本發明涉及水分傳感器校準技術領域，特別是涉及一種土壤墑情傳感器的實驗室校準方法。
背景技術：
土壤墑情傳感器在出廠前都需要進行實驗室校準，以往的實驗室校準方法需要反復經歷晾土、篩土、拌土、醒土、壓實等過程，尤其是晾土、篩土、醒土耗時較長，導致校準周期長、勞動量大。
技術實現要素：
為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種土壤墑情傳感器的實驗室校準方法，用以克服現有技術校準周期長、勞動量大的缺陷。
為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：
一種土壤墑情傳感器的實驗室校準方法，其特殊之處在于：包括以下步驟：
步驟A，設定擬合點和驗證點土樣的容重和體積含水率；
步驟B，將待用土樣自然烘干(或使用烘箱烘干)、碾碎、過篩(過篩后土壤粒徑≤1mm)；
步驟C，根據(1)、(2)、(3)式計算土壤的體積V土，根據(4)式計算干土的質量M干；
V1＝π×r21×h (1)
V2＝π×r22×h (2)
V土＝V1-V2 (3)
M干＝V土×ρ0 (4)
其中，
V1為裝土容器的總體積，單位為cm3；
V2為導管在容器中所占的總體積，單位為cm3；
r1為裝土容器的內半徑，單位為cm；
r2為導管的外半徑，單位為cm；
h為制作土樣的高度，單位為cm；
ρ0為配置土壤的容重，單位為g/cm3；
步驟D，根據(5)式計算每個擬合點和驗證點所加入的水的量；
M水＝ρ水×V土×θ (5)
其中，
ρ水為水的密度，單位為g/cm3
θ為設計的土壤體積含水率；
步驟E，按照選取的擬合點和驗證點體積含水率的大小由低到高依次制作。制作第一個實驗點Vi(設容重為ρi)，將質量為mi干的干土放入裝土容器中，同時加入相應質量的水mi水，然后均勻攪拌；
步驟F，將攪拌均勻后的土壤均勻分成若干份，首先將稱好的第1份土樣放入裝土容器中(注：放入過程中不要將土樣撒到容器外面)，然后使用輔助工具將土樣撫平，最后使用壓實工具均勻壓實土樣，壓實工具每次都要壓到內部標線的位置，將剩余份數土樣按第1份壓實的方式依次壓入容器，裝土完畢后加蓋并密封(如果是插針式傳感器，則不用加蓋密封)，待測試樣制作完畢；
步驟G，將銅環式傳感器插入容器內的導管中(插針式傳感器直接插入導管周邊的土樣中)，穩定后讀取測量的原始頻率值，重復讀取若干組；
步驟H，使用環刀取土。取出傳感器，將環刀均勻放入土樣，蓋上環刀手柄，使用敲擊工具輕輕敲入，到位后取下環刀手柄，在挖出環刀的操作過程中要避免環刀中的試樣掉落，然后使用肖土刀將試樣兩端修平，修平時避免環刀中試樣掉落；
步驟I，重復步驟H，用環刀取樣若干次，依次放入裝土盒子(盒子的蓋和盒體要標記一致)，注意在放的過程中不要掉落試樣，用電子天平(要求感量≤0.01g)稱量試樣濕重m濕(含盒重)，待環刀取土完畢后，將剩余的土樣密封；
步驟J，將稱好濕重的盒子放進烘箱，在105±2℃溫度下烘干6～12小時；
步驟K，用電子天平將烘干的試樣逐一稱重m干；
步驟L，在上一個制作土樣的基礎上，開始制作下一個實驗點Vi+1(設容重為ρi+1)，使用電子天平稱量步驟J中密封后的土樣，總質量記為m余i，稱量完畢后，將其放入塑料盆中備用，由步驟C，計算該實驗點所需的干土質量M(i+1)干，水的質量M(i+1)水，由(6)式計算需要添加的干土質量m′(i+1)干，由(7)式計算水的質量m′(i+1)水：
向塑料盆中加入質量為m′(i+1)干的干土，質量為m′(i+1)水的水，準備拌土，重復步驟E～步驟K的過程；
步驟M，重復步驟L，依次制作完設計的擬合點和驗證點；
步驟N，依次計算記錄的原始頻率值的平均值fi，采用(8)式計算烘干后土樣的體積含水率θi：
θi＝(m濕-m干)/V環刀 (8)
其中，V環刀為環刀的體積，單位為cm3；
以體積含水率θi作為y軸，傳感器輸出頻率的平均值fi對應的歸一化頻率SFi作為x軸，進行擬合，得到土壤校準公式，其中，歸一化頻率SFi通過(9)式計算：
其中，
fa是在傳感器插入空裝土容器內的導管中所測的空氣頻率；
fw是傳感器插入裝滿水的裝土容器內的導管中所測的水中的頻率。
進一步的，所述步驟A的容重區間為1.40～1.57g/cm3，擬合點數目不少于7個，驗證點數目不少于3個。
進一步的，所述步驟N的擬合公式為冪函數或者三次多項式。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
本發明在設定擬合點和驗證點土樣的容重和體積含水率后，將土樣與水均勻混合，通過循環利用已制作的土樣來制作下一個土樣，同時依次記錄土壤墑情傳感器的原始頻率測量值，使用Matlab軟件擬合數據最終得到校準公式。經本發明方法校準，不僅可以縮短標定周期和減少勞動量，而且校準后的傳感器最終輸出的數據精確度高，誤差小。
