CS616土壤水分

CS616土壤水分传感器苏彦CS616土壤水分传感器1土壤水分概述2土壤水分的测量3CS616概述4CS616的测量原理5CS616的参数及程序介绍土壤水分介绍土壤水是植物吸收水分的主要来源，土壤水存在于土壤孔隙中，尤其是中小孔隙中。穿插于土壤孔隙中的植物根系从含水土壤孔隙中吸取水分，用于蒸腾。土壤中的水气界面存在湿度梯度，温度升高，梯度加大，因此水会变成水蒸汽蒸发逸出土表。蒸腾和蒸发的水加起来叫做蒸散，是土壤水进入大气的两条途径。表层的土壤水受到重力会向下渗漏，在地表有足够水量补充的情况下，土壤水可以一直入渗到地下水位，继而可能进入江、河、湖、海等地表水。土壤水分表示方法土壤中水分的多少有两种表示方法：一、以土壤含水量表示，分重量含水量和容积含水量两种，二者之间的关系由土壤容重来换算。二、是以土壤水势表示，土壤水势的负值是土壤水吸力。土壤水势土壤水势可细分为重力势、基模势和溶质势。土壤水分重力势以土壤水面与土表面相平时为0。水面高于土表面时为正值（此时也称为压力势）。水面低于土表面时为负值（土壤水吸力为正值）。土壤基模势指土壤中矿质颗粒表面和有机质颗粒表面对水所产生的张力。它的值永远是负值，即总是将土壤表面的水分向土体内吸进来。土壤水分溶质势与土壤溶液中所含溶质数量有关，溶质越多，溶质势越小（即越负）。土壤水分重要指标土壤含水量有三个重要指标：一、土壤饱和含水量，表明该土壤最多能含多少水，此时土壤水势为0。二、田间持水量，是土壤饱和含水量减去重力水后土壤所能保持的水分。重力水基本上不能被植物吸收利用，此时土壤水势为-0.3巴。三、萎蔫系数，是植物萎蔫时土壤仍能保持的水分。这部分水也不能被植物吸收利用，此时土壤水势为-15巴。土壤水分测量方法水分直接测量采用烘干法,张力计法,种子射线法，电阻法热扩散法等。（间接测量）电测量法：测土壤介电常数。TDR、FDR、脉冲核磁共振（PNMR）与微波遥感等。优点：响应速度快，重复性好，易于控制，便于观察和研究。缺点：无法消除由温度，电磁辐射，安装失误等引起的误差。土壤水分测量方法FDR（LC）LC共振电路测量土壤介电常数电路缺点：难以控制，耗电量大土壤水分测量（TDR）雷达和声纳是靠反射电磁波和声波，可在三维空间探测目标，时域反射计技术（TDR）也是靠反射信号，其原理与雷达、声纳类似，区别是TDR测量在传输线的一定距离上引起的反射信号，因而它是一维的。通过测量反射点至观测点的往返路径的传输时间可以测出距离通过观察入射波和反射波的形状和幅度可以确定传输线阻抗不连续的性质和数值TDR传输线是由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。TDR常用电路CS616利用TDR技术用来测量土壤或其他疏松介质含水量。CS616通过其探头测得被测物体的介电常数，从而算出含水量。CS616输出量是一个方波，这个方波可以被CR510,CR10X,CR23X,CR1000,和CR5000数采记录下来，然后通过计算和校正得出含水量，也可得出一个时期的含水量。CS616概述CS616主要参数尺寸:探测棒：长300mm,直径3.2mm,间32mm探头总尺度：110mm×63mm×20mm重量:探头（无电缆）：280g电缆：35g/m电学特性:P138指令测量时间：0.50毫秒P27指令测量时间：50毫秒输出:±0.7V方波，频率取决于含水量供电:12VDC，工作耗电65毫安等待耗电45毫安激发电压:最小4VDC，最大18VDC最大电缆长度：1000feet（305m）CS616主要参数探头个体差异：在干燥土壤里是±0.5%VWC，在典型饱和土壤里是±1.5%VWC精度：0.05%VWC分辨率：0.1%VWCCS616测量原理一种可能的测量电路设计电路分析电路中有一个双稳态多谐振荡器，多谐振荡器输出端和探针相连，振荡信号在探针上的传播时间与探针周围媒介的介电常数有关，而土壤的介电常数主要由土壤水分含量决定。时域反射法（TDR）是相对较新的土壤介电常数的测定，该法将已知长度的一对平行杆植入土壤中，然后测定沿杆发射的电磁脉冲的传输时间。采样区基本是围绕平行测杆的柱体，被检测的是大量的土壤体积。理论上，介电常数对土壤表面积很敏感。但时域反射法则不太敏感，也无需在土壤表面区进行校准。被广泛接受的土壤—水介电响应由Topp，Davis和Annan(1982)给出：CS616接线程序指令（CR1000）语法CS616(Dest,Reps,SEChan,Port,MeasPerPort,Mult,Offset)摘要该命令输出微秒级周期数据。