土壤温度和容重对频率反射土壤水分传感器测量精度的影响.pdf

第 29 卷第 10 期农 业 工 程 学 报Vol.29No.10 1362013年5月Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringMay 2013 土壤温度和容重对频率反射土壤水分传感器测量精度的影响 郭文川 1,3，宋克鑫1，张 鹏1，韩文霆2,3 （1. 西北农林科技大学机械与电子工程学院，杨凌 712100；2. 西北农林科技大学水土保持研究所，杨凌 712100； 3. 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，杨凌 712100） 摘要：为探究土壤温度和容重对 FDR（频率反射）含水率测量结果的综合影响规律，以陕西杨凌地区的塿土 为研究对象，以基于 FDR 技术的电流型 DSW- T2 型土壤温湿度传感器为测量仪器，研究了土壤的含水率 （3.82%21.43%） 、容重（0.911.30 g/cm3）和温度（2.550）对传感器输出信号的影响；建立了传感器的 输出电流与土壤含水率、容重和温度的综合测量数学模型，实验分析了模型在预测含水率方面的可行性。结果 表明，传感器的输出电流随土壤含水率、温度和容重的增大而增大，可用三元二次方程表示输出电流与土壤含 水率、温度和容重之间的关系；在 0.05 的显著水平上，含水率、温度和容积密度均对模型有显著影响。基于模 型的计算输出电流与实际输出电流的绝对误差范围是- 1.1671.216 mA，计算含水率与实际含水率的绝对误差 范围是- 2.638%2.812%。本研究对于开发具有温度和容积密度补偿功能的新型 FDR 土壤含水率传感器的综合 测量模型有指导作用。 关键词：土壤，水分，温度，频率反射法，容重 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.10.019 中图分类号：S24文献标志码：A文章编号：1002-6819(2013)-10-0136-08 郭文川，宋克鑫，张鹏，等. 土壤温度和容重对频率反射土壤水分传感器测量精度的影响J. 农业工程学报， 2013，29(10)：136143. Guo Wenchuan, Song Kexin, Zhang Peng, et al. Effects of temperature and bulk density on measurement precision of soil moisture sensor based on frequency domain reflectometryJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(10): 136143. (in Chinese with English abstract) 0引言 土壤是一种混合物质，是陆地植物生长最重要 的载体。土壤是由矿物质、有机质、水和空气组成 的1， 在结构上是由形状不规则、 排列错综复杂的碎 散固相颗粒形成骨架，同时颗粒之间的孔隙充满了 不断运动的水和空气2。 土壤水分是影响农作物生长 的制约因素之一。水分影响着土壤中养分的溶解、 转化和微生物的运动，是植物赖以生存的保证3。 测量土壤含水率的主要方法有：烘干法、张力 计法、射线法、电阻法、介电法和干湿计法。烘干 法对于设备的要求不高，且精度高，结果可靠，但 费时、费力、破坏土壤结构，不能快速定点长期测 量。张力计法在土壤湿润条件下测量土壤基质势很 收稿日期：2013- 01- 27修订日期：2013- 05- 03 基金项目： “十二五”国家科技支撑计划（2011BAD29B08） ；高等学校 学科创新引智计划“111”项目（B12007） 作者简介：郭文川（1969） ，女，陕西临潼人，教授，博士，博士生 导师。主要从事智能化检测技术与装备方面的研究。杨凌西北农林科 技大学机械与电子工程学院， 712100。 Email： guowenchuan69 通信作者：韩文霆（1972） ，男，内蒙古五原人，副教授，博士， 博士生导师，主要从事智能控制精准灌溉技术与装备方面的研究。杨凌 西北农林科技大学水土保持研究所，712100。 Email：hanwt2000 准确，但反应慢，对于干燥土壤测量不合适4。射 线法的结果比较准确，是除烘干法外第二种标定土 壤含水率的方法，但需要田间校准，仪器昂贵，有 潜在的辐射危害5。电阻法有滞后作用，灵敏度低， 使用寿命短。干湿计法受热量梯度的影响很大，对 于土壤表层含水率的测量精度不高5。 由于土壤颗粒的相对介电常数（20下为 3 4）和空气的相对介电常数（20下约为 1）很低， 而水的介电常数（20下为 80）远大于土壤和空气 的相对介电常数6，因此，土壤的相对介电常数主 要取决于水的含量。从而可根据相对介电常数间接 地获得土壤的含水率。相对于上面所述的含水率检 测方法，介电法因有快速、比较准确的优点而在土 壤含水率测量仪开发方面得到了良好的应用7。根 据测量方法的差异，介电法又可以分为平行极板 （电容器）法、同轴探头法、传输线法、自由空间 法和谐振腔法8。 