土壤水分速測(cè)儀研制原理

水分是天然土壤的一個(gè)重要組成部分，它不僅影響到土壤的物理性質(zhì)，制約著土壤中養(yǎng)分的溶解、轉(zhuǎn)移和微生物的活動(dòng)，而且是構(gòu)成土壤肥力的一個(gè)重要因素，更是一切植物賴以生存的基本條件。因此測(cè)定土壤含水量，對(duì)實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，節(jié)水灌溉，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率有重要的意義。

目前測(cè)定土壤水分的方法歸納起來有兩大類，一類是變動(dòng)位置取樣測(cè)定(如烘干稱重法等)，另一類是原位取樣測(cè)定(如中子法、γ射線法、時(shí)域反射儀法、頻域發(fā)射儀法、傳感器法等)。不同的方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，烘干稱重法原理簡(jiǎn)單，精度高，但其操作煩瑣，又不能在田間實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)。中子法和γ射線法雖可在室外快速準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，但是存在放射性物質(zhì)危害人體健康。時(shí)域反射儀法和頻域發(fā)射儀法價(jià)格比較昂貴，而傳感器法安全可靠、測(cè)定土壤水分快速直讀，具有不必采土樣，不破壞土壤結(jié)構(gòu)，可連續(xù)監(jiān)測(cè)并輸出電信號(hào)，十分適合于監(jiān)測(cè)田間土壤水分動(dòng)態(tài)分布和變化情況，便于長(zhǎng)期的觀測(cè)和積累田間水勢(shì)資料等，因此被廣泛應(yīng)用在田間監(jiān)測(cè)土壤水分上。

土壤水分速測(cè)儀就是運(yùn)用土壤水分傳感器將土壤含水量的大小θ(%)轉(zhuǎn)換為土壤水吸力的大小并作用于壓阻傳感器，壓阻傳感器將土壤水吸力轉(zhuǎn)換為差動(dòng)電壓信號(hào)輸出給雙端輸入單端輸出差動(dòng)放大器。此處采用差動(dòng)放大器是由于其具有較好的抑制零漂和抗干擾的作用，同時(shí)可將雙端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出信號(hào)。由于差動(dòng)放大器的輸出與輸入是反相的，故將此輸出的信號(hào)再送給反相放大器，在放大信號(hào)的同時(shí)將輸出再次反相，從而轉(zhuǎn)變?yōu)榕c壓阻傳感器的輸出同相的電壓信號(hào)。為了根據(jù)需要調(diào)節(jié)反相放大器的放大倍數(shù)，在其反饋回路上串接一電位器，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)零和校正。最后將電路輸出的信號(hào)送給電壓表，顯示最終的輸出電壓值，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)標(biāo)定情況制做一土壤含水量表頭，由此可直接讀出土壤含水量的數(shù)值。

從測(cè)量結(jié)果可看出，用土壤水分速測(cè)儀與烘干稱重法測(cè)量值的差值率均在5%以內(nèi)，說明土壤水分速測(cè)儀測(cè)量準(zhǔn)確度是比較高的。特別是利用土壤水分速測(cè)儀測(cè)量土壤含水量速度快(測(cè)量一次僅需幾秒鐘)，數(shù)值顯示，非常直觀，使用簡(jiǎn)單，體積小便于攜帶，可隨時(shí)測(cè)量含水量的情況，很適合在田間、溫室大棚、草坪等場(chǎng)合使用。由于壓阻傳感器是由半導(dǎo)體材料制做的，在測(cè)量精度要求比較高的場(chǎng)合，溫度的影響是必須要考慮的。實(shí)驗(yàn)表明壓阻傳感器表現(xiàn)為負(fù)溫度特性，當(dāng)溫度升高時(shí)壓阻系數(shù)變小，當(dāng)溫度降低時(shí)壓阻系數(shù)變大。為了減小溫度的影響，一方面要盡可能采用恒流源供電，另一方面是采用正溫度系數(shù)的材料作溫度補(bǔ)償電路并使其與壓阻傳感器盡量貼近，可達(dá)到較好的補(bǔ)償效果。