四端法土壤电导率原位快速检测传感器设计与试验

摘要

实现土壤电导率的快速获取可为农业生产精准管理提供有效的数据支撑.目前,田间电导率采集在农业生产前进行,需要专门的电导率检测设备对种植田块开展大范围数据采集并生成电导率空间分布图,该方式操作繁琐、费时费力,同时检测的电导率值由于时间滞后原因,难以准确反映农业生产各环节(如播种)实施过程中的真实电导率情况.针对上述问题,基于交流"电流-电压"四端法原理,该研究设计了一种土壤电导率原位快速检测传感器,用于搭载在不同的农业生产机具上,实现土壤电导率的实时检测与作业参数的在线调整.该传感器以STM32处理器为核心,配合电源电路、交流信号源电路、有效值检测电路及其他外围电路搭建了硬件及软件架构,同时集成了信息的实时检测与显示、定时存储与无线传输等功能,实现了土壤电导率的原位高精度获取.传感器标定试验及工作稳定性试验结果表明,传感器输出值与DDB-303A电导率仪测得的电导率值呈明显线性关系,线性拟合R2为0.995,且在不同电导率水平下,连续测量的标准偏差均小于0.76μS/cm,具有较高的准确性及工作稳定性.与JXBS-3001传感器在实验室条件下(温度25°C),对配置的不同电导率浓度土样(含水率<15％)检测的对比试验结果表明,所设计的电导率传感器的测量误差及响应时间更低,绝对误差为-5.9～19.4μS/cm,相对误差为-1.05％～2.39％,响应时间小于2.01 s.利用电导率传感器在现场(温度20.6°C)对地块不同位置测量的绝对误差为-11.36～25.30μS/cm,相对误差为-7.91％～7.88％.综合而言,该研究所设计的土壤电导率传感器能快速准确的检测土壤电导率信息,可为无人农场的土壤信息采集提供一种高精度的检测工具.