不同频率激励信号下土壤水分传感器性能试验

激励信号频率是影响高频电容式土壤水分传感器性能的重要因素。利用去离子水和2—异丙氧基乙醇(2—isoproxyethanol)或二氧六环(dioxane)2种溶液混合,配制了一系列等效土壤体积含水率为0.9%~51.8%的待测介电溶液来替代土样。从与土壤含水率的函数关系、温度变异性2个方面,分别对激励信号频率为40,50,60,70,80,90,100 MHz的7种土壤水分传感器进行了性能测试与分析。结果表明:7种频率的传感器的输出电压均与土壤体积含水率呈线性负相关,其相关系数R2均大于0.94;激励信号频率不影响传感器输出电压的温度变异性,温差是影响温度变异性的主要因素,其最大变异率均小于4%。试验结果可为设计高频电容式土壤水分传感器时选择激励信号频率提供依据。     

电容式土壤水分传感器的电导变异性试验研究

为评估电容式土壤水分传感器受土壤电导率的影响及其对农田土壤电导率变化范围的适用性,配制了一系列土壤等效含水率为40.6%、电导率为0~1.91dS/m的土壤等效介电溶液,分别对激励信号频率为40,50,60,70,80,90,100MHz的7种传感器进行了电导变异性试验,并且配制了相同含水率但电导率分别为0,0.31,0.46和0.61dS/m的4种土样进行了验证试验。试验结果表明:1)土样中的测试结果基本上与介电溶液吻合,可采用等效介电溶液评估传感器的电导变异性;2)传感器的电导变异率随待测介质电导率的升高而近似线性增大,相同电导率下,传感器激励信号频率越高其电导变异率越小;3)在农田土壤电导率基本变化区域0.239~0.650 dS/m内,当传感器激励信号频率从不低于80MHz时,其最大电导变异率为9.2%,能满足工程上的实际应用要求。     

FDR和TDR测定几种典型土壤含水量的对比分析

针对基于时域反射(TDR)和频域反射(FDR)原理的土壤水分传感器,以潮土、红壤和黑土3种典型土样为实验对象进行室内标定,用不同标定方式对传感器与烘干法的测量值进行拟合及回归分析。结果表明:1)对于TDR和FDR,二次多项式拟合效果均优于线性及指数形式;2)在潮土中,TDR的测量精度高于FDR,而在红壤和黑土中,FDR的测量精度高于TDR;3)在3种测试土壤内,TDR相对于FDR普适性强。选择的3种土壤是中国北部、中部及南部地区的典型土壤,具有一定代表性,可为全国大部分地区土壤类型普适性研究提供实验基础。     

基于FDR原理的自动灌溉系统设计

利用土壤的介电特性测量土壤含水量是一种快速、简便、可靠的方法。根据频域反射(FDR)法测量原理,电磁波在土壤中的传播频率可用来测试土壤的介电常数,从而得到土壤容积含水率,设计出了一种基于FDR原理的自动灌溉系统,介绍了FDR测量原理,阐述了自动灌溉系统的软硬件构成,土壤水分传感器测得的土壤水分含量信息,经信号处理,输出为0~5V电压信号,经A/D转换送至AT89S52单片机进行判断处理,根据输出数值的大小控制电磁阀的通断时间,从而实现自动灌溉和节水灌溉的目的。试验表明:该系统工作稳定,控制准确,反应灵敏,满足自动灌溉要求。     

新型TDR土壤水分测定仪SOILTOP-200的开发及应用

SOILTOP-200土壤水分测定仪区别于其它TDR技术同类产品,采用频域频率步进体系及矢量接收技术,应用离散傅立叶逆变换(IDFT)实现对土壤体积含水率的TDR测量。通过对安徽潮土、江西红壤、东北黑土等多种不同土壤的实验室测量,以及天津市静海县、河南省、吉林省等多地域不同土样的田间测量与人工法数据的比对证实,SOILTOP-200土壤水分测定仪在未经率定使用本机预埋缺省公式的前提下,能够精确测量土壤含水率,实验室测量误差均低于±2%,野外测量误差也基本达到±2%以内。因此,SOILTOP-200土壤水分测定仪可作为快速、可靠及有效测定田间土壤含水量的仪器。     

