土壤水分测量传感器原理.ppt

加水
1次
2 次
3 次
。。。。。
17
18
19
20
次
次
次
次
土壤体积含水量 θ
??1
??2
??3
土壤介电常数 ε
?1?
?2?
?3?
。。。。。。 ??17
??18
??19
??20
土壤水分的FDR原理测量
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。
? 电偶极子
介电常数介绍
图中??12 是真空中q1对q2的作用力，介电常数为ε0 ， 图（2）中?1?2 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??12 >?1?2 ,ε1 >ε0。所以我 们将所有导致介电常数增大的物质定义为电介质。
介电常数介绍
? 介简电化常计数 算是 和一 便个 于比 分较 析复 问杂 题的，常广数义介(?0?电=常8数.85或?相10对?1介2 )电，常为 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 ??表示。
介电常数介绍
介电常数的测量方法
? 方程
?
κ
=
???? ????
…………………….…………………..…….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????，在两极板中放入其它电介质后测得电容 值????，就可以得出该介质的相对介电常数??
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。
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
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
介质名称 干燥煤粉
石膏
食用油 粮食 干燥沙 沥青 水泥 甲醚 异氰酸脂 丁醇 环氧树脂 乙醇 面粉 飞灰 原料玻璃 谷物 砂糖 重油 液态乙烷 盐酸 氧化铁
液氮 煤油 矿物油 尼龙 PE（聚乙烯） 颗粒
介电常数 2.2
1.8 ～2.5
2 ～4 2.5～4.5 3 ～4 4～5 4～6 5 7.5 11
二氧化碳 水泥 氯水 煤粉 焦炭
介电常数 1
1.05～1.5
1.1～1.3 1.2～1.7 1. 5～2 1.2～2.2 1.8 ～2.2 1.9 2 2.1
1.5~2.5 19.5~20 2.7~6.0 16~31 1.6~1.8 6 2.5~3.2 2.3 1.8~2.0 11.8 5.6
1.6 1.5~2.1 2 1.2~1.8 1.1~2.2
土壤水分的FDR原理测量
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?0?。 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?1? 第三步：通过以下公式计算：
κ=
?????? ??????
.…….………………………………..….⑤
需要用交流电。
一般观测系统的组成
? 各种气象站
差分测量和单端测量
? 单端测量和差分测量
介电常数介绍
? 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：
?
??=
??1 ??0
…………………….……………………….
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
=
???? ????
…………………….…………………..…….
④
? ????（有电介质的电容）， ????（真空电容）。
介电常数介绍
介质名称 空气
聚苯乙烯颗粒
洗衣粉 液态煤气 塑料粒 玻璃片 奶粉 汽油 环乙醇 柴油 ABS 颗粒 丙酮 丙烯酸树脂 工业酒精 铝粉 硫酸铝 沥青 笨，液体 碳酸钙 氯化钙 硫酸钙
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：
一般观测系统的组成
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。
2.5~6.0 24 2.5~3.0 1.5~1.7 2.0~2.5 3~8 1.5~2.2 2.6~3.0 5.8~6.3 4~12 14.2
1.4 2.8 2.1 4~5 1.5
介质名称 湿沙
氨
胶乳 乙醇 炭灰 矿石 丙酮 甲醇 甘油 水 氯化钾 PVC 粉末 稻米 生橡胶 砂 皂粉 亚硫酸钠 淀粉 糖 硫酸 甲苯，液体
尿烷 植物油 玉米废渣 小麦粉 PP（聚丙烯） 颗粒
介电常数 15～20
21
24源自文库2.5 25～30 25～30 20～30 30 37 81
4.6 1.4 3~8 2.1~2.7 3~5 1.2~1.5 5 2~5 3 84 2.0~2.4
6.5~7.1 2.5~3.5 2.3~2.6 2.2~2.6 1.5~1.8