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土壤温湿度传感器应用于土壤水分监测

2020-10-12 15:54
建大仁科
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土壤是人类赖以生存的自然资源之一,是植物生长发育的基础,土壤环境状态与人类社会的生存与繁衍息息相关。除水培植物之外,土壤水份是植物吸收水分的主要来源,土壤各类肥料的溶解和吸收,有机物的分解、转化也和土壤水分的含量有着紧密的关系。

土壤温湿度传感器监测土壤水分的工作原理

土壤水分的衡量标准为土壤含水率,即水分重量占土壤重量的百分比。测定土壤含水量,掌握作物对水的需要情况,对农业生产有着重要的意义。目前测量土壤水分的方法有烘干称重法、张力计法、电阻法、中子法、r-射线法、驻波比法、光学法、时域反射法(TDR)与高频振荡法(FDR)等。其中比较常用而且简单的方法为烘干法、电阻法。

烘干法:

烘干法是测定土壤水分极为普遍的方法,也是标准方法。具体为:从野外获取一定量的土壤,然后放到105℃的烘箱中,等待烘干。其中烘干的标准为前后两次称重恒定不变。烘干后失去的水分即为土壤的水分含量。计算公式为土壤含水量=W/M*100%,M为烘干前的土壤重量,W为土壤水分的重量,即M与烘干后土壤重量M’的差值。

电阻法:

电阻法利用石膏、尼龙、玻璃纤维等的电阻和它们的含水量有关。当把这些中间物加上电极放置在潮湿的土壤中,然后一段时间后,这些东西的含水量达到平衡。由于电阻和含水量间的关系,我们先前标定电阻和百分数间一定的对应关系,然后就可以通过这些组件,得到1~15大气压吸力范围内的水分读数。

采用烘干法测量出的数值精准,但存在实时性差这一缺点。如果我们想要快速测量的话,可以考虑土壤温湿度传感器,土壤温湿度传感器有时域反射法(TDR)或者高频振荡法(FDR)两种监测原理,能够实时提供较为准确的土壤水分含量。

TDR法:

TDR的中文名称为时域反射法,是上个世纪八十年代发展起来的一种土壤水分测量定方法。这种方法在国外应用非常普遍,在国内的话近几年才刚刚引入,不过在引入之后就立刻被各部门重视起来。TDR时域发射是一种快速监测土壤水分的常见方式,其原理是在一条不匹配的传输线上的波形会发生发射,传输线上任何一点的波形都是原有波形和发射波形的叠加。TDR原理的设备响应时间约为10-20秒,适合移动测量和定点监测。

TDR具有较强的独立性,其结果基本不受土壤类型、密度、温度等环境因素影响。除此之外还有重要的一点就是:TDR能在结冰下测定土壤水分,这是其他方法无法比拟的。另外,TDR能同时监测土壤水盐含量,且前后两次测量的结果几乎没有差别。这种测定方法的精确度可见一斑。

FDR法:

FDR法的中文名称为高频振荡法,FDR的诞生时间稍晚于TDR。起初是因为TDR设备造价昂贵,国外AquaSPY、Sentek等公司为了寻求比TDR更为简单的方法来测量土壤的介电常数,从而研究出了FDR;FDR不仅比TDR便宜,而且测量时间更短,在经过特定的土壤校准之后,测量精度高,而且探头的形状不受限制,可以多深度同时测量,数据采集实现较容易。

FDR法采用了电磁脉冲的工作原理,根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数,从而得到土壤容积含水量。

土壤水分监测现如今不仅仅是应用于农业土壤水分检测,许多工程建筑如铁路、公路、水电站、渠道、房屋等,土壤水分状况也是必不可少的资料。当我们需要精准的数据并且时间充足的话,可以选择传统的烘干法。如果想要实时了解土壤水分的话,可以选择土壤水分传感器(TDR/FDR)。

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