由同轴探头法发展而来的时域反射技术 （TDR）9、频域反射技术（FDR）10- 12和驻波率 法（SWR） 13具有适于野外测量、测量比较准确、 操作简单和使用方便的优点14。基于介电特性的 燕麦和红小豆含水率研究中发现含水率随温度和 第 10 期郭文川等：土壤温度和容重对频率反射土壤水分传感器测量精度的影响 137 容重的增大而增大15- 16。张文昭等在应用介电特 性测量猪肉含水率时考虑到了温度的影响，并提 高了传感器的精度17。在测量物质介电常数的大 量实验中，研究人员都将温度和容重作为介电常 数的制约因素，并发现了温度和容重对测量结果 的制约作用18- 22。 在 FDR 土壤含水率检测方法方面，已有研究 较多考虑了土壤温度，但较少考虑容重对测量结果 的影响。对于具有相同含水率而密度不同的土壤， 测量结果可能不同，从而影响传感器测量精度。国 内外研究时，多是通过选择合适频率减少密度影 响。虽然此方法可以降低密度的影响，但是影响仍 然存在。为了探究温度和容重对 FDR 测量结果的 综合影响规律，本文以关中地区的塿土为对象，以 湿基含水率为 3.82%21.43%的土壤为样品，研究 了温度（2.550）和容重（0.91.3 g/cm3）对 FDR 传感器输出信号的影响规律， 建立了温湿度的 测量模型，为开发具有温度和容重补偿功能的土壤 含水率检测仪提供技术依据。 1材料与方法 1.1土壤样品 试验用土壤样品来源于陕西杨凌西北农林科技 大学机械与电子工程学院的试验田。土壤类型为陕 西省关中地区的塿土。样品取自于地表下 20 30 cm11。在自然条件下晾晒后，剔除其中的石子、 杂草等杂质， 用 JYL- C012 型九阳料理机（九阳股份 有限公司，济南）磨成粉，用 80 目（孔径 0.2 mm） 的筛子过筛， 以粒径小于0.2 mm的土壤为试验对象。 利用 MP31001 型电子天平（上海舜宇恒平科 学仪器有限公司， 上海， 精度 0.1 g） 称取 7 份 1 000 g 初始湿基含水率的土壤样品。在已知初始含水率和 土壤样品质量的情况下计算出所需添加的去离子 水，用以配制不同含水率的土壤样品。当配制土壤 样品的含水率大于 20%时，少量多次地加入去离子 水。将配制得到的不同含水率的土壤样品装入双层 密封袋后置于 2冷藏室中存放 23 d，期间每天 摇动 34 次，以使水分均匀。用 FA2104N 型电子 分析天平（上海精密科学仪器有限公司，上海，精 度 0.0001 g）称取 3 份 23 g 土壤样品置于 105 的 WG- 71 型电热鼓风干燥箱（天津市泰斯特仪器 有限公司，天津，温度波动 1%满量程）内烘干 24 h23，根据烘干前、后土壤样品的质量计算湿基 含水率，以 3 份含水率的平均值作为该样品的测试 结果。试验中所配土壤样品的湿基含水率为 3.82% （初始含水率），7.58%，9.29%，11.65%，14.87%， 18.61%和 21.43%。 试验前，将配好的土壤样品从冰箱（青岛海尔 股份有限公司， 青岛） 中取出， 在室温下放置约 2 h， 以使样品的温度回到室温（24 2）。然后称取已 计算好的相应质量的土壤样品装入圆柱型容器（高 度 90 mm、直径 39 mm）中，边填充样品边注意压 实，保持容器中土壤样品的压实度比较均匀。根据 填充于容器中土壤样品的质量和容器的体积计算 容重。据此方法得到每个含水率下容重为 0.91、 1.00、1.09、1.21 和 1.30 g/cm3的土壤样品。7 个含 水率水平，5 个容重水平下的土壤样品共 35 个，见 表 1。在控制温度方面，测量每一个土壤样品 2.5 50范围中以 2.5为间隔的 20 组数据，总计 700 组数据。 表 1土壤样品数量和分组 Table 1 Quantity and groups of Soil samples 含水率/%容重/(g cm- 3)数量 3.820.911.001.091.211.305 7.580.911.001.091.211.305 9.290.911.001.091.211.305 11.650.911.001.091.211.305 14.870.911.001.091.211.305 18.610.911.001.091.211.305 21.430.911.001.091.211.305 1.2FDR 土壤含水率传感器 本文以生产实践中常用的DSW- T2型FDR土壤 温湿度传感器（北京迪辉科技有限公司，中国）为 测试仪器。 该传感器的技术参数见表 2， 外形见图 1。 表 2DSW- T2 土壤温湿度传感器技术参数 Table 2Technical parameters of DSW- T2 soil temperature and moisture sensor 规格参数 供电电源直流 1824 V 测量范围 0100%（含水率） ， - 3070（温度） 精度 3%（050%，含水率） 0.5（温度） 探针长度78 mm 探针直径4 mm 探针材料不锈钢 密封材料ABS 工程塑料 响应时间小于 1 s 输出电流420 mA 产品外形220 mm 48 mm 48 mm 工作环境 温度- 3070，相对湿度 0 100% 测量区域 以中央探针为中心，围绕中央探 针的直径为 3 cm、高为 7 cm 的 圆柱体 如图1 所示，传感器探头为 4 探针式，其探针长 度对整个探头的阻抗有重要的影响， 其阻抗可以由夹 逼定理和同轴线、平行线阻抗计算公式得出24。 