可装配式土壤温度传感器设计与试验

　  摘 要：土壤温度是土壤墒情监测的重要参数之一，它影响着土壤中一系列的物理、化学和生物化学过程，并与作物生长、发育及生理过程关系密切。目前土壤温度测量技术与设备主要源于工业领域，应用比较成熟，但在农田土壤墒情、气象环境、水文、地理等领域具体应用过程中，存在结构针对性不足、敏感元件及探头选择盲目、测量方式不科学等问题。该文针对以上问题，在分析农田土壤温度测量特殊需求、常用传感器结构与特征、敏感元件选型的基础上，对土壤温度传感器进行优化设计，将感知区域缩短为 2cm，提出探头导管分离可装配式结构， 采用不同长度玻璃钢塑料管组合装配方式，能够灵活满足地温单点、多点、多层测量，并通过试验分析比较了该传感器与传统传感器在结构、封装材料、测量精度、测量插入方式的差异。结果表明，该传感器精度不超过±0.2℃， 20℃跨度响应时间小于 100s，水平、垂直测量差异稳定缩小到±0.2℃以下。该传感器减少了结构、封装、测量方式等因素的影响，提高了土壤温度测量科学性、准确性。

　　关键词：土壤；温度；传感器；精度；传感器结构

   　引言：土壤温度（简称：地温）是直接或间接影响植物生长和发育的重要环境因子。据研究土壤温度影响作物生理过程（根系对水分和养分的吸收）、外部形态与内部结构（植物根系的形成、种子萌发和出苗、作物的活性），对作物的播种早晚、分蘖消长、越冬安全和灌溉方式具有直接指导意义[1－3]。同时在生态模型建立与土壤分类过程中，土壤温度亦是重要参数和依据[4]。由此可见对土壤温度单层或多层监测，掌握其变化规律，对农业生产实时服务和理论研究都具有重要意义[5]。

　　目前土壤温度测量预报主要采用接触式、非接触式及模拟方式。其中模拟方式在气象、环境科学、遥感、水文等领域应用较为广泛，主要依据地面气候资料，采用相关算法与模型准确模拟预测土壤温度空间分布[6]；研究陆面过程解决陆面大气之间的物质和能量输送的准确计算，建立多层土壤热传导温度模式[7]；建立土壤温度时间序列预测的 BP 神经网络模型，相对误差在 20%内，平均相对误差为2.94%，满足土壤温度日常预报需求[8]。该方式能够很好的解决小区域及国家尺度宏观应用，但数据来源主要依靠接触式和非接触式物理方式感测。红外光非接触式测温主要用于土壤表层或浅层温度测量，精度一般在±1℃以上，价格相对昂贵，难以满足实际需 求。接触 式土壤温 度多采用 PT100/PT1000、热敏电阻（NTC/PTC）、热电偶[9]、数字集成式温度传感器（DS18B20）[10]等敏感元件通过外部不锈钢套管封装而成。美国 RhopointComponents[11]、德国 UMS[12]的土壤温度传感器都是采用以上结构，套管的长度对测量会产生影响， 一般推荐水平插入土层中确保探针环境一致。部分自制地温传感器采用热缩管防护[13] （荷兰Eijkelkamp），虽然有较高的响应速度，但在强度和防护上存在问题。

　　具体科学实验应用中郭文川等[14]采用北京迪辉公司的 DSW－T2 土壤温湿度传感器，其通过封装在较长探针中辅助校对土壤含水量的影响，具有较长的感知传导区域，测量方式采用垂直插入土壤，很多实验需要将探针水平插入土层中，由于探针较长、测量方式的不同对测量结果影响缺少相关研究；孙治强等[15]采用 CID 生态科学仪器公司 CB－0221  多点测温仪，量程：－40~60℃测量精度≤±0.2℃，用于土壤温度边际效应实验，部分实测值差异为 0.1℃，有可能是仪器的误差；张伟等[16]采用 WQG－16 量程-20～61℃地温表采用水银温度计分别测量地表下 5、10、15 和 20 cm 各层温度， 分度是0.5℃，但实际测量响应速度慢且15 和20 cm土层的测量数据有部分值非常接近，有可能是无效数据，可见在传感器选择上缺少依据和标准。

