，顶部无盖，底板有孔，孔直径2mm，孔距5mm，底板垫有一层100目尼龙网，所装样土容重为1.4g/cm³，整个土盒放置在一个大水盆中。

所述的样土含水量从饱和状态到风干状态进行脱湿，利用采集器自动采集标准土壤传感器和待测土壤水分传感器的连续变化输出值，采集器使用美国Campbell公司的CR1000采集器，设定采集方式为标准水分传感器含水量每变化1%时记录所有传感器输出值，整个过程一直记录采集，达到饱和进行脱湿步骤为土盒放入的水盆中，水盆注水，水深以刚没过土盒底板为准，盒中样土通过多孔板吸收水盆里的水，直至样土表面湿润达到饱和，再将土盒取出搁置通风处自然风干脱湿。

所述的导出采集器输出值，将标准土壤水分传感器和待测土壤水分传感器输出值进行二次回归拟合得到标定公式，导出的待测传感器数量为一只或多只的输出值，分别与标准传感器输出值进行二次回归拟合，得到每一只待测传感器的对应标定公式。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明的积极效果在于适用于多种类型土壤水分传感器的标定。它有众多优点：第一操作简易，可批量进行，效率提高；第二把待测水分传感器与标准水分传感器同时放置样土中不再动作，对样土的扰动程度减少至最低，降低误差；第三采集器自动采集，无需人工配土和称重等多次操作记录，人工成本低，自动化程度高；第四操作过程中完整记录水分传感器含水量从饱和到风干状态的连续变化值，分辨度达1%，采集量数据点多，连续性强，增强了标定精度。

附图说明

图1为实施例TDR100土壤水分传感器与烘干法标定图，从图中可以看出：TDR100土壤水分传感器与烘干法测定θ的偏差%。

图2为实施例TDR100标准土壤水分传感与FDR62土壤水分传感器标定图，从图中可以看出：土壤脱湿过程，FDR62传感器与标准土壤水分传感器测定二次回归曲线数据θ的偏差%。

图3为实施例TDR100土壤水分传感器与烘干法测定二次回归曲线拟合图，从图中可以看：R²=0.9947，大于0.99xx以上，表明拟合程度良好，说明TDR100土壤水分传感器测定土壤含水量时与烘干法测定结果接近，准确度很高，得到一只标准的土壤水分传感器。

图4为实施例TDR100标准土壤水分传感器与FDR62土壤水分传感器测定二次回归曲线拟合图，从图中可以看出：R²=0.9953，大于0.99xx以上，表明拟合程度良好，土壤脱湿过程，测试数据表明，土壤含水量在12.56%~42.50%范围内，FDR62水分传感器回归值与标准土壤水分传感器测定值的绝对偏差为-1.92~1.49，相对偏差为-11.59~11.85%，说明FDR62传感器测定土壤含水量时与标准土壤含水量传感器测定结果基本一致，准确度高，FDR62土壤水分传感器标定完成。

具体实施方式

本发明提供的是一种土壤水分传感器高精度简易标定方法，以下实施例中江苏省水利科学研究院沿海实验基地实验室土壤水分传感器的标定为例。

步骤一：确定一只标准土壤水分传感器，标准土壤水分传感器为美国Campbell公司的TDR100土壤水分传感器，将此传感器与公认标准的土壤烘干法做一次校准实验，首先配置8种不同含水量的梯度样土，配置样土为含水量为5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%，用土壤烘干法测的实际土壤含水量，记录传感器对应每种样土的输出值，见附图1。推算出土壤水分传感器输出值与实际土壤含水量值的拟合公式，修正土壤水分传感器值与实际含水量值一致，达到得到一只标准土壤水分传感器目的。见附图3，为实施例TDR100土壤水分传感器与烘干法测定二次回归曲线拟合图，从图中可以看：TDR100土壤水分传感器与烘干法测定值二次回归曲线公式：

y=-0.0029x²+1.2091x+1.841

R²=0.9947

结论：R²=0.9947，大于0.99xx以上，表明拟合程度良好。

测试数据表明，土壤含水量在4.61%~43.11%范围内，TDR100传感器与烘干法测定值的绝对偏差为-1.54~1.70，相对偏差为-0.79~6.76%，说明TDR100土壤水分传感器测定土壤含水量时与烘干法测定结果接近，准确度很高，得到一只标准的土壤水分传感器。

