土壤水分测量传感器原理.

2仪器部分：包括传感器和测量设备，一般气象站对气象5要素（风，温湿度，大气压，降雨，辐射）测量。4供电部分：一般野外自动站的供电系统由太阳能板+胶体电池+充电控制器组成。但是大功率观测场或者测量系统需要用交流电。1数据采集器：整个系统的核心，所有测量设备或者传感器输出的测量数据都有数据采集器完成采集。同时为部分传感器供电和远程传输数据5支架部分：整个系统的的基础。支架由两部分组成：1主体，一般小气象站用三角架，大的观测系统用高塔。2传感器固定件，不同的传感器固定件不同。一般观测系统的组成3通信部分：系统通讯系统可以将野外站数据实时远程传输到基站。常用的通信方式为：光纤直连、无线电台、gprs网络一般观测系统的组成各种气象站单端测量和差分测量差分测量和单端测量介电常数是一个表征电荷在介质中相互作用力大小的量，从电场强度角度来看，介电常数是表征介质中电场强弱的量。将一对电偶极子(什么是电偶极子?)放在两个点电荷之间，这两个点电荷的库仑力会减小，见下图：电偶极子介电常数介绍介电常数介绍图中𝐹12是真空中q1对q2的作用力，介电常数为ε0，图（2）中𝑓12是加了电偶极子后q1对q2的作用力，介电常数为ε1。不难从计算得出𝐹12𝑓12,ε1ε0。所以我们将所有导致介电常数增大的物质定义为电介质。介电常数是一个比较复杂的常数(𝜀0=8.85∗10−12)，为简化计算和便于分析问题，广义介电常数或相对介电常数定义为电介质介电常数和真空介电常数的比值,这只是个习惯性定义,没有实在的意义,大家在以后看见的公式或阅读的除物理学以外的文献中所提到的介电常数一般指相对介电常数，我们简称介电常数，用𝛋表示。𝜅=𝜀1𝜀0…………………….……………………….③κ(相对介电常数),相对介电常数κ有时也会被表示为④式：κ=𝑪𝟏𝑪𝟎…………………….…………………..…….④𝐂𝟏（有电介质的电容），𝐂𝟎（真空电容）。介电常数介绍介质名称介电常数介质名称介电常数介质名称介电常数空气1干燥煤粉2.2湿沙15～20聚苯乙烯颗粒1.05～1.5石膏1.8～2.5氨21洗衣粉1.1～1.3食用油2～4胶乳24液态煤气1.2～1.7粮食2.5～4.5乙醇2.5塑料粒1.5～2干燥沙3～4炭灰25～30玻璃片1.2～2.2沥青4～5矿石25～30奶粉1.8～2.2水泥4～6丙酮20～30汽油1.9甲醚5甲醇30环乙醇2异氰酸脂7.5甘油37柴油2.1丁醇11水81ABS颗粒1.5~2.5环氧树脂2.5~6.0氯化钾4.6丙酮19.5~20乙醇24PVC粉末1.4丙烯酸树脂2.7~6.0面粉2.5~3.0稻米3~8工业酒精16~31飞灰1.5~1.7生橡胶2.1~2.7铝粉1.6~1.8原料玻璃2.0~2.5砂3~5硫酸铝6谷物3~8皂粉1.2~1.5沥青2.5~3.2砂糖1.5~2.2亚硫酸钠5笨，液体2.3重油2.6~3.0淀粉2~5碳酸钙1.8~2.0液态乙烷5.8~6.3糖3氯化钙11.8盐酸4~12硫酸84硫酸钙5.6氧化铁14.2甲苯，液体2.0~2.4二氧化碳1.6液氮1.4尿烷6.5~7.1水泥1.5~2.1煤油2.8植物油2.5~3.5氯水2矿物油2.1玉米废渣2.3~2.6煤粉1.2~1.8尼龙4~5小麦粉2.2~2.6焦炭1.1~2.2PE（聚乙烯）颗粒1.5PP（聚丙烯）颗粒1.5~1.8介电常数介绍介电常数介绍方程κ=𝑪𝟏𝑪𝟎…………………….…………………..…….④给介电常数的测量提供了途径，如果我们有一个标准的电容器，在真空中我们根据电容的定义准确的测量了电容值𝐂𝟎，在两极板中放入其它电介质后测得电容值𝐂𝟏，就可以得出该介质的相对介电常数𝛋介电常数的测量方法FDR原理介绍假设我们用RLC谐振电路来粗略测量某未知介质的介电常数，步骤如下：第一步：将电容暴露在空气中，确定谐振电路输出频率为𝑓0。第二步：在电容器两极板中填满这种电介质，测得谐振电路的输出频率为𝑓1第三步：通过以下公式计算：κ=𝒇𝟎𝟐𝒇𝟏𝟐.…….………………………………..….⑤以上三步可以得到土壤的介电常数，介质的介电常数会随温度的不同有微小的偏移，但偏移很小，可以用公式修正。土壤水分的FDR原理测量水对土壤的介电常数贡献最大，但由于土壤的成分各不相同，土壤体积水含量与介电常数之间没有明确的关系，我们能肯定的一点是，如果土壤其它成分不变，土壤体积水含量和仪器所测土壤介电常数之间有某种对应的关系，要找到这种关系需要对仪器针对这种土壤测量进行精确的标定，然后根据标定的数据拟合出曲线方程，标定的方法如下：土壤水分的FDR原理测量加水1次2次3次。。。。。