　　由此可见当前土壤温度传感器存在结构针对性不足、应用选择盲目、测量方式不科学的问题， 需要专门针对农业实际应用需求开发土壤温度传感器。本文通过试验数据及理论分析，明确了当前地温测量与传感器研制过程中在测量方法、封装方式、敏感元件及材料选型等方面存在的问题，对土壤温度传感器结构进行重新设计，采用不锈钢探头与玻璃钢套管分离结构，减小感测点面积，提供不同精度的敏感探头，从结构、敏感元件选择、性能参数上都得以提升，实现单点、多点、多层土壤温度准确测量，提高地温测量科学性和准确度。

　　1.土壤温度测量需求分析由于农作物主要根系分布在土壤深度 50 cm 内，单点测量一般测量深度小于 50 cm 即可。多层监测如土壤墒情监测，农业部《全国土壤墒情监测工作方案》（农办农[2012]14 号）规定对 10、30、50 和 80 cm 四个深度进行监测，其中 0～20 cm、20～40  cm  为必测层，播种出苗期需要加测 0～10 cm 土层[17]。同层多点测量根据土壤垂直结构、气候条件、作物集中连片、种植模式情况布点监测， 通常环境差异不大地区大田环境下 1 个监测点可以代表 5 万亩以上，设施生产环境单个棚 1～2 个监测点，以确保最少传感器反映最大面积土壤温度情况，使土壤温度监测更具有现实指导意义。

　　根据文献[18]，深圳地区夏季多层地温垂直结构日变化、地面温度及浅层土壤温度日变化较大， 地表最高温度达 59.0℃，10cm 土壤温度日变化为2.1～11.5℃，越往深层，深层土壤温度日变化很小，40 cm 土壤温度日较差 0.3～1.1℃，80 cm 以下土壤层温度日较差在 0.1～0.5℃。依据中国土壤系统分类课题组推荐的计算方法[19]，40 cm 以下土壤温度变化呈直线关系，地温变化小，对传感器要求严格， 准确度≦±0.2℃。中国东北、西北地区冬季气温较低，1 月份地表温度最低时可达－30℃，10cm 处地温最低在-10～-15℃之间[20]。

　　由以上数据可知，土壤温度传感器的量程需要在-40~80℃之间，精度和准确度≦±0.5℃，响应时间小于 1 min，完全密封不锈钢封装，信号输出可数字型（RS232/485、SDI－12、现场总线等）或模拟型（0～5V，4～20 mA）。具体传感器选择需要根据测量地点气候、环境、安装、采集方式对量程、精度、线缆长度、采集设备等做出合理选择。

　　2.当前土壤温度传感器应用分析2.1敏感元件选择与应用分析目前常用敏感元件都能够满足土壤温度测量需求。热电偶、RTD（resistance temperature detector）、热敏电阻通过相关调理电路及校对算法可以达到较高的精度。其中热电偶需要温度补偿电路以提高测量电路，对传感器接口及接线方式都一定的要求；RTD 常用型号有 PT100、PT1000 具有高精度、稳定性好、抗干扰能力强等优点，其调理转换电路可采用恒流源或桥式方案，精度可达到 0.2℃以下，如需更高精度需要增加微处理器采用查表校对；热敏电阻由于其阻值较大，信号调理电路相对简单，为了提高测量精度需要微处理器进行校对。数字集成式温度传感器将敏感元件、调理电路集成在 IC 上，大幅度降低应用成本，很多产品准确度在±0.5℃以上， 常用的 DS18B20[21]在－10~85℃之间准确度低于±0.5℃，美国 IST 公司的数字温度传感器 Tsic506[22] 在 5～45℃间有±0.05℃精度，-5～5℃、45～55℃ 典型精度达±0.1℃，比较适合较高精度需求以及深层土壤温度感测。美国 AD 公司的 ADT7420 具有类似高精度但价格偏高[23]。