农业工程学报2013 年 138 图 1 中传感器接线端由六根电线组成：红线和 黑线为含水率测量回路的电源接口和接地接口，蓝 线为含水率信号输出端口；黄线和棕线为温度测量 回路的电源接口和接地接口，绿线为温度信号输出 端口。FDR 传感器端口接线示意图如图 2。 图 1DSW- T2 土壤温湿度传感器 Fig.1DSW- T2 soil temperature and moisture sensor 图 2FDR 传感器终端示意图 Fig.2FDR sensor s terminal schematic diagram DSW- T2 是通过测量图 1 中传感器传输线的含 水率和温度端口的电流来计算土壤容积含水率，给 出土壤含水率与输出电流之间的计算下式 3 2 6.58(0.1250.5) 6.66(0.1250.5) 25.1 (0.1250.5)0.41 (050%) ww w w w VI I I V （1） 式中，Vw为土壤容积含水率，%；Iw为含水率端口 输出的电流值，mA。 烘干法得到土壤含水率是质量含水率，而 DSW- T2 测量得到的是容积含水率，为了说明 DSW- T2 的测量精度，需将容积含水率转化为质量 含水率。其中质量含水率为土壤容积含水率与容重 的乘积 ww mV（2） 式中，mw为土壤质量含水率，%；为土壤容重， g/cm3。 为了方便描述，后续中出现的含水率皆表示质 量含水率。 DSW- T2 温度输出端口的输出电流与土壤样品 温度之间的关系如下 T=6.15It- 55.87（3） 式中，T 为土壤温度，；It为温度端口输出电流 值，mA。 1.3试验方法 将含水率和容重已知的土壤样品用保鲜膜密 封后放入 2的冷藏室存放以备试验用。试验前， 设置远红外快速恒温干燥箱（YHG- 400BS，上海 跃进医疗器械厂， 温度波动 1） 的温度为 2.5。 待温度恒定后，将土壤样品从冷藏室中取出，将 DSW- T2 型土壤温湿度传感器 插入到土壤样品 的中心部位， 且将 DM6801 型数字温度传感器 （深 圳市胜利高新电子科技有限公司，中国）的探头 插入土壤中。当土壤样品温度恒定在 2.5约 3 4 min时， 用 DSW- T2测量输出电流。 其中由 WD- 5 型稳压电源（启东斯迈特计算机厂，中国）为 DSW- T2 提供 20 V 直流电源。 以此方法测量 2.5 50间每 2.5下 DSW- T2 的输出电流。在整个 过程中，土壤样品都要用保鲜膜覆盖，以免加热 使其水分蒸发流失。含水率输出端和温度输出端 的输出电流为 420 mA。测量系统如图 3 所示， 测量系统示意如图 4 所示。 图 3测量 DSW- T2 土壤传感器输出电流的实验系统图 Fig.3Experimental system for measuring output current of DSW- T2 soil sensor 图 4测量 DSW- T2 土壤传感器输出电流示意图 Fig.4Schematic diagram for measuring output current of DSW- T2 soil sensor 1.4模型建立方法 采用响应曲面法对多因素进行分析。即将试验 第 10 期郭文川等：土壤温度和容重对频率反射土壤水分传感器测量精度的影响 139 中多因素条件和试验结果应用多项式进行近似，将 制约因素和实验结果函数化，在三维坐标上形成直 观的曲面，定量的分析各个因素对结果的影响25- 26。 Box- Behnken design（箱线图设计），简称 BBD， 是响应曲面法的一种。本研究建立的模型和方差分 析采用响应曲面法中的 BBD 方法。 2结果与讨论 图 5 是在 25条件下， 根据 DSW- T2 传感器的 含水率端口对土壤质量含水率从 3.82%到 21.43%， 不同容重条件下的七组土壤样品下的输出电流，经 式（1）和式（2）计算得到的含水率与用干燥法得 到的实际含水率的比较。理想情况下，测量含水率 和实际含水率应当落在图 5 中代表 45的直线上。 但实验结果是大部分情况下测量含水率大于实际 含水率，绝对误差在- 3.8%10.7%之间，表明该传 感器在本次实验中的测量精度不高。 图 5在 25条件下，应用式（1）和式（2）计算的土壤含 水率与实际土壤含水率的比较 Fig.5Comparison between actual moisture content and calculated one by equations (1) and (2) for Lou soil 图 6DM6801 的温度测量值与 DSW- T2 的 温度计算值的比较 Fig.6Comparison of temperature sensor results and DSW- T2 measurement results 图 6 所示是 DM6801 型数字温度传感器和 DSW- T2 土壤温湿度传感器对 7 种不同容重和不同 含水率下土壤样品的温度测量结果。