機(jī)械外文文獻(xiàn)翻譯--電容層析成像(ECT)傳感器檢測(cè)土壤水分【中文6600字】 【PDF+中文WORD】
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【中文6600字】
電容層析成像(ECT)傳感器檢測(cè)土壤水分
Nurzharina Binti Abd. Karim
國(guó)油大學(xué)電氣和電子工程系
31750 Tronoh, Perak Darul Ridzuan, Malaysia
zharinabdkarim@gmail.com
Idris Bin Ismail
國(guó)油大學(xué)電氣和電子工程系
31750 Tronoh, Perak Darul Ridzuan, Malaysia
zharinabdkarim@gmail.com
摘要 - 本文簡(jiǎn)要討論了使用電容層析成像(ECT)技術(shù)測(cè)量土壤濕度分布。具有12個(gè)電極的ECT傳感器用于介電常數(shù)分布的可視化測(cè)量。 ECT傳感器使用低介電常數(shù)材料和高介電常數(shù)材料進(jìn)行校準(zhǔn),即分別是干沙和飽和土(沙和粘土)。記錄獲得的測(cè)量結(jié)果并通過(guò)使用線性背投影(LBP)圖像重建進(jìn)一步分析。初步結(jié)果表明,與水量增加呈正相關(guān)。
關(guān)鍵詞 - 土壤水分分布; ECT傳感器;介電常數(shù);體積含水量
1.簡(jiǎn)介
估計(jì)土壤含水量對(duì)農(nóng)業(yè)尤其重要,尤其是在灌溉調(diào)度期間。灌溉過(guò)程中土壤水分百分比的變化可以通過(guò)指示施用于土壤的水量來(lái)控制。連續(xù)監(jiān)測(cè)生根區(qū)內(nèi)和生根區(qū)以下的土壤水分含量可以促進(jìn)最佳灌溉調(diào)度,旨在最大限度地減少水分脅迫對(duì)植物的影響,以及將根部下方的水浸出,從而可能產(chǎn)生不利的環(huán)境影響[1]。
在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)工作中,ECT用于根據(jù)土壤中水分分布的圖像來(lái)測(cè)量土壤含水量。土壤濕度測(cè)量基于干燥材料中介電常數(shù)的概念,土壤顆粒和空氣相對(duì)較?。?.5至4),而介電常數(shù)較大(室溫下為80)[15]。土壤中的少量水分使得土壤 - 水 - 空氣混合物的介電常數(shù)表現(xiàn)出復(fù)合介電常數(shù),通過(guò)簡(jiǎn)單的校準(zhǔn)程序可以與土壤含水量相關(guān)[15]。
時(shí)域反射法(TDR)法,頻率域反射法(FDR)法,幅度域反射法(ADR)法和電容法是目前用于介電常數(shù)電測(cè)量的方法[12]。例如。 TDR儀器使用測(cè)得的脈沖傳播時(shí)間來(lái)確定表觀土壤介電常數(shù)[14]。一些研究人員發(fā)現(xiàn),在寬范圍的土壤水分含量范圍內(nèi),電容探針?lè)ㄅc土壤類(lèi)型無(wú)關(guān)[2]。然而,這些方法不能確定土壤中水分的圖像分布。在ECT中,介電常數(shù)材料的圖像分布可以以圖像像素的形式看到,取決于從最低值到最高值的介電常數(shù)材料的比例。自20世紀(jì)80年代以來(lái),ECT開(kāi)始用于使用多電極電容傳感器可視化和測(cè)量橫截面的介電常數(shù)分布[21]。 ECT傳感器測(cè)量絕緣框架內(nèi)土壤水分的介電常數(shù)分布,并捕獲圖像分布和測(cè)量數(shù)據(jù)。
2.土壤濕度
