機械外文文獻翻譯--電容層析成像（ECT）傳感器檢測土壤水分【中文6600字】 【PDF+中文WORD】

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Karim 國油大學電氣和電子工程系 31750 Tronoh, Perak Darul Ridzuan, Malaysia zharinabdkarim@gmail.com Idris Bin Ismail 國油大學電氣和電子工程系 31750 Tronoh, Perak Darul Ridzuan, Malaysia zharinabdkarim@gmail.com 摘要 - 本文簡要討論了使用電容層析成像（ECT）技術(shù)測量土壤濕度分布。具有12個電極的ECT傳感器用于介電常數(shù)分布的可視化測量。 ECT傳感器使用低介電常數(shù)材料和高介電常數(shù)材料進行校準，即分別是干沙和飽和土（沙和粘土）。記錄獲得的測量結(jié)果并通過使用線性背投影（LBP）圖像重建進一步分析。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.簡介 估計土壤含水量對農(nóng)業(yè)尤其重要，尤其是在灌溉調(diào)度期間。灌溉過程中土壤水分百分比的變化可以通過指示施用于土壤的水量來控制。連續(xù)監(jiān)測生根區(qū)內(nèi)和生根區(qū)以下的土壤水分含量可以促進最佳灌溉調(diào)度，旨在最大限度地減少水分脅迫對植物的影響，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]。 在這項實驗工作中，ECT用于根據(jù)土壤中水分分布的圖像來測量土壤含水量。土壤濕度測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)出復合介電常數(shù)，通過簡單的校準程序可以與土壤含水量相關(guān)[15]。 時域反射法（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)電測量的方法[12]。例如。 TDR儀器使用測得的脈沖傳播時間來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)，電容探針法與土壤類型無關(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80年代以來，ECT開始用于使用多電極電容傳感器可視化和測量橫截面的介電常數(shù)分布[21]。 ECT傳感器測量絕緣框架內(nèi)土壤水分的介電常數(shù)分布，并捕獲圖像分布和測量數(shù)據(jù)。 2.土壤濕度 土壤含水量直接影響作物生長，也影響施用于土壤的農(nóng)藥的命運[20]。管理灌溉計劃的關(guān)鍵部分之一是確定土壤中的含水量。 Zazueta和Xin（1994）報道，通過測量植入土壤中的電極對之間的電容，可以通過其對介電常數(shù)的影響來確定土壤水分含量[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，因此可以測量土壤 - 水 - 空氣混合物的介電常數(shù)?？諝獾慕殡姵?shù)是1，而水的介電常數(shù)是80（室溫）。當孔隙空間中的含水量增加時，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是干土對單位體積（固體和孔隙）的重量。顆粒密度Dp包括測量干燥土壤和體積土壤顆粒的重量，即僅固體和無孔隙空間。從體積密度和顆粒密度值來看，土壤孔隙度可用公式（1）[6] [17]計算： 水分含量，θm決定了給定土壤質(zhì)量的水量。水分含量通過土壤中水分的重量除以干土的重量來計算。 （2）[6] [17]可以用體積含水量θv來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個電極組成，其中土壤水分電極作為檢測裝置，數(shù)據(jù)采集單元處理數(shù)據(jù)，個人計算機用于數(shù)據(jù)存儲，圖像處理和顯示。在ECT中，測量了由于介質(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ECT傳感器時需要考慮幾個組件。 ECT傳感器由四個主要部分組成[21]： l 測量電極 l 外部，軸向末端和徑向屏幕 l 一個絕緣框架 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，并且在每對獨特的電極之間測量電容測量值。通常，ECT傳感器的測量電極放置在具有兩個軸向端部和外部屏幕的絕緣框架外部。測量電極兩端的兩個接地軸向端屏可以在一定程度上降低外部噪聲，并且對電容測量產(chǎn)生負面影響，因為電場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，電極的長度，外部或內(nèi)部電極，接地屏幕和驅(qū)動保護電極。 Yang（2010）[21]討論了ECT傳感器中關(guān)鍵元素的細節(jié)。 在這項實驗工作中，12個電極的ECT傳感器被構(gòu)建為電極長度為10.0cm和1.0cm寬度，并且一對電極之間的間隔為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，外部屏蔽與兩個軸向端連接。 