图 6 说明，基 于式（3）的计算温度值和实测温度值紧密地落在 45线的两侧，二者的绝对误差在- 2.22.4。 说明 DSW- T2 的温度测量结果比较可靠。 2.1温度对传感器含水率测量结果的影响 图 7 为含水率分别为 9.29%和 18.61%时， 不同 容重条件下， 温度对 DSW- T2 的含水率端口输出电 流的影响。 由图 7 可见， 随着温度的升高， DSW- T2 的输出电流逐渐增大。当小于 10时，输出电流上 升较为缓慢，但大于 10后，上升较快。该现象也 发现于其它含水率的土壤样品中。 a. 含水率为 9.29% a. Moisture content of 9.29% b. 含水率为 18.61% b. Moisture content of 18.61% 图 7含水率分别为 9.29%和 18.61%时， 不同容重下温度对 DSW- T2 含水率端口输出电流的影响 Fig.7Temperature dependence of DSW- T2 s output current in moisture content of 9.29% and 18.61% at indicated bulk densities 物质中的介电特性代表静电场中的分子极化 和布朗运动间的动态平衡。温度的升高可以加速极 性分子的取向运动和土壤中粒子的布朗运动，导致 土壤的介电常数增大，表现在输出电流的增大上。 由图 7 可以看出，温度是影响 FDR 型传感器输出 电流的主要因素之一，消除温度的影响对于提高土 农业工程学报2013 年 140 壤含水率的检测精度有重要的意义。 2.2容重对传感器含水率测量结果的影响 图 8 为土壤质量含水率分别为 11.65%和 21.43%时，不同温度条件下，容重对 DSW- T2 的含 水率端口输出电流的影响。图 8 说明，随着容重的 增大，输出电流总体上呈现增大的趋势。对于含水 率为 11.65%的样品，当容重从 1.0 g/cm3增大到 1.1 g/cm3时输出电流增大较快；而对于含水率为 21.43%的样品， 当容重从 1.2 g/cm3增大到 1.3 g/cm3 时输出电流增大较快。 a. 土壤含水率为 11.65% a. Moisture content of 11.65% b. 土壤含水率为 21.43% b. Moisture content of 31.43% 图 8土壤含水率分别为 11.65%和 21.43%时，不同温度下 容重对 DSW- T2 含水率端口输出电流的影响 Fig.8Volume density dependence of DSW- T2 s output current in moisture content of 11.65% and 21.43% at indicated temperatures 对于含水率相同的土壤样品，高容重的土壤中 单位体积内的土壤颗粒含量大于低容重的土壤样 品，而空气含量则小于低容重的土壤样品。在相同 温度下，土壤颗粒的相对介电常数大于空气的值， 从而导致输出电流随容重的增大而增大。其他 5 个 含水率下的研究结果也说明，在相同的温度下，输 出电流随容重的增大而增大。 图 9 所示是对于含水率为 18.61%的土壤样 品，DSW- T2 含水率端口输出电流随土壤样品的 温度和容重变化的响应曲面。由图 9 可知， DSW- T2 的输出电流同时随着温度和容重的增大 而增大。 图 9含水率为 18.61%时，温度、容重对 输出电流的响应曲面 Fig.9Response surface of output current influenced by temperature and volume density in moisture content of 18.61% 2.3传感器含水率综合测量模型的建立 利用 Design- Expert 8.0 软件对从 700 组数据中 均匀地选取的 450 组实验数据进行多元回归拟合， 拟合公式如式（4）所示。 34 32 242 13.9940.37425.470 9.387 100.1955.902 10 5.305 100.012 10.4462.204 10 w ww w Im Tmm T Tm T （4） 式中，I 为传感器含水率端口的输出电流，mA；mw 为样品质量含水率， %； 为样品的土壤容重， g/cm3； T 为样品温度，。 对式（4）进行方差分析，结果见表 2。表 2 说 明，式（4）的 P 值小于 0.0001，表明模型极显著。 模型的决定系数 R2=0.9302，说明传感器的输出电 流与样品的温度、含水率、容重间具有很好的相关 性。同时式（4）中除了 Tmw、T和 T2项外，其余 各项均对模型有极显著的影响。在温度为 26.25 时，式（4）的响应曲面如图 10 所示。 