基于FDR技术的土壤水分传感器设计

本文以土壤的介电理论为基础,通过测量土壤的介电常数随土壤水分变化的规律得知土壤的体积含水量,并利用土壤水分频域反射法实现土壤水分的测量.此方法可以连续检测土壤含水量的变化,较好的反映土壤水分的变化趋势.本文所设计的土壤水分传感器因具有多个测量分探头,因此可测量较深的土壤.因采用RS485总线通信,使传感器具有实时测量、...     

基于高频电容法的耕地土壤水分检测研究

利用土壤的介电特性对土壤的体积含水量进行测量.采用高频电容法作为测量方法,分别对红壤土、潮土、水稻土3种耕地土壤的含水量进行了测量.首先进行测量原理的分析,根据土壤测试极板的等效高频电气模型与固定电感相串联求得测量极板的等效电容值与串联谐振频率的关系.然后经过计算与电路仿真,绘出谐振频率与土壤体积含水量的理论关系曲线.最后通过实验对3种耕地土壤的实际含水量进行了测量,得到了实际测量与理论值的对比图.经过分析测量结果,证明实际测量结果符合理论推算,具有实际应用的价值.     

SOILTOP-200—一种新型时域反射法(TDR)土壤水分测定仪的开发及应用

要 ：本公司研制的SOILTOP-200土壤水分测定仪区别于国内外FDR和其它 TDR技术同类产品,采用频域频率步进体系,应用连续波在频域进行测试,通过傅立叶逆变换转换到时间域,反演得到平行传输线周围土壤的介电常数,从而推算得到土壤体积含水率。通过对安徽潮土、江西红壤、东北黑土等多种不同土壤的实验室测量,以及天津市静海县、河南省、吉林省等多地域不同土样的田间测量与人工法数据的比对证实,SOILTOP-200在未经率定的前提下,具有极高的通用性、准确性和稳定性,实验室测量误差均低于 2％,野外测量误差也基本达到 2％以内。     

电导法原油含水率测量传感器的模型优化与仿真

电导法原油含水率测量是基于阵列电极传感器的一种测量方法,电极系的结构与参数对传感器性能有着重要影响.拟研究电极系传感器结构的优化设计方法,在建立传感器电场分布理论模型的基础上,利用ANSYS有限元软件仿真电极系传感器不同参数下的电场分布,分析电极环宽度、激励电极对间距、测量电极间距等参数对传感器性能的影响.依据仿真结果,确定传感器的优化参数,并对传感器进行了灵敏度的模拟测试,测试结果显示:传感器灵敏度仿真结果与实际测试结果一致性较好;在高含水(大于85%)的油水两相流含水率测试精度可达3%.测试结果验证了传感器理论和仿真分析方法的有效性,为优化设计传感器提供一种有效的方法.     

橘园无线土壤水分传感器的设计与实现

为了达到以一种低成本方式实时采集土壤水分信息用于指导橘园的节水灌溉,根据土壤电阻率随土壤含水率变化的原理,设计了一种土壤水分传感器.为克服恒定直流电压测量时探针电极的极化效应的影响,提出了一种以H桥正反脉冲间歇电压信号作为激励信号的测量方法.采用无线收发模块CC2420,实现了传感器与上位机之间的无线通信与数据无线传输.利用电源管理技术和睡眠机制,提高了电池的使用寿命.对传感器进行了标定,并在土壤含水率为13.6％～50.2％的范围内进行了验证实验,结果表明:当土壤含水率在21.1％～41.5％范围内,测量的平均误差为2.8％;当土壤含水率小于21.1％或大于41.5％时,测量的平均误差为5.2％.     

