温度自补偿的SWR土壤湿度传感器研究与系统设计
发布时间：2021-08-27 23:44
水分是维系植物一切生命活动的基础营养物质,也是保证植物光合作用、呼吸作用和其他生理过程顺利进行的主要因素之一。土壤为植物供给所需水分,当土壤湿度变化时,会影响到植物的生命状态。精确测量土壤湿度对于植物水分盈亏程度的相关机理研究具有重要意义。在林区微环境和农田水分的长期监测过程中,基于介电法的土壤湿度传感器受环境温度高低变化影响,导致测量精度和准确性降低。基于上述原因,本文进行如下研究工作:1.研究铂电阻测温原理和土壤介电特性测量原理,分析非饱和土壤介电常数的组成,引入等效电路描述介电特性的物理模型。搭建基于驻波率原理的土壤湿度传感器硬件电路以及PT100温度传感器的驱动电路和信号调理电路,并完成系统软件设计。2.对所设计复合传感器进行综合测试,包括硬件电路测试、调试仿真测试、标定实验和标准仪器的对比实验等。由标定实验结果可知,复合传感器输出电压值与被测量进行线性拟合的决定系数均大于0.99,表明二者线性关系显著。选用德国IMKO公司的TDR传感器作为标准仪器,进行对比实验,本文所设计SWR 土壤湿度传感器的误差在±2%以内,说明二者性能相当。3.从硬件组成和测量原理两方面分析SWR传感...
【文章来源】：北京林业大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
温度测量方法分类Fi多lre2.1Cla骊石Cationof忱1llPera切remeasul℃mentmethods
壤类型、土壤容重、外界温度和土壤含盐量均普遍适用，所以此模型应用十分广泛（朱??安宁、吉丽青等，２０１１）。土壤介电特性可以使用基于ＲＣ并联的等效电路来进行分??析，如图２．２所示。??ｉ??＾?ａ??ｃ?ｉ?ｇ??ｐｉ＇ｆｌＴｉ＇Ｂｌｉ?－ｒ?＞??电流源?丨电压表??ｂ??图２．２?土壤介电特性物理模型等效电路??Ｆｉｇｕｒｅ?２．２?Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ?ｃｉｒｃｕｉｔ?ｏｆ?ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ?ｐｈｙｓｉｃａｌ?ｍｏｄｅｌ??在等效电路屮，??Ｕｕｂ?＝?ｙ?（２－４）??等效导纳ｒ由电容ｃ和电导ｃ？组成，其关系式为??Ｙ?＝?Ｇ?＋?ｊｅｏＣ?（２－５）??Ｃ?＝?ｓｓ〇ｋ?（２－６）??式中：Ｚ—电容Ｃ的相对介电常数；??虚数单位；??Ａ—恒定不变的常数，由探头几何参数确定。??令／?＝?贝ＩＪ??ｃｏｓ＾ｋ??Ｙ?＝?（２－７）??其中??１１??