　　综上分析可知，RTD、集成式数字传感器具有较高的精度与稳定性、成本控制方面具有较大的优势，在实际监测过程中应用普遍。

　　方便插入土中；密封材料多采用硅胶、环氧树脂、704 胶等导热不导电密封胶，在密闭防水的基础上提高传感器响应速度，一般经过封装的温度传感器在土壤中的响应速度小于 30 s；塑料密封件用于连接通讯线与不锈钢套管的连接设备，可用塑料模具亦可用热缩管密封[13]，进一步保护测温探头；线缆探头部分如果采用 RTD 则需要考虑线缆长度对信号的影响，数字传感器则需要考虑信号完整性。部分产品在此处增加辅助装置，如 Bio  InstrumentsS.R.L. 的土壤温度传感器 ST－21P 增加塑料手柄以提高安装便捷性[24]；部分厂家提供专用取土设备为深土层测量提供便利。

　　3装配式土壤温度传感器设计在明确了当前地温测量与传感器研制过程中的测量方法、封装方式、敏感元件及材料选型等方面存在的问题，本文设计了一种可装配式土壤温度传感器，该传感器通过不同搭配组成单点地温传感器、多层地温传感器，同时能够方便实现不同深度准确测量，减少感温点传导面积，提升传感器响应时间和土壤温度测量准确度。

　 传感器由不锈钢金属套头、玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)管、中间感温管、采集变送及防水接头组成，相互之间通过 O 形圈旋转挤压装配构成；内部放置电路板并灌封环氧树脂，温度感知芯片封装在金属套头和中间不锈钢管件中，螺纹长度为 15 mm，感温长度为2 cm，能够切实感知探头附近的温度，避免传统方式长金属套管由于温度传导导致测量不准确。

　　估算或破坏土层结构进行测量；信号采集与变送部分封装于末端玻璃钢，用于向外提供电流、电压或者数字信号；整体结构完全密封，防水防尘等级达到 IP67[25]，亦可在螺纹处缠绕生带和防水胶用于液体环境测量；传感器采用材料具有一定的硬度，一般土壤不需要取土工具即可安装，同时玻璃钢材料具有较低的导热系数使其不会影响传感器温度获取，为了进一步减小传热影响，可以在玻璃钢外加一层橡胶管。

　　3.2电路构成感知探头选择数字式集成传感器 ADT7420 或者 DS18B20 满足应用对不同精度的需求。当需要单点测量对精度要求不高时选择 DS18B20，如果需要对多层土壤温度测量时则选择更高精度的ADT7420。这 2 种探头分别具有 Onewire、I2C 总线， 单个总线上可以挂接多个探头，利用该特性采用四段耳机插头和座将多个探头串接一体，探头共同供电和共地，单个或 2 个信号线连接到总线上，同时满足旋转装配信号的完整性，每段通过耳机孔座旋转挤压连接而成，所有温度探头挂接到总线上，最后与变送板连接。

　　采集变送部分为传感器提供 3V 电源、获取每个探头的数值并转换 RS485 接口或单点 4~20m 电流信号，方便与其它数据采集器连接。

　　3.3通讯协议传感器采用 Modbus 协议[26]，支持 0x03 读取数据指令，采集变送板上通过拨码开关设置传感器种类不同传感器数量有不同的设置，数据采集设备只需要读取寄存器 3 以后的数据，通过转换即可获得地温数据，共支持 16 个传感器数据获取。

　　地温传感器通讯协议4.试验与分析备分辨率为 0.1℃，其准确度满足大部分应用。4.2响应时间测试传感器采用美国 Maxim-IC  的数字温度探头DS18B20（Ta1，Ta2，可装配式探头，环氧树脂灌胶）、RTD PT100（Tb1，Tb2，长度 10cm 不锈钢套管，环氧树脂灌胶）、美国 IST 公司高精度数字探头 Tsic506（Tc，长度 10cm 不锈钢套管，704 导热胶封灌），采用北京农业信息技术研究中心的数据采集仪（温室娃娃）连接可装备式探头和 Tsic506，无纸记录仪（天津森斯特，MR3300）连接 PT100，采样间隔为 15 s。通过仪器商提供的数据分析软件获取采集的数据，试验重复 3 次，取平均值。试验地点在农业部小汤山精准农业与生态环境重点试验站，分别对传感器精度、响应时间、测量方式影响开展试验。

　　4.1传感器精度校准将传感器 Ta1、Tb1、Tc 送到北京市计量检测科学研究院检测，参照 JJG 205－2005 《机械式式温湿度度计》国家计量检定规程，采用精密露点仪（不确定度 U=1.0%，准确度 U=0.15℃），相关标准可溯源至温度国家基准[27]，分别选择－20、－10、0、10、20、30、40、50、60、70、和 80℃共 11 个标准点，当精密露点仪到达标准点稳定 3min，分别读取地温传感器数据 3 次，取平均值。具体校注：Ta1、Tb1、Tc 分别采用敏感元件DS18B20、PT100、Tsic506。Note: Ta1、Tb1、Tc using sensor DS18B20、PT100 and Tsic506.