土壤含水量直接影響作物生長(zhǎng),也影響施用于土壤的農(nóng)藥的命運(yùn)[20]。管理灌溉計(jì)劃的關(guān)鍵部分之一是確定土壤中的含水量。 Zazueta和Xin(1994)報(bào)道,通過(guò)測(cè)量植入土壤中的電極對(duì)之間的電容,可以通過(guò)其對(duì)介電常數(shù)的影響來(lái)確定土壤水分含量[7]。除此之外,土壤物理狀況在土壤水分測(cè)定中起著重要的作用。在正常的土壤條件下,空氣和水填充在土壤的孔隙中,因此可以測(cè)量土壤 - 水 - 空氣混合物的介電常數(shù)。空氣的介電常數(shù)是1,而水的介電常數(shù)是80(室溫)。當(dāng)孔隙空間中的含水量增加時(shí),土壤的介電常數(shù)將增加。圖1表明非飽和土由固體顆粒,有機(jī)物和孔隙組成[4]。土壤的孔隙空間包含空氣,水和根。
圖1.土壤物理圖解包含土壤顆粒,水,空氣和植物的根[4]。
ASTM D4643-08中所述的含水量術(shù)語(yǔ)是給定質(zhì)量土壤中“孔隙”或“自由”水的質(zhì)量與固體顆粒質(zhì)量的比率,用百分比表示[19]。通過(guò)了解土壤的土壤物理狀況,可以分析土壤中的水分含量。土壤的容重,Db是干土對(duì)單位體積(固體和孔隙)的重量。顆粒密度Dp包括測(cè)量干燥土壤和體積土壤顆粒的重量,即僅固體和無(wú)孔隙空間。從體積密度和顆粒密度值來(lái)看,土壤孔隙度可用公式(1)[6] [17]計(jì)算:
水分含量,θm決定了給定土壤質(zhì)量的水量。水分含量通過(guò)土壤中水分的重量除以干土的重量來(lái)計(jì)算。 (2)[6] [17]可以用體積含水量θv來(lái)確定單位體積含水量的含水量:
根據(jù)體積含水量和土壤孔隙度的比率,可以計(jì)算出充滿水的孔隙的量,即土壤飽和度。
3.ECT
圖2所示的ECT系統(tǒng)由ECT傳感器和12個(gè)電極組成,其中土壤水分電極作為檢測(cè)裝置,數(shù)據(jù)采集單元處理數(shù)據(jù),個(gè)人計(jì)算機(jī)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ),圖像處理和顯示。在ECT中,測(cè)量了由于介質(zhì)材料在該區(qū)域中的濃度和/或分布的變化而引起的電極間電容的變化,并且重構(gòu)了代表管道或容器內(nèi)的介電常數(shù)分布的橫截面圖像。
圖2. ECT系統(tǒng)
A.ECT傳感器
在設(shè)計(jì)ECT傳感器時(shí)需要考慮幾個(gè)組件。 ECT傳感器由四個(gè)主要部分組成[21]:
l 測(cè)量電極
l 外部,軸向末端和徑向屏幕
l 一個(gè)絕緣框架
l 同軸電纜和連接器
基本方法是用一組電極(金屬板)圍繞容器或絕緣框架,并且在每對(duì)獨(dú)特的電極之間測(cè)量電容測(cè)量值。通常,ECT傳感器的測(cè)量電極放置在具有兩個(gè)軸向端部和外部屏幕的絕緣框架外部。測(cè)量電極兩端的兩個(gè)接地軸向端屏可以在一定程度上降低外部噪聲,并且對(duì)電容測(cè)量產(chǎn)生負(fù)面影響,因?yàn)殡妶?chǎng)被拖曳到接地的軸端屏幕[21]。使用同軸電纜和連接器將ECT傳感器連接到數(shù)據(jù)采集單元。 ECT中的關(guān)鍵要素是電極的數(shù)量,電極的長(zhǎng)度,外部或內(nèi)部電極,接地屏幕和驅(qū)動(dòng)保護(hù)電極。 Yang(2010)[21]討論了ECT傳感器中關(guān)鍵元素的細(xì)節(jié)。
在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)工作中,12個(gè)電極的ECT傳感器被構(gòu)建為電極長(zhǎng)度為10.0cm和1.0cm寬度,并且一對(duì)電極之間的間隔為0.6cm。電極安裝在6.0cm直徑的絕緣框架外部。傳感器中有兩個(gè)軸端作為接地部分。外部接地屏蔽材料是鋁。作為接地目的,外部屏蔽與兩個(gè)軸向端連接。 ECT系統(tǒng)中的兩種類(lèi)型的測(cè)量是校準(zhǔn)和在線測(cè)量。 ECT傳感器使用低介電常數(shù)材料(干土)和高介電常數(shù)材料(飽和土)兩種不同的測(cè)試介質(zhì)進(jìn)行校準(zhǔn)。在線測(cè)量時(shí),ECT傳感器充滿土壤,已知量的水添加到土壤中。
