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土壤水分测试仪是如何进行校准工作

来源： http://m.polyscience.com.cn/ 　类别：技术文章　更新时间：2013-09-22　阅读次

进行农业种植，需要了解自家耕地里面土壤的水分含量，以前科技不发达的时候，一般是借助肉眼观察，手触摸这些简单的感官方式，随着社会发展，一些精密仪器相继被研发出来，土壤分析仪，土壤水分测试仪等，被应用在农业生产上，为农业现代化生产做出来巨大贡献。这些仪器在研究的时候，碰到很多难题，不过都被我们的科学家一一解决，尤其是在进行仪器校准方面方案的解决，下面为大家详细介绍一下土壤水分测试仪是如何进行校准工作。
　　土壤水分测试仪的原理和组成：土壤水分测试仪是利用FDR原理，使用稳定可靠的高精度传感器，根据探测器发出的电磁波在不同介电常数物质中的反射不同，计算出被测物含水量。现在市场上该设备的测量范围一般为0～100%，准确度一般为±2%。
　　土壤水分测试仪包含探头（传感器）、探测系统、手持信号处理与显示系统、通讯电缆、配套软件系统等4个部分，如图1。

图1 土壤水分测试仪组成框图

　　土壤水分探头（传感器）工作原理，土壤水分探头由一个内含电子器件的防水室和与之一端相连的4个不锈钢针的成型探针组成，这些探针直接插入土壤。探头尾部的电缆线连接适宜的电压源和输出模拟信号。水分探头是一种采用模拟信号处理的设备，不断产生电信号和以电压比表示的土壤性质。特殊设计的传输线产生高频信号，测量土壤参数。传输线的阻抗随土壤阻抗变化而变化。阻抗包括表观介电常数和离子传导率。选用电信号的频率使离子传导率的影响最小，以使传输线阻抗变化几乎仅依赖于土壤介电常数的变化。这些变化产生一个电压驻波，驻波随探针周围介质的变化增加或减小晶体振荡器产生的电压。输出电压在0～1V（DC）表示土壤介电常数在1～32之间。这一范围代表一般矿质土壤的容积含水量0.5m3/m-3。
　　信号处理与显示系统采用微处理器进行控制、运算、存储。16位精度的AD变换器，使测量显示精度提高，并由一个32位的液晶显示器显示测量结果。在对土壤水分进行测量时，仪表可以直接显示容积含水量。湿度探头采用高频技术对被测介质的相对介电常数Ka进行测量。根据不同含水率土壤对应探头检测的不同模拟信号（毫伏电压信号），对无机土壤进行了严格的标定，然后把制作的标准曲线（含水率-毫伏电压信号）作为标准曲线，经过数据处理后，直接把含水率显示出来。
　　土壤水分测试仪的校准原理，从该设备的组成及工作原理联想到，可以用校准该设备的电量变化准确性来校准该设备的准确性。但是，设备电量信号的准确性只能说明该设备内部信号处理方法的准确性，不能完全说明该电量信号是否真实地反应了相应变化的实际土壤水分的准确性，所以用校准电量来校准该设备的方法不完全正确。那么，只好把该设备测定的土壤含水率与用干燥法测定的含水率进行比较，也就是采用比较法对该设备进行校准，从而确定该设备测量结果的准确性。
　　土壤水分测试仪校准数据的处理，采用比较法对设备的校准，首先考虑的是该数据是否线性相关，如果是线性相关就可以计算出一条修正曲线和修正公式。
　　相关关系是一种非确定性的关系，相关系数r是研究变量之间线性相关程度的量。相关系数的性质为|r|≤1，即相关系数r取值在-1到1之间。r=0时，称x，y两变量不相关；|r|=1时，称x，y完全相关，此时，x，y之间具有线性函数关系；|r|＜1时，x的变动引起y的部分变动，r的绝对值越大，x的变动引起Y的变动就越大；|r|＞0.8时称为高度相关，当|r|＜0.3时，称为低度相关，其他为中度相关。相关系数的计算公式为：

相关系数的计算公式

　　在本文中，取10个土壤标样，先用土壤水分测试仪测定出结果（用x表示），然后把这些样品再用干燥法进行测量，测出结果（用y表示），算出误差。测量结果见表1。

表1 土壤水分测试仪测定结果和干燥法测定结果

把表1的数据代入公式（2）、（3）、（4），可以得出

x，y两个变量间线性相关关系是属于中度相关

x，y两个变量间线性相关关系是属于中度相关，但是很靠近低度相关。也就是说，用土壤水分测试仪与干燥法测定土壤水分，两方法测定的结果相关性属中等，所以对该设备的测量数据没有办法给出修正公式或修正直线。校准时，只能是选择用户最需要使用的范围进行一系列数据校准，根据其误差进行数据处理修正。
　　通过对土壤水分测试仪原理和结构组成的说明，同时通过从理论和实际测量结果对校准方法进行研究。对土壤水分测试仪的校准方法，就是将其测量结果与干燥法测量结果进行比较，计算出误差，然后根据误差的结果进行修正溯源。