ECT系統(tǒng)中的兩種類型的測量是校準和在線測量。 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）兩種不同的測試介質(zhì)進行校準。在線測量時，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)材料中的校準分別給出越來越高的電容（Cl和Ch）值，而在線測量給出所測量的電容值Cm。隨后將所有隨后測量的電容值Cm歸一化以具有值“Cn”（當傳感器完全充滿較低介電常數(shù)材料時）和“1”（當完全充滿較高介電常數(shù)材料時）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)采集單元測量電極對之間的電容并將測量數(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算機。然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制計算機進行數(shù)據(jù)存儲，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，電極2-12用于檢測，獲得11個電容測量[21]。獨立電容測量的數(shù)量可以通過N（N-1）/ 2來計算，其中N是電極的數(shù)量基于獨立電容的數(shù)量測量方程，ECT傳感器中有12個電極有66個獨立電容測量。 4.影像重建 將12個電極中的介電常數(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個像素，但只需要812個像素來構(gòu)建血管的橫截面圖像[18]。由于它們位于測量區(qū)域之外，因此具有812個像素，因此剩余的像素未被使用。所使用的色標從藍色到紅色，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，兩個電極之間的測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，因為它是最簡單，最快速的圖像重建系統(tǒng)。 LBP已經(jīng)被實現(xiàn)來重建使用12個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)系可以用線性標準化的形式來看，如式（5）[11]所示： 其中C是歸一化電容矩陣，S是包含每個電極對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)測量 對于土壤測量，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)系取決于土壤類型和測量儀器的頻率范圍[1]。從含水量和介電常數(shù)的關(guān)系來看，存在一些經(jīng)驗模型。如方程（6）[9]所示，導出了與體積含水量和材料介電常數(shù)有關(guān)的經(jīng)驗公式： 其中θv是體積含水量，εa是材料的介電常數(shù)。例如。基于根據(jù)土壤質(zhì)地的校準系數(shù)，對于大多數(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對于不同類型的土壤質(zhì)地是不同的，并且難以分析。 Topp等人（1980）方程被用來為土壤之間的比較提供基礎(chǔ)[13]。 Topp等人的經(jīng)驗公式（1980）一般適用于粗粒礦物土[20]。在經(jīng)驗關(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)的三階多項式關(guān)系的經(jīng)驗方程，其由等式（7）表示[8] [10] [15] [20]： 同時，大多數(shù)土壤體積含水量的標定關(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]，通過最小化預測的介電常數(shù)和介電常數(shù)之間的平方差的和來獲得折射率模型。折射率模型是作為比較不同個體土壤校準參考的基準方程[14]。對于Topp等人。（1980）經(jīng)驗方程和折射率模型方程，只考慮介電常數(shù)的實部。土壤容重和水分含量用于計算體積含水量值。 6.實驗說明 近30年來，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]。實驗工作已在實驗室進行，采用ECT系統(tǒng)作為測試儀器。根據(jù)設(shè)備上的平面布置，ECT傳感器通過使用連接器連接到數(shù)據(jù)采集單元，該連接器通過ECT傳感器中的電極通過用于1至12個電極的同軸電纜連接。校準過程從校準低介電常數(shù)材料即干燥土壤開始，并繼續(xù)使用較高介電常數(shù)材料即飽和土壤。如（3）所示，為了測量歸一化電容值Cn，此校準非常重要。校準也用作在線測量數(shù)據(jù)的最低和最高設(shè)定值。 在線測量是在校準測量完成后進行的。 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秒的時間間隔捕獲。