在較低和較高介電常數(shù)材料中的校準(zhǔn)分別給出越來(lái)越高的電容(Cl和Ch)值,而在線測(cè)量給出所測(cè)量的電容值Cm。隨后將所有隨后測(cè)量的電容值Cm歸一化以具有值“Cn”(當(dāng)傳感器完全充滿較低介電常數(shù)材料時(shí))和“1”(當(dāng)完全充滿較高介電常數(shù)材料時(shí))之間的值,根據(jù)等式3)[22]:
B.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集單元測(cè)量電極對(duì)之間的電容并將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像電容率分布。高速USB電纜將數(shù)據(jù)采集單元連接到控制計(jì)算機(jī)。然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ),處理和顯示。根據(jù)Yang(2010)的研究,為了獲得一幅圖像的完整數(shù)據(jù),電極1用于激勵(lì),電極2-12用于檢測(cè),獲得11個(gè)電容測(cè)量[21]。獨(dú)立電容測(cè)量的數(shù)量可以通過(guò)N(N-1)/ 2來(lái)計(jì)算,其中N是電極的數(shù)量基于獨(dú)立電容的數(shù)量測(cè)量方程,ECT傳感器中有12個(gè)電極有66個(gè)獨(dú)立電容測(cè)量。
4.影像重建
將12個(gè)電極中的介電常數(shù)分布的圖像投影到(32x32)正方形像素網(wǎng)格上。在(32x32)正方形像素網(wǎng)格上有1024個(gè)像素,但只需要812個(gè)像素來(lái)構(gòu)建血管的橫截面圖像[18]。由于它們位于測(cè)量區(qū)域之外,因此具有812個(gè)像素,因此剩余的像素未被使用。所使用的色標(biāo)從藍(lán)色到紅色,即“0”到“1”,以指示較低介電常數(shù)材料與較高介電常數(shù)材料的范圍。在ECT中,兩個(gè)電極之間的測(cè)量電容可以用下面的積分方程(4)表示[11]:
最常用的ECT圖像重建算法之一是LBP算法,因?yàn)樗亲詈?jiǎn)單,最快速的圖像重建系統(tǒng)。 LBP已經(jīng)被實(shí)現(xiàn)來(lái)重建使用12個(gè)電極和基于換能器的多處理器系統(tǒng)的ECT傳感器的圖像[3]。通過(guò)LBP,可以確定ECT中的介電常數(shù)分布。這種關(guān)系可以用線性標(biāo)準(zhǔn)化的形式來(lái)看,如式(5)[11]所示:
其中C是歸一化電容矩陣,S是包含每個(gè)電極對(duì)的靈敏度矩陣組的傳感器靈敏度矩陣,G表示歸一化電容率。G的乘積是傳感器靈敏度矩陣的轉(zhuǎn)置與歸一化電容矩陣的乘積。
5.介電常數(shù)測(cè)量
對(duì)于土壤測(cè)量,介電常數(shù)是土壤電容除以自由空間的介電常數(shù)之比。含水量變化與介質(zhì)介電常數(shù)之間的關(guān)系取決于土壤類(lèi)型和測(cè)量?jī)x器的頻率范圍[1]。從含水量和介電常數(shù)的關(guān)系來(lái)看,存在一些經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?。如方程?)[9]所示,導(dǎo)出了與體積含水量和材料介電常數(shù)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式:
其中θv是體積含水量,εa是材料的介電常數(shù)。例如?;诟鶕?jù)土壤質(zhì)地的校準(zhǔn)系數(shù),對(duì)于大多數(shù)砂土,A = -8.63,B = 3.216,C = -9.54x10-2和D = 1.579x10-3的參數(shù)值。參數(shù)A,B,C和D對(duì)于不同類(lèi)型的土壤質(zhì)地是不同的,并且難以分析。 Topp等人(1980)方程被用來(lái)為土壤之間的比較提供基礎(chǔ)[13]。 Topp等人的經(jīng)驗(yàn)公式(1980)一般適用于粗粒礦物土[20]。在經(jīng)驗(yàn)關(guān)系中使用從0到0.55范圍內(nèi)的體積含量。此外,它還廣泛用于使用TDR和烘箱干燥確定土壤中的體積含水量和介電常數(shù)。方程(7)顯示了基于體積含水量和介電常數(shù)的三階多項(xiàng)式關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)方程,其由等式(7)表示[8] [10] [15] [20]:
同時(shí),大多數(shù)土壤體積含水量的標(biāo)定關(guān)系用方程(8)[14] [20]中的折射率模型表示:
a和b參數(shù)的系數(shù)值落在TDR校準(zhǔn)范圍內(nèi),并且a = 0.110和b = -0.180的平均值[14]。根據(jù)公式(8)[20],通過(guò)最小化預(yù)測(cè)的介電常數(shù)和介電常數(shù)之間的平方差的和來(lái)獲得折射率模型。折射率模型是作為比較不同個(gè)體土壤校準(zhǔn)參考的基準(zhǔn)方程[14]。對(duì)于Topp等人。(1980)經(jīng)驗(yàn)方程和折射率模型方程,只考慮介電常數(shù)的實(shí)部。土壤容重和水分含量用于計(jì)算體積含水量值。
6.實(shí)驗(yàn)說(shuō)明
近30年來(lái),表觀土壤電容率與體積含水量之間的關(guān)系一直是研究的主題[5]。實(shí)驗(yàn)工作已在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,采用ECT系統(tǒng)作為測(cè)試儀器。根據(jù)設(shè)備上的平面布置,ECT傳感器通過(guò)使用連接器連接到數(shù)據(jù)采集單元,該連接器通過(guò)ECT傳感器中的電極通過(guò)用于1至12個(gè)電極的同軸電纜連接。校準(zhǔn)過(guò)程從校準(zhǔn)低介電常數(shù)材料即干燥土壤開(kāi)始,并繼續(xù)使用較高介電常數(shù)材料即飽和土壤。如(3)所示,為了測(cè)量歸一化電容值Cn,此校準(zhǔn)非常重要。校準(zhǔn)也用作在線測(cè)量數(shù)據(jù)的最低和最高設(shè)定值。
在線測(cè)量是在校準(zhǔn)測(cè)量完成后進(jìn)行的。 ECT傳感器充滿干燥的土壤,即沙子或粘土(填充在絕熱框架內(nèi),如圖3所示)。在ECT傳感器中的土壤中加入一定量的水,即10ml,20ml ......和400ml。數(shù)據(jù)以10秒的時(shí)間間隔捕獲。數(shù)次重復(fù)相同的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)比較和分析。從ECT中的土壤濕度分布圖像中,通過(guò)參考從“0”到“1”的色標(biāo)來(lái)計(jì)算圖像像素中土壤濕度的百分比。使用水分百分比和體積密度來(lái)計(jì)算測(cè)試土壤的體積含水量θv。