步骤二，标准土壤水分传感器和待测土壤水分传感器放置同一样土中。实验样土用土盒所装，土盒材质为有机玻璃管，壁厚1cm，直径30cm，高4cm，顶部无盖，底部为钻用2mm小孔，孔距5mm的多孔底板，埋入传感器的土壤容重为1.4g/cm³，待测定土壤水分传感器为武汉美网通科技发展有限公司生产的型号FDR62土壤水分传感器。

步骤三，样土含水量从饱和状态到风干状态进行脱湿，利用采集器自动采集标准土壤传感器和待测土壤水分传感器的连续变化输出值，见附图2。数据采集器为美国Campbell公司的CR1000采集器，设定采集方式为标准水分传感器含水量每变化1%时记录所有传感器输出值，整个过程一直记录采集，样土达到含水量饱和状态方法是将土盒放入的水盆里，盆中注水，水深以刚没过土盒底板为准，盒中样土通过多孔板吸收水盆里的水，直至样土表面湿润达到饱和，再将土盒取出搁置通风处自然风干脱湿，在脱湿的过程中，采集器自动采集两种传感器输出数值。

步骤四，导出采集器输出值，将标准土壤水分传感器和待测土壤水分传感器输出值进行二次回归拟合得到标定公式，其中导出采集器数值为含水量每递减1%数值。见附图4，为实施例TDR100标准土壤水分传感器与FDR62土壤水分传感器测定二次回归曲线拟合图，从图中可以看出，TDR100标准土壤水分传感器与FDR62土壤水分传感器测定二次回归曲线公式：y=-2E-0.5x²+0.0692x+6.1238

R²=0.9953

结论：R²=0.9953，大于0.99xx以上，表明拟合程度良好。

测试数据表明，土壤脱湿过程，土壤含水量在12.56%~42.50%范围内，FDR62土壤水分传感器回归值与标准土壤水分传感器测定值的绝对偏差为-1.92~1.49，相对偏差为-11.59~11.85%，说明FDR62土壤水分传感器测定土壤含水量与标准土壤含水量传感器测定结果基本一致，准确度高，FDR62土壤水分传感器标定完成。

以上所述仅为本发明的典型实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种土壤水分传感器高精度简易标定方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、确定一只标准土壤水分传感器；

步骤三、样土含水量从饱和状态到风干状态进行脱湿，利用采集器自动采集标准土壤传感器和待测土壤水分传感器的连续变化输出值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤三之后还包括：步骤四、导出采集器输出值，将标准土壤水分传感器和待测土壤水分传感器输出值进行二次回归拟合得到标定公式。

3.根据权利要求1所述的确定一只标准土壤水分传感器，其特征在于，所述的标准土壤水分传感器为美国Campbell公司的TDR100土壤水分传感器，将此传感器与公认标准的土壤烘干法做一次校准实验，首先配置8种不同含水量的梯度样土，配置样土为含水量为5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%，用土壤烘干法测的实际样土含水量，记录传感器对应每种样土的输出值，推算出土壤水分传感器输出值与实际样土含水量值的拟合公式，修正土壤水分传感器值与实际含水量值一致，确定一只标准土壤水分传感器。

4.根据权利要求1所述的标准土壤水分传感器和待测土壤水分传感器放置同一样土中，其特征在于，所述的待测传感器数量为一只或多只，它与确定的标准传感器放置同一样土中，装样土的容器为土盒，土盒材质为有机玻璃管，管壁厚1cm，直径30cm，高4cm，顶部无盖，底板有孔，孔直径2mm，孔距5mm，底板垫有一层100目尼龙网，样土容重为1.4g/cm³，整个土盒放置在一个大水盆中。

5.根据权利要求1所述的样土含水量从饱和状态到风干状态进行脱湿，利用采集器自动采集标准土壤传感器和待测土壤水分传感器的连续变化输出值，其特征在于，所述的采集器使用美国Campbell公司的CR1000采集器，设定采集方式为标准水分传感器含水量每变化1%时记录所有传感器输出值，整个过程一直采集记录，达到饱和进行脱湿步骤为土盒放入的水盆中，水盆注水，水深以刚没过土盒底板为准，盒中样土通过多孔板吸收水盆里的水，直至样土表面湿润达到饱和，再将土盒取出搁置通风处自然风干脱湿。