基于随机采样的快速非局域均值图像去噪算法

在图像去噪的过程中,针对非局域均值滤波(NLM,non-local mean)去噪方法中存在的运算效率低下问题,提出了一种改进的快速去噪算法.首先,基于蒙特卡罗重要性采样思想,采用Metropolis方法在搜索窗口中对图像的像素点进行随机采样,取代NLM算法在搜索窗口中逐一像素遍历进行加权平均的方法,从而实现了加速.其次,算法在实现加速的过程中一般会影响去噪效果,为了仍保持较好的去噪效果,提出一种改进的权重函数.最后,进行了对比实验,对实验结果从峰值信噪比、运行时间及与原无噪声图像的相似度三个方面进行分析,结果表明,本方法在保持较高信噪比的基础上,处理时间只有标准NLM算法的1/3左右.     

基于信号波形幅度检测放大技术的电容式土壤水分传感器研究

土壤水分量测对于农田系统的评估和选择、水资源的合理利用是十分重要的。本文根据土壤水分与土壤相对介电常数的关系,基于信号波形幅度检测放大技术设计了一种电容式土壤水分传感器。在标准溶液样品、粘壤土、砂壤土、粘土土样中对本文提出的传感器进行测试。实验结果显示,传感器输出电压与被测介质含水量有良好的线性关系（R2=0.81~0.99）,传感器灵敏度受土质影响明显,实际应用中时需要根据土质进行校准,传感器功耗低,在2.5V供电电压下功耗低于8mW。本文设计的传感器可推广至精准农业系统应用中。     

Dielectric Properties of Saline Soil and an Improved Dielectric Model

The measurement and analysis of the dielectric constant of soil samples with different moisture and salinity are achieved based control experiment. The saturation is introduced to the dielectric model of salinity soil to improve simulation accuracy by taking the Stogryn model and the influence of soil solution ion concentration, conductivity, moisture content, and salt content for dielectric constant imaginary part into consideration. The results indicate that the soil salt content has little influence on both real part and imaginary part of dielectric constant when soil volumetric moisture content is low, while soil volumetric moisture content is high, the real part of the dielectric constant decreases with the increase of soil salt content, and the imaginary part of the dielectric constant increases. The improved dielectric model of salinity soil can well reveal the changes of dielectric constant, and it is also having a great effect in Baiyin soil samples. That is to say, the improved dielectric model can apply to different soil types.     

盐渍土介电特性及模型改进研究

基于控制试验对配制的具有不同含水量和含盐量的土壤样本进行介电特征量测和分析,同时结合Stogryn盐水介电模型和土壤溶液离子浓度、电导率、含水量和含盐量等参数对介电常数虚部的影响,将饱和度这个关键参量引入盐渍土介电模型中,提高盐渍土介电模型模拟精度。结果表明：①当土壤体积含水量较低时,土壤含盐量对介电常数的实部和虚部均未产生明显的作用。当土壤体积含水量较高时,介电常数实部则随着土壤含盐量的增加呈逐渐下降趋势,介电常数虚部以增加态势为主;②修正后的盐渍土介电模型可以较好地刻画介电常数变化特征。此外,将修正后的模型在白银采样点进行验证,同样取得较好的模拟结果,表明修正后的盐渍土介电模型对不同土壤类型具有一定的适用性。     

基于高频电容原理的土壤剖面水分传感器研究

为了实现土壤剖面不同深度的水分测量,基于高频电容原理,研制了一种能够自动、连续监测土壤剖面动态含水量的水分传感器。通过实验,建立了传感器数学标定模型,并对传感器进行了相关性能测试。通过对比分析土壤水分实际值与传感器测量值,结果表明:传感器最大绝对误差为-5.10%。传感器测量水分梯度变化明显,可用于土壤剖面不同深度水分的测量,具有低成本、低功耗的特点,可应用于农林业实际生产。