除此之外,烘箱干燥法是確定土壤含水量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。烘箱干燥技術(shù)可能是用于測(cè)量土壤濕度的所有重量分析方法中使用最廣泛的方法[7]。微波加熱是由于材料的偶極分子與交變的高頻電場(chǎng)之間的相互作用而在材料內(nèi)引起熱量的過(guò)程[19]。在烘箱干燥法中,將土壤樣品在微波爐中以105oC的溫度干燥24小時(shí),以確保樣品土壤中不存在水分。測(cè)量干土的重量以及濕土的重量。根據(jù)ASTM D4643-08,土壤的含水量可以通過(guò)公式(9)和(10)來(lái)計(jì)算[19]:
其中w可表示為θm,即含水量,mc是容器的質(zhì)量(g),m1是容器和濕土的質(zhì)量(g),m2是容器和干土的質(zhì)量(g)。從(9)和(10)中,將水分含量值代入(2)中,通過(guò)知道土壤容重來(lái)計(jì)算體積含水量θv。 ECT和烘箱干燥方法在線測(cè)量的體積含水量可以代入經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算介電常數(shù)測(cè)量值。
7.結(jié)果
A.ECT校準(zhǔn)測(cè)量
斷層圖像具有其獨(dú)特的色標(biāo),即指示“0”(低介電常數(shù)材料)的藍(lán)色和指示“1”(高介電常數(shù)材料)的紅色。在藍(lán)色到紅色之間,還有其他顏色表示從大約0.001到0.999的不同比例。圖3顯示了使用干砂和飽和砂進(jìn)行高校準(zhǔn)的較低校準(zhǔn),而圖4顯示了校準(zhǔn)的圖像。
圖3.沙子的低和高校準(zhǔn)。
圖4.低和高校準(zhǔn)圖像。
B. ECT在線測(cè)量
在線測(cè)量中,土壤中不同體積含水量的土壤濕度分布可以在表1中得到驗(yàn)證。本次測(cè)量所用的土壤類(lèi)型為砂
和粘土。在該圖像分布中,色標(biāo)表明,ECT傳感器中的電極的靈敏度取決于土壤中水和空氣的體積。隨著加水量的增加,水分百分比增加,色標(biāo)向“1”或紅色顯示,表明測(cè)試土壤的介電常數(shù)值較高。它表明,當(dāng)土壤的孔隙空間時(shí),土壤達(dá)到飽和值充滿了水分。從表1所示的圖像中可以看出,沙中的水分分布比粘土均勻分布。這是由于土壤屬性本身,其中沙子具有較大的土壤顆粒和允許水容易地流過(guò)它的孔隙空間。與此同時(shí),在粘土中,水分很難分散水量。較高體積的粘土和較少量的水的混合物導(dǎo)致可以成形的混合物。
表1土壤水分分布在ECT中的圖像
水量(ml)
ECT圖像分配
ECT圖像像素中水分分布的百分比(%)
沙
黏土
沙
黏土
0
0
0
80
18.09
17.03
160
36.22
33.43
240
56.88
51.50
320
78.13
72.65
400
97.30
91.02
從表1中的ECT圖像分布中,當(dāng)80ml水被添加到干砂中時(shí),通過(guò)計(jì)算ECT圖像像素中的色標(biāo)比,獲得的水分分布百分比為18.09%。色標(biāo)的變化表明在該特定區(qū)域存在含水量。當(dāng)添加56.88%的沙子中的水分百分比時(shí),即添加240ml水時(shí),色標(biāo)變?yōu)榧t色。這個(gè)結(jié)果表明,隨著沙中水的添加量的增加,水分的百分比增加。當(dāng)沙中的孔隙充滿水時(shí)就會(huì)顯示飽和度。對(duì)于粘土中水分分布的圖像,水分的百分比低于沙子。粘土晚于沙子達(dá)到飽和水平。在這種情況下,當(dāng)粘土中加入400ml水時(shí),圖像分布顯示粘土未達(dá)到其飽和水平。
圖5.介質(zhì)常數(shù)與體積含水量的關(guān)系圖。
圖6.粘土的介電常數(shù)與體積含水量圖。