17次18次19次20次土壤体积含水量θ𝜃1𝜃2𝜃3。。。。。。𝜃17𝜃18𝜃19𝜃20土壤介电常数ε𝜀1𝜀2𝜀3。。。。。。𝜀17𝜀18𝜀19𝜀20取某种土壤样本烘干，测量样本体积，将探头完全埋在样本中，室温调至20度（20度不用温度修正），然后开始分次按一定量加水，假设我们取了1L的土样，然后分20次加水，一次加30ml，每次加完后测量当前土壤的体积，计算土壤体积水含量，同时读出传感器输出介电常数的值（传感器通过终端输出介电常数的方法可参考后面的第5章介绍）。这样进行20此后我们得到了20组土壤体积水含量和对应介电常数值。土壤水分的FDR原理测量对这些值进行3次函数回归，然后解关于拟合修数的线性方程组。假设回归公式θ=A+Bɛ1+𝐶ɛ2+𝐷ɛ3，通过回归求出A,B,C,D参数。土壤水分的FDR原理测量电导率用FDR来测量介质的介电常数是一个复杂的过程，介电常数表征了介质中电场的强度，如果外电场强度以正弦规律高频振荡时，介质的实际介电常数也会随正弦规律变化的电场强度产生偏移，偏移量与土壤中的自由带电粒子有关，由于有三角函数介入偏移量，可以用复介电常数来描述这种偏移，因为复变函数与三角函数有极大渊源，复介电常数包含介电常数实部和介电常数虚部：κ=𝜀𝑟+𝑖𝜀𝑖….…………………………..….⑥i=(−1)1/2,εr(介电常数实部)，𝜀𝑖（介电常数虚部）后来通过研究发现，复介电常数的虚部和电导率有极大关系：𝜀𝑖=𝝈𝝎𝜺𝟎.………………………….….⑦σ(电导率)，ω（角频率=频率的2π倍）。1988年-1990年，campbell提出一个复变函数电导率求解公式，公式比较复杂，hydra-porbe就是按照这个公式来设计的，公式如下：𝑍𝑃=th(𝑤𝑙𝑘𝑐𝑖).………………………….⑧ZP（电导率），𝑤（谐振角频率），𝑙（仪器探针长度），𝑐（光速），𝑘（复介电常数），Cot()是复变三角函数，关于复变函数的具体细节参见复变函数。电导率土壤盐分土壤盐分约为电导率的6.4倍：SoilWaterSalinity(g/L)≈EC(S/m)x6.4土壤盐分TDT原理介绍TDT测量电导率TDR原理介绍TDT&TDRTDT（时域传输）原理电磁波在介质中的传播速度与介质的介电常数和磁导率有关：∁𝑟=1ℎ𝜀𝑟……………………………….….⑨h(介质磁导率)，εr(介质介电常数)。如果我们在介质中放两根平行的良导体，那么电磁波就会被束缚在两个导体之间传播，这种现象叫做波导。如下图所示：TDT原理介绍TDT原理介绍设从电磁波发出到电磁波接收的时间差为∆t，电磁波的传输距离（导体长）为L，则介质的相对介电常数为：k=𝑐∆𝑡𝑙2………………………………………….…⑩𝑐(真空光速)得到介质介电常数后，需要通过标定获得介电常数和土壤体积含水量的方程，处理方法和FDR同。不同的是TDT的信号发射频率较低，所以不需要要引入复介电常数，因此很难测到土壤的电导率，campbell提出另一个测电导率的方程,下一页TDT原理介绍𝑍𝑃𝑍0=1+τ1−τ𝑍𝑃(介质阻抗)，𝑍0（探头特性阻抗），τ（反射率=返回电压/输入电压），该方程解释如下：两根非常靠近的导体（同轴的或平行的）组成，它们之间存在着分布的电感和电容。当在均匀传输线的终端连接的负载阻抗等于传输线特性阻抗时，便不会产生反射，称为匹配。当负载阻抗不等于传输线特性阻抗时，便有一部分能量反射回去而形成反射波，称为失配。改变传输线的尺寸、比例、线径、线间间隔已及向线间填充电介质等，都会使传输线特性阻抗改变，产生阻抗不连续点，从而形成反射。TDR和TDT正是通过这些反射波的时域大小和形状，来判断和测定传输线的参数和性质。TDT&电导率TDT&电导率TDR介绍TDR/TDT标定加水1次2次3次。。。。。17次18次19次20次土壤体积含水量θ𝜃1𝜃2𝜃3。。。。。。𝜃17𝜃18𝜃19𝜃20土壤介电常数ε𝑡1𝑡2𝑡3。。。。。。𝑡17𝑡18𝑡19𝑡20VWC=A+B*period+C*period^2τc(Tsoil)=τuc+(20−Tsoil)*(0.526−0.052*τuc+0.00136*τuc^2)温度修正中子仪中子仪1）快中子源镭-铍2）慢中子探测器。3）快中子遇H变慢4）不能测土表土壤，有机质多影响结果。5）可定点长期观测。