2.4传感器含水率综合测量模型的验证 为了检验式（4）的准确性及适用性，从 700 组土壤样品中剩下的 250 组样品中选取 105 组样 品，测量传感器输出电流。将据式（4）计算的电 流值与DSW- T2的含水率端口的输出电流值进行比 较，如图 11 所示。 第 10 期郭文川等：土壤温度和容重对频率反射土壤水分传感器测量精度的影响 141 表 2回归模型（4）的方差分析表 Table 2Analysis of variance on regressed model (4) 方差 来源 平方和 自由 度 均方F 值P 值 显著 性 T102.031102.03347.550.0001* mw1332.6211332.624539.550.0001* 231.711231.71789.310.0001* Tmw1.0911.093.700.0551 T0.05210.0520.180.6745 mw11.32111.3238.550.0001* T20.6110.612.090.1487 mw258.93158.93200.740.0001* 2 13.69113.6946.630.0001* 模型1721.589191.29651.620.0001* 误差129.174400.29 总和1437.38349 注：*P0.01，极显著。 图 10温度为 26.25，容重和含水率对输出电流影响的响 应曲面图 Fig.10Response surface of output current influenced by volume density and moisture content at 26.25 图 11测量电流值与计算电流值的关系 Fig.11Calibrated output current against measured one 图 11 表明，测量电流和计算电流值紧密地分 散在 45线的两侧。计算电流值与测量电流值的绝 对误差在- 1.1671.216 mA 之间，说明在已知土壤 样品的含水率、温度和容重的条件下，式（4）可 以比较准确地计算出输出电流。 为了能在已知样品温度和容重的条件下，根据 输出电流值预测土壤的含水率，通过实验测量了含 水率在 3.82%21.43%， 温度在 2.550， 容重 在 0.91.3 g/cm3时的 54 个样品的输出电流，应用 牛顿叠代法和 Matlab 2010b 软件 （Mathworks 公司， 美国）根据式（4）编写了依据输出电流、温度和 容重计算含水率的程序，并计算了 54 个样品的含 水率。将计算的含水率和实际含水率进行比较，结 果如图 12 所示。 图 12计算的土壤含水率与实际含水率的比较 Fig.12Calculated moisture content against measured one of soil samples 由图 12 可以看出，土壤含水率的实测值与计 算值比较均匀地分布在 45线的上下两侧。同实 测含水率相比， 计算含水率的绝对误差在- 2.64% 2.81%之间，平均绝对误差为 1.22%。而如果不考 虑温度和容重时，根据 54 个样品的输出电流，由 式（1）计算的含水率绝对误差在- 13.4112.69%， 平均绝对误差为 5.219%。 说明考虑温度和容重对于 FDR 型含水率测量精度的提高有积极作用。 3结论 土壤温度和容重对 FDR 水分传感器的含水率 检测结果有显著影响。土壤温度和容重越高，FDR 的含水率检测结果也越大。 FDR 传感器输出电流与土壤实际含水率、 温度 和容重的关系可用三元二次方程表示，该模型的决 定系数为 0.9302。验证结果说明，所建立的模型能 根据输出电流、温度和容重较好地预测土壤的实际 含水率。预测含水率与实际含水率的绝对误差在 - 2.64%2.81%。 本研究揭示了土壤温度和容重对 FDR 水分 传感器的含水率测量结果的影响规律，为设计具 有温度和容重补偿功能的 FDR 含水率检测仪提 供了技术依据。但是实际中，除了温度和均匀的 容重影响含水率测量结果外，土壤杂质含量、密 度不均匀性、有机质含量等多因素的干扰也可能 对模型有一定影响，这需要进一步对这些影响因 素进行控制性实验研究，从而建立更加完善的检 农业工程学报2013 年 142 测模型。这是本文后续研究的重要方向，也是该 领域今后的研究重点。 参考文献 1邹维. 土和土壤的工程名称与分类及使用区别J. 水 土保持应用技术，2010，26(2)：2627. Zou Wei. The engineering name classification and use difference of soilJ. Technology of Soil and Water Conservation, 2010, 26(2): 2628. (in Chinese with English abstract) 2尚松浩，毛晓敏，雷志栋，等. 土壤水分动态模拟模 型及其应用M. 北京：科学出版社，2009. 3张林，吴普特，朱德兰，等. 多点源滴灌条件下土壤 水分运移模拟试验研究J. 