１３．３９％、２０．１１％、２２．７５％、２８．８５％和３３．３２％的７个土壤样本，在传感器安装过程中??确保探针和样本可以充分接触。设置矢量网络分析仪的测试频率处于４０、６０、８０、??１００、１２０、１５０ＭＨｚ等６个位置，进行探头阻抗的测量。测试装置如图２．３所示。??图２．３信号源频率测试实验??Ｆｉｇｕｒｅ?２．３?Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ?ｏｆ?ｓｉｇｎａｌ?ｓｏｕｒｃｅ?ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?ｔｅｓｔ??使用Ｅｘｃｅｌ２０１３整理实验数据并绘制成折线图，在不同信号源频率下，土壤体积??含水率勹探头电抗的关系如图２．４所示。??■５〇［??Ｇ?－１００?－?４０ＭＨｚ??＾?ｗＣ?６０ＭＨｚ??＾?－ｌ５〇?－?＾?■?８０ＭＨｚ??ｒ?—Ｋ—１００ＭＨｚ??－２００?－?／?＿＾＿１２０ＭＨｚ??＂?—Ａ—１５０ＭＨｚ??－２５０????１?１?１?１?１?１?＇??０?１０?２０?３０?４０??土壤体积含水率／％??图２．４不同测试频率下电抗和含水率的关系??Ｆｉｇｕｒｅ?２．４?Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｒｅａｃｔａｎｃｅ?ａｎｄ?ｗａｔｅｒ?ｃｏｎｔｅｎｔ?ａｔ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｔｅｓｔ?ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ??由实验结果可知，同一体积含水率的实验样本中，测试频率越人，波测ｉ：壤的屯??抗值越大。联合分析不同实验样本，电抗值与含水率值具有单值线性关系Ｈ．Ｍ正相关。??因此
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国水资源利用的时空分布格局探究[J]. 尹上岗,马志飞,黄萍,吴启焰. 华中师范大学学报(自然科学版). 2017(06)
[2]土壤水盐介电模型对比与分析[J]. 魏龙,王维真,吴月茹,马春锋. 遥感技术与应用. 2017(06)
[3]基于多传感器数据融合的准静态校准数据处理方法[J]. 沈静华,裴东兴,张瑜. 传感技术学报. 2017(07)
[4]我国精准灌溉技术研究进展[J]. 李福强,张恒嘉,王玉才,王雅云,石媛媛,李煊. 中国水运(下半月). 2017(04)
[5]基于物联网的作物智能化精准灌溉技术研究与应用[J]. 李明平,吴德华,王爱军,樊铭京,马树升. 山东农业大学学报(自然科学版). 2017(01)
[6]土体含水率TDR测试技术的影响因素分析[J]. 张瑞国,罗强,蒋良潍,张良,张正. 传感器与微系统. 2016(05)
[7]提高农业机械化水平促进农业可持续发展[J]. 罗锡文,廖娟,胡炼,臧英,周志艳. 农业工程学报. 2016(01)
[8]驻波比法测定黄土含水量的标定试验研究[J]. 于永堂,张继文,郑建国,刘争宏. 岩石力学与工程学报. 2015(07)
[9]基于PSO-BP神经网络的湿度传感器温度补偿[J]. 行鸿彦,邹水平,徐伟,张强. 传感技术学报. 2015(06)
[10]土壤多参数复合测试系统研究[J]. 赵燕东,李宁,皮婷婷. 农业机械学报. 2015(08)
博士论文
[1]乔木体水分的测试技术及其监测系统的研究[D]. 王海兰.北京林业大学 2011
[2]土壤水分快速测量方法及其应用技术研究[D]. 赵燕东.中国农业大学 2002
[3]非饱和土壤介电特性测量理论与方法的研究[D]. 孙宇瑞.中国农业大学 2000
硕士论文
[1]基于驻波率原理的土壤水分测量技术的研究[D]. 冯磊.中国农业大学 2005
本文编号：3367338
【文章来源】：北京林业大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
温度测量方法分类Fi多lre2.1Cla骊石Cationof忱1llPera切remeasul℃mentmethods
壤类型、土壤容重、外界温度和土壤含盐量均普遍适用，所以此模型应用十分广泛（朱??安宁、吉丽青等，２０１１）。土壤介电特性可以使用基于ＲＣ并联的等效电路来进行分??析，如图２．２所示。??ｉ??＾?ａ??ｃ?ｉ?ｇ??ｐｉ＇ｆｌＴｉ＇Ｂｌｉ?－ｒ?＞??电流源?丨电压表??ｂ??图２．２?土壤介电特性物理模型等效电路??Ｆｉｇｕｒｅ?２．２?Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ?ｃｉｒｃｕｉｔ?ｏｆ?ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ?ｐｈｙｓｉｃａｌ?ｍｏｄｅｌ??在等效电路屮，??Ｕｕｂ?＝?ｙ?（２－４）??等效导纳ｒ由电容ｃ和电导ｃ？组成，其关系式为??Ｙ?＝?Ｇ?＋?ｊｅｏＣ?（２－５）??Ｃ?＝?ｓｓ〇ｋ?（２－６）??式中：Ｚ—电容Ｃ的相对介电常数；??虚数单位；??Ａ—恒定不变的常数，由探头几何参数确定。??令／?＝?贝ＩＪ??ｃｏｓ＾ｋ??Ｙ?＝?（２－７）??其中??１１??