附圖說明
圖1為銅環式傳感器實驗室校準后得到的曲線和校準公式。
具體實施方式
下面將結合具體實例對本發明提供的技術方案進行詳細說明，應理解下述具體實施方式僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。
本實例選用的是銅環式傳感器，信號范圍為半徑10cm，高10cm的柱狀區域。本發明所使用的裝土容器為圓柱形容器，半徑為16.5cm，高度為20cm，導管的外半徑為2.85cm，滿足銅環式傳感器的信號作用范圍。
步驟A，設定容重區間為1.40～1.57g/cm3，體積含水率區間為5％～45％，設定的擬合點為5％、7％、12％、18％、22％、26％、34％、40％、43％共9個，驗證點為9％、15％、25％、37％、44％共5個。其中5％、7％、9％的容重均設為1.40g/cm3，12％、15％、18％的容重均設為1.45g/cm3，22％、25％、26％的容重均設為1.50g/cm3，34％的容重設為1.55g/cm3，37％的容重設為1.56g/cm3，40％、43％、44％容重均設為1.57g/cm3。
步驟B，將待用土樣自然烘干(或使用烘箱烘干)、碾碎、過篩(過篩后土壤粒徑≤1mm)；
步驟C，根據(1)、(2)、(3)式計算土壤的體積V土，根據(4)式計算干土的質量M干；
V1＝π×r21×h (1)
V2＝π×r22×h (2)
V土＝V1-V2 (3)
M干＝V土×ρ0 (4)
其中，
V1為裝土容器的總體積，單位為cm3；
V2為導管在容器中所占的總體積，單位為cm3；
r1為裝土容器的內半徑，單位為cm；
r2為導管的外半徑，單位為cm；
h為制作土樣的高度，單位為cm；
ρ0為配置土壤的容重，單位為g/cm3；
步驟D，根據(5)式計算每個擬合點和驗證點所加入的水的量；
M水＝ρ水×V土×θ (5)
其中，
ρ水為水的密度，單位為g/cm3
θ為設計的土壤體積含水率；
步驟E，按照選取的擬合點和驗證點體積含水率的大小由低到高依次制作。制作第一個實驗點Vi(設容重為ρi)，將質量為mi干的干土放入裝土容器中，同時加入相應質量的水mi水，然后均勻攪拌；
步驟F，將攪拌均勻后的土壤均勻分成若干份，首先將稱好的第1份土樣放入裝土容器中(注：放入過程中不要將土樣撒到容器外面)，然后使用輔助工具將土樣撫平，最后使用壓實工具均勻壓實土樣，壓實工具每次都要壓到內部標線的位置，將剩余份數土樣按第1份壓實的方式依次壓入容器，裝土完畢后加蓋并密封(如果是插針式傳感器，則不用加蓋密封)，待測試樣制作完畢；
步驟G，將銅環式傳感器插入容器內的導管中(插針式傳感器直接插入導管周邊的土樣中)，穩定后讀取測量的原始頻率值，重復讀取若干組；
步驟H，使用環刀取土。取出傳感器，將環刀均勻放入土樣，蓋上環刀手柄，使用敲擊工具輕輕敲入，到位后取下環刀手柄，在挖出環刀的操作過程中要避免環刀中的試樣掉落，然后使用肖土刀將試樣兩端修平，修平時避免環刀中試樣掉落；
步驟I，重復步驟H，用環刀取樣若干次，依次放入裝土盒子(盒子的蓋和盒體要標記一致)，注意在放的過程中不要掉落試樣，用電子天平(要求感量≤0.01g)稱量試樣濕重m濕(含盒重)，待環刀取土完畢后，將剩余的土樣密封；
步驟J，將稱好濕重的盒子放進烘箱，在105±2℃溫度下烘干6～12小時；
步驟K，用電子天平將烘干的試樣逐一稱重m干；
步驟L，在上一個制作土樣的基礎上，開始制作下一個實驗點Vi+1(設容重為ρi+1)，使用電子天平稱量步驟J中密封后的土樣，總質量記為m余i，稱量完畢后，將其放入塑料盆中備用，由步驟C，計算該實驗點所需的干土質量M(i+1)干，水的質量M(i+1)水，由(6)式計算需要添加的干土質量m′(i+1)干，由(7)式計算水的質量m′(i+1)水：
向塑料盆中加入質量為m′(i+1)干的干土，質量為m′(i+1)水的水，準備拌土，重復步驟E～步驟K的過程；
步驟M，重復步驟L，依次制作完設計的擬合點和驗證點；
步驟N，依次計算記錄的原始頻率值的平均值fi，采用(8)式計算烘干后土樣的體積含水率θi：
θi＝(m濕-m干)/V環刀 (8)
其中，V環刀為環刀的體積，單位為cm3；
以體積含水率θi作為y軸，傳感器輸出頻率的平均值fi對應的歸一化頻率SFi作為x軸，進行擬合，得到土壤校準公式，其中，歸一化頻率SFi通過(9)式計算：
其中，
fa是在傳感器插入空裝土容器內的導管中所測的空氣頻率；
fw是傳感器插入裝滿水的裝土容器內的導管中所測的水中的頻率。
我們對銅環式傳感器進行實驗室校準，根據上述各項步驟，得到所需的監測數據后，采用