排灌机械工程学报，2012， 30(2)：237243. Zhang Lin, Wu Pute, Zhu Delan, et al. Simulation experiments on soil water movement in multiple point sources drip irrigationJ. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2012, 30(2): 237243. (in Chinese with English abstract) 4刘思春，高亚军，王永一，等. 土壤水势测定方法的 选择及准确性研究J. 干旱地区农业研究，2011， 29(4)：189192. Liu Sichun, Gao Yajun, Wang Yongyi, et al. Preliminary study on selection and accuracy of different methods for measurement of soil water potentialJ. Agricultural Research in the Arid Areas, 2011, 29(4): 189192. (in Chinese with English abstract) 5陈家宙，陈明亮，何圆球. 各具特色的当代土壤水分 测量技术J. 湖北农业科学，2001(3)：2528. ChenJiazhou,ChenMingliang,HeYuanqiu. Measurementtechnologyofthecontemporarysoil moistureJ. Hubei Agriculture Science, 2001(3):25- 28. (in Chinese with English abstract) 6Noborio K. Measurement of soil water content and electrical conductivity by time domain reflectometry: A reviewJ. Computers and Electronics in Agriculture, 2001(31): 213237. 7马孝义，熊运章，朱凤书，等. 土壤水分介电测量方法的 潜力分析J. 农业工程学报，1995，11(2)：2126. Ma Xiaoyi, Xiong Yunzhang, Zhu Fengshu, et al. The potential analysis on soil moisture measurement by dielectric methodJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 1995, 11(2): 2126. (in Chinese with English abstract) 8郭文川，朱新华. 国外农产品及食品介电特性测量技 术及应用J. 农业工程学报，2009，25(2)：308312. Guo Wenchuan, Zhu Xinhua. Foreign dielectric property measurementtechniquesandtheirapplicationsin agricultural products and food materialsJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(2): 308312. (in Chinese with English abstract) 9Topp G C, Davis J L, Annan A P. Electromagnetic determination of soil water content: Measurement in coaxial transmission linesJ. Water Resource Research, 1980, 16(3): 574582. 10 Wojciech S, Andrzej W. A FDR sensor for measuring complex soil dielectric permittivity in the 10- 500MHz frequency rangeJ. Sensors, 2010(10): 33143329. 11 AndrzejW,AgnieszkaS,WojciechS,etal. Determination of soil pore water salinity using an FDR sensor working at various frequency up to 500MHzJ. sensors, 2012(12): 1089010905. 12 Sun Yurui, Ren Shujuan. A combined frequency domain and tensiometer sensor for determining soil water characteristic curvesJ.SoilPhysicsNote,2010,74(2):492494. 