１３．３９％、２０．１１％、２２．７５％、２８．８５％和３３．３２％的７个土壤样本，在传感器安装过程中??确保探针和样本可以充分接触。设置矢量网络分析仪的测试频率处于４０、６０、８０、??１００、１２０、１５０ＭＨｚ等６个位置，进行探头阻抗的测量。测试装置如图２．３所示。??图２．３信号源频率测试实验??Ｆｉｇｕｒｅ?２．３?Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ?ｏｆ?ｓｉｇｎａｌ?ｓｏｕｒｃｅ?ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?ｔｅｓｔ??使用Ｅｘｃｅｌ２０１３整理实验数据并绘制成折线图，在不同信号源频率下，土壤体积??含水率勹探头电抗的关系如图２．４所示。??■５〇［??Ｇ?－１００?－?４０ＭＨｚ??＾?ｗＣ?６０ＭＨｚ??＾?－ｌ５〇?－?＾?■?８０ＭＨｚ??ｒ?—Ｋ—１００ＭＨｚ??－２００?－?／?＿＾＿１２０ＭＨｚ??＂?—Ａ—１５０ＭＨｚ??－２５０????１?１?１?１?１?１?＇??０?１０?２０?３０?４０??土壤体积含水率／％??图２．４不同测试频率下电抗和含水率的关系??Ｆｉｇｕｒｅ?２．４?Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｒｅａｃｔａｎｃｅ?ａｎｄ?ｗａｔｅｒ?ｃｏｎｔｅｎｔ?ａｔ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｔｅｓｔ?ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ??由实验结果可知，同一体积含水率的实验样本中，测试频率越人，波测ｉ：壤的屯??抗值越大。联合分析不同实验样本，电抗值与含水率值具有单值线性关系Ｈ．Ｍ正相关。??因此
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国水资源利用的时空分布格局探究[J]. 尹上岗,马志飞,黄萍,吴启焰. 华中师范大学学报(自然科学版). 2017(06)
[2]土壤水盐介电模型对比与分析[J]. 魏龙,王维真,吴月茹,马春锋. 遥感技术与应用. 2017(06)
[3]基于多传感器数据融合的准静态校准数据处理方法[J]. 沈静华,裴东兴,张瑜. 传感技术学报. 2017(07)
[4]我国精准灌溉技术研究进展[J]. 李福强,张恒嘉,王玉才,王雅云,石媛媛,李煊. 中国水运(下半月). 2017(04)
[5]基于物联网的作物智能化精准灌溉技术研究与应用[J]. 李明平,吴德华,王爱军,樊铭京,马树升. 山东农业大学学报(自然科学版). 2017(01)
[6]土体含水率TDR测试技术的影响因素分析[J]. 张瑞国,罗强,蒋良潍,张良,张正. 传感器与微系统. 2016(05)
[7]提高农业机械化水平促进农业可持续发展[J]. 罗锡文,廖娟,胡炼,臧英,周志艳. 农业工程学报. 2016(01)
[8]驻波比法测定黄土含水量的标定试验研究[J]. 于永堂,张继文,郑建国,刘争宏. 岩石力学与工程学报. 2015(07)
[9]基于PSO-BP神经网络的湿度传感器温度补偿[J]. 行鸿彦,邹水平,徐伟,张强. 传感技术学报. 2015(06)
[10]土壤多参数复合测试系统研究[J]. 赵燕东,李宁,皮婷婷. 农业机械学报. 2015(08)
博士论文
[1]乔木体水分的测试技术及其监测系统的研究[D]. 王海兰.北京林业大学 2011
[2]土壤水分快速测量方法及其应用技术研究[D]. 赵燕东.中国农业大学 2002
[3]非饱和土壤介电特性测量理论与方法的研究[D]. 孙宇瑞.中国农业大学 2000
硕士论文
[1]基于驻波率原理的土壤水分测量技术的研究[D]. 冯磊.中国农业大学 2005
本文编号：3367338
本文链接：https://www.wllwen.com/nykjlw/nygclw/3367338.html