Dest:变量名称，如果探头超过一个，应定义为数组Reps：探头数量。SEChan:测量单端模拟通道端口号码，如果探头超过一个，这个号码为第一个探头的测量端口号，其他探头测量端口依次排列。程序指令（CR1000）Port:使能端口（C口）号1ControlPort12ControlPort23ControlPort34ControlPort45ControlPort56ControlPort67ControlPort78ControlPort8MeasPerPort:使能端使用设置1将有4个C口打开，依次和CS616连接，探头数量不能超过4个2将打开两个C口，前两个探头用第一C口，后两个探头用第二C口44个探头公用一个C口Mult,Offset:倍数和补偿由标定结果确定程序指令（CR1000）变量‘DeclarePublicandDimVariablesPublicbatt_voltPublicPanel_tempPublicPeriod(8)PublicVWC(8)PublicFlag(1)DimI‘DeclareConstants‘CS616DefaultCalibrationConstantsconsta0=-0.0663consta1=-0.0063consta2=0.0007‘Flaglogicconstantsconsthigh=trueconstlow=false程序指令（CR1000）表格&主程序‘DefineDataTablesDataTable(Dat30min,1,-1)DataInterval(0,30,Min,10)Minimum(1,batt_volt,IEEE4,0,False)Average(1,Panel_temp,IEEE4,0)Sample(8,Period(),FP2)Sample(8,VWC(),FP2)EndTableBeginProgScan(5,Sec,0,0)‘scaninstructionsevery5secBattery(Batt_volt)PanelTemp(Panel_temp,250)‘Setflag1Highevery30min(Note:Usercan程序指令（CR1000）表格&主程序manuallysetflag1high/low)IfIfTime(0,30,min)Thenflag(1)=high‘+++++++++++++++++++++++++++IfFlag(1)=highThen‘measure8eaCS616probesonCR1000CS616(Period(1),4,9,7,4,1.0,0)‘measure4eaCS616probes,enablew/C7CS616(Period(5),4,13,8,4,1.0,0)‘measure4eaCS616probes,enablew/C8ForI=1to8‘convertCS616periodtoVolumetricWaterContentVWC(I)=a0+al*Period(I)+a2*Period(I)^2Nextflag(1)=low‘setFlag1=LowEndIf‘+++++++++++++++++++++++++++++++CallTableDat30min‘CallOutputTablesNextScanEndProgCS616响应曲线拟合公式CS616安装方法探测棒可以垂直插进土壤里，也可以埋在表层土壤里。将探测棒垂直插进土壤里，可以测得土壤表面30厘米以上的平均含水量。水平将传感器探测棒安装，可以测得垂直方向的土壤水流量。探测棒平面垂直于土壤平面水平安装可测该处土壤水含量。CS616误差及消除方法安装不当引起的误差探测棒的安装方法直接影响测量的精度。安装时应尽可能使两个探测棒平行，保持原设计几何尺寸。在土质比较坚硬的场所，建议采用1483或1484插入工具安装传感器。应尽量避免或减少其他传感器对CS616的影响，保持研究对象的原始结构成份。电磁辐射对它的影响CS616探测棒既是发射端，也是接收天线，电磁波对它有很大影响，安装时因使它远离电磁波源。信号衰减电磁波在导线中传播时会衰减（0.5dSm^-1至5dSm^-1）CS616误差及消除方法温度变化引起的误差及修正方法TDR测量对温度有很大的依赖性，以20摄氏度时为基准用修正公式来修正温度变化所引起的误差。谢谢！