　　地温传感器校准图Fig.4 Calibration diagram of soil temperature当标准温度高于 50℃或低于 0℃ 时偏差会逐渐增大，使用时需要根据传感器在全量程中的准确度做出选择以满足实际测量需求。Tc 未能达到数据手册标称的±0.05℃，但其准确度相对 Ta1 较好。由于 PT100 连接的无纸记录仪标称精度达±0.5℃，从全量程校数据看都能够满足其精度，如果能够对电路和校对程序进行修订，可以获得更好的测量精度。装备式传感器 Ta1 在 0～40℃ 中准确度达±0.1℃，40～80℃准确度低于±0.1℃， 零下温度准确度在标称的±0.5℃附近，由于校对设环境温度为（22±0.5）℃时将传感器 Ta1，Tb1，Tc 从室温放置于温度为（6±0.5）℃的环境试验箱， 相关温度响应曲线。

　　土壤温度传感器响应时间测试Fig.5 Response time diagram of soil temperature传感器响应时间与其封装材料密切相关，Tc 稳定时间达到 200s 以上，Ta1，Tb1 响应时间 150s 左右。这是由于环氧树脂具有较好的传热响应，而 704 胶（硫化硅橡胶）初期温度响应较慢，而在实际应用过程中土壤温度变化比较平缓， 在线监测一般需要 30s 左右的稳定时间，如果环境突变则需要充分考虑探头的响应时间。

　　℃跨度内响应时间小于 100s，如果需要更快的响应时间需要寻找导热系数更高的密封材料或者让探头直接接触被测物体。

　　4.3不同测量安装方式对测量结果的影响将传感器 Ta1，Tb1 水平插入土壤 10 cm 深度， Ta2，Tb2 垂直插入土壤确保探头感知部分位于10 cm，2014 年 7 月 3 日从早上 9 点到 11 点的数据注：Ta1，Ta2 为敏感元件DS19B20，Tb1、Tb2 采用 PT100。Note: Ta1、Tb2using sensor DS18B20, Tb1,Tb2 using sensor PT100.

　　土壤温度传感器不同测量方式的影响可装配式土壤温度传感器设计与试验采用金属套管的 PT100（Tb1,Tb2）所测的值有明显差异，垂直监测会将其它土层的温度在金属管上传导影响其测量结果，Tb1 水平和垂直测量差异性已经超过其测量误差，最大达到 0.6℃，金属部分越长差异性越大，安装时需要水平插入土中能够满足测量需求。装配式传感器缩短了传感器的感知区域，减少温度传导，其相互差异被缩小到 0.2℃以下，直接垂直插入土中即可，为设备安装带来便利。

　　4.4多层土壤温度在线测试将装配式土壤温度传感器 Ta1  分别在线测量越接近上层变化幅度越大，80cm 土层温度几乎没有变化，为了准确反映深土层温度，土层越深传感器精度需要进一步提高才能满足需求。

　　5结论本文通过分析土壤温度测量需求、原理、传感器结构构成，提出具体应用对土壤温度传感器选择的要求和应用依据；设计了装配式土壤温度传感器，通过选择装配方式对土壤温度进行单点、多点、多层测量，并进行了试验验证。

　　试验结果表明，传感器垂直插入与水平插入对测量结果有较大的影响；单点或多层试验对传感器的精度要求不同；封装结构将传感器响应时间减少到 100 s 以下、水平、垂直测量差异稳定缩小到±0.2℃以下，不同敏感探头的选择土壤温度测量精度≤±0.2℃。很好地解决了土壤温度测量存在选择盲目，测量方法、结构不合理等问题，为土壤温度监测提供可靠方法和解决方案，具有较好的推广应用前景。

　　[参 考 文 献]

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