數(shù)次重復相同的程序進行數(shù)據(jù)比較和分析。從ECT中的土壤濕度分布圖像中，通過參考從“0”到“1”的色標來計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計算測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準測試方法。烘箱干燥技術(shù)可能是用于測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之間的相互作用而在材料內(nèi)引起熱量的過程[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，以確保樣品土壤中不存在水分。測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公式（9）和（10）來計算[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，通過知道土壤容重來計算體積含水量θv。 ECT和烘箱干燥方法在線測量的體積含水量可以代入經(jīng)驗公式計算介電常數(shù)測量值。 7.結(jié)果 A.ECT校準測量 斷層圖像具有其獨特的色標，即指示“0”（低介電常數(shù)材料）的藍色和指示“1”（高介電常數(shù)材料）的紅色。在藍色到紅色之間，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行高校準的較低校準，而圖4顯示了校準的圖像。 圖3.沙子的低和高校準。 圖4.低和高校準圖像。 B. ECT在線測量 在線測量中，土壤中不同體積含水量的土壤濕度分布可以在表1中得到驗證。本次測量所用的土壤類型為砂 和粘土。在該圖像分布中，色標表明，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，色標向“1”或紅色顯示，表明測試土壤的介電常數(shù)值較高。它表明，當土壤的孔隙空間時，土壤達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它的孔隙空間。與此同時，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80ml水被添加到干砂中時，通過計算ECT圖像像素中的色標比，獲得的水分分布百分比為18.09％。色標的變化表明在該特定區(qū)域存在含水量。當添加56.88％的沙子中的水分百分比時，即添加240ml水時，色標變?yōu)榧t色。這個結(jié)果表明，隨著沙中水的添加量的增加，水分的百分比增加。當沙中的孔隙充滿水時就會顯示飽和度。對于粘土中水分分布的圖像，水分的百分比低于沙子。粘土晚于沙子達到飽和水平。在這種情況下，當粘土中加入400ml水時，圖像分布顯示粘土未達到其飽和水平。 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。通過使用經(jīng)驗公式，烘箱干燥法和ECT傳感器在線測量數(shù)據(jù)進行分析。從圖5和圖6中，在線測量數(shù)據(jù)由經(jīng)驗模型方程繪制。在線測量數(shù)據(jù)顯示水分含量相對于介電常數(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)。當含水量充滿孔隙時，它會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在線測量中，在水分分布百分比中存在一些誤差。在烘箱干燥中，測量干燥土壤的重量并測量濕土壤的重量。使用（10）計算該方法的水分百分比。在ECT在線測量中，將相同量的水添加到土壤中并捕獲水分分布圖像。通過計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，百分比差異是通過使用干燥烘干數(shù)據(jù)作為真值計算的，因為它是確定土壤濕度百分比的標準測試方法，并且ECT在線測量數(shù)據(jù)是測量值。例如。當在沙子中加入80ml時，通過計算水分百分比獲得20％的水分含量。在ECT在線測量中，當在土壤中添加80ml水時，水分百分比為18.09％，其使用圖像像素中的色標計算。使用兩種方法的水分百分比值計算差異百分比。通過改進校準測量和實驗程序可以減少發(fā)生的錯誤。 8.結(jié)論和未來 在結(jié)論中，監(jiān)測土壤濕度分布在農(nóng)業(yè)中很重要，以確保植物生長。這項實驗工作通過使用12個電極ECT傳感器測量了土壤濕度分布。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)驗模型方程中。通過識別準確的數(shù)據(jù)和良好的測量程序，可以改善獲得的數(shù)據(jù)的不同。本研究的數(shù)據(jù)將被用作測量土壤含水量的參考，特別是在成像應用中。本文是正在進行的研究的一部分。 ECT的廣泛應用可以應用于工業(yè)中的各種領(lǐng)域，例如監(jiān)測農(nóng)業(yè)灌溉事件。 致謝 作者想感謝Areeba Shafquet在本次研究中協(xié)助實驗室的實驗工作。 參考 [1] A. 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