13 赵燕东，王一鸣. 基于驻波率原理的土壤含水率测量 方法J. 农业机械学报，2002，33(4)：109111，121. Zhao Yandong, Wang Yiming. Study on the measurement ofsoilwatercontentbasedontheprincipleof standing- wave ratioJ. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2002, 33(4): 109 111, 121. (in Chinese with English abstract) 14 马涛. 国内外土壤水分快速测量技术浅析J. 中国防 汛抗旱，2008(1)：3133. Ma Tao. An analysis about rapid measuring technique on soil water at home and abroadJ. China Flood and Drought Management,2008(1):3133.(inChinesewithEnglishabstract) 15 郭文川，王婧，朱新华. 基于介电特性的燕麦含水率 预测J. 农业工程学报，2012，28(24)：272279. Guo Wenchuan, Wang Jing, Zhu Xinhua. Moisture content prediction of oat seeds based on dielectric propertyJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(24): 272279. (in Chinese with English abstract) 16 王婧， 郭文川， 邓业胜. 基于介质损耗因数的红小豆含水 率测量方法研究J. 食品科学，2012，33(16)：216220. WangJing,GuoWenchuan,DengYesheng. Determination of water content in small red beans based on dielectric loss factorJ. Food Science, 2012, 33(16): 216220. (in Chinese with English abstract) 17 张文昭，刘志壮，周文真. 电容法猪肉含水率快速检 测的研究J. 农业工程学报，2012，28(20)：272275. Zhang Wenzhao, Liu Zhizhuang, Zhou Wenzhen. Quick detection of water content for pork by capacitance methodJ.TransactionsoftheChineseSocietyof Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(20): 272275. (in Chinese with English abstract) 18 Xu Jinhui, Ma Xiaoyi, Logsdon S D, et al. Short, multineedlefrequencydomainreflectometrysensor suitable for measuring soil water contentJ. Soil Science Society ofAmerica Journal, 2012, 76(6): 19291937. 19 Guo Wenchuan, Wang Shaojin, Tiwari G, et al. Temperature and moisture dependent dielectric properties of legume flour associated with dielectric heatingJ. Lwt- Food Science and Technology, 2009, 43(2): 193201. 20 郭文川，王婧，刘驰. 基于介电特性的薏米含水率检 测方法J. 农业机械学报，2012，43(3)：113117. Guo Wenchuan, Wang Jing, Liu Chi. Predicted moisture content of pearl barley based on dielectric propertiesJ. TransactionoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery, 2012,43(3):113117.(inChinesewithEnglishabstract) 21 张利凤，郭文川，付鹤翔，等. 数字式蜂蜜含水率检测仪 设计J. 农业机械学报，2011，42(4)：139143，147. Zhang Lifeng, Guo Wenchuan, Fu Hexiang, et al. Design of digital honey water content meterJ. Transaction of the Chinese Society for Agriculture Machinery, 2011, 42(4): 139143, 147. (in Chinese with English abstract) 22 郭文川. 果蔬介电特性研究综述J. 农业工程学报， 2007，23(5)：284289. 第 10 期郭文川等：土壤温度和容重对频率反射土壤水分传感器测量精度的影响 143 Guo Wenchuan. Review of dielectric properties of fruits and vegetablesJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(5): 284289. (in Chinese with English abstract) 23 Velazquez- Marti B, Gracia- Lopez C, Plaza- Gonzalez P J. Determination of dielectric properties of agricultural soilJ. Biosystems Engineering, 2005, 91(1): 119125. 24 孙宇瑞. 土壤探针阻抗计算方法的理论分析与实验研 究J. 土壤学报，2002，39(1)：120126. Sun Yurui. Theoretical and experimental approach to calculation of the impedance of soil probeJ. Acta Pedologica Sinica, 2002, 39(1):120126.(inChinesewithEnglishabstract) 25 陈莉，屠康，王海，等. 采用响应曲面法对采后红富 士苹果热处理条件的优化J. 农业工程学报，2006， 22(2)：159163. Chen Li, Tu Kang, Wang Hai, et al. Optimization of the conditions for hot- air treatment of postharvest Red Fuji apples using response surface methodJ. Transactions of theChineseSocietyofAgriculturalEngineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(2): 159163. (in Chinese with English abstract) 26Bas D, Boyaci I H. Modeling and optimization I: Usability of response surface methodologyJ. Journal of Food Engineering, 2007, 78(3): 836845. Effects of temperature and bulk density on measurement precision of soil moisture sensor based on frequency domain reflectometry Guo Wenchuan1,3, Song Kexin1, Zhang Peng1, Han Wenting2,3 (1. College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A 2. Institute of Water and Soil Conservation, Northwest A 3. Institute of Water Saving Agriculture in Arid Areas of China, Northwest A&F University, Yangling 712100, China) Abstract: Moisture content of soil is helpful for water- saving irrigation. Soil moisture sensors using frequency domain reflectometry (FDR) are more and more popular in market. Soil temperature is a major factor affecting moisture measurement precision. So it has been widely considered in developing FDR soil moisture sensor. However, volume density, which is also a major factor influencing measurement precision of soil moisture