介質(zhì)常數(shù)與體積含水量之間的關(guān)系可以從圖5和圖6中看出。介電常數(shù)隨著體積含水量的增加而增加。通過(guò)使用經(jīng)驗(yàn)公式,烘箱干燥法和ECT傳感器在線測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從圖5和圖6中,在線測(cè)量數(shù)據(jù)由經(jīng)驗(yàn)?zāi)P头匠汤L制。在線測(cè)量數(shù)據(jù)顯示水分含量相對(duì)于介電常數(shù)的正增量。沙土中的介電常數(shù)與土壤中含水量的存在密切相關(guān)。當(dāng)含水量充滿孔隙時(shí),它會(huì)減少空氣的體積并增加土壤中的水量。
在土壤中添加水量(ml)
砂
粘土
使用烘箱干燥水分含量(%)
使用ECT的含水量 (%)
差異的百分比 (%)
使用烘箱干燥水分含量 (%)
使用ECT的含水量 (%)
差異的百分比 (%)
80
20.00
18.09
1.91
20.00
17.03
2.97
160
40.00
36.22
3.78
40.00
33.43
6.57
240
60.00
56.88
3.12
60.00
51.50
8.50
表II顯示在砂和粘土的ECT在線測(cè)量中,在水分分布百分比中存在一些誤差。在烘箱干燥中,測(cè)量干燥土壤的重量并測(cè)量濕土壤的重量。使用(10)計(jì)算該方法的水分百分比。在ECT在線測(cè)量中,將相同量的水添加到土壤中并捕獲水分分布圖像。通過(guò)計(jì)算圖像分布中的色階,可以獲得水分的百分比。從這兩種方法中,百分比差異是通過(guò)使用干燥烘干數(shù)據(jù)作為真值計(jì)算的,因?yàn)樗谴_定土壤濕度百分比的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法,并且ECT在線測(cè)量數(shù)據(jù)是測(cè)量值。例如。當(dāng)在沙子中加入80ml時(shí),通過(guò)計(jì)算水分百分比獲得20%的水分含量。在ECT在線測(cè)量中,當(dāng)在土壤中添加80ml水時(shí),水分百分比為18.09%,其使用圖像像素中的色標(biāo)計(jì)算。使用兩種方法的水分百分比值計(jì)算差異百分比。通過(guò)改進(jìn)校準(zhǔn)測(cè)量和實(shí)驗(yàn)程序可以減少發(fā)生的錯(cuò)誤。
8.結(jié)論和未來(lái)
在結(jié)論中,監(jiān)測(cè)土壤濕度分布在農(nóng)業(yè)中很重要,以確保植物生長(zhǎng)。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)工作通過(guò)使用12個(gè)電極ECT傳感器測(cè)量了土壤濕度分布。隨著土壤中水分含量的增加,ECT中土壤水分分布的圖像從顏色標(biāo)度“0”增加到“1”,即從較低介電常數(shù)材料到較高介電常數(shù)材料。測(cè)試土壤的介電常數(shù)隨著體積含水量的增加而增加。已有數(shù)種方法用于數(shù)據(jù)比較,例如烘箱干燥法和將數(shù)據(jù)代入經(jīng)驗(yàn)?zāi)P头匠讨?。通過(guò)識(shí)別準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和良好的測(cè)量程序,可以改善獲得的數(shù)據(jù)的不同。本研究的數(shù)據(jù)將被用作測(cè)量土壤含水量的參考,特別是在成像應(yīng)用中。本文是正在進(jìn)行的研究的一部分。 ECT的廣泛應(yīng)用可以應(yīng)用于工業(yè)中的各種領(lǐng)域,例如監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)灌溉事件。
致謝
作者想感謝Areeba Shafquet在本次研究中協(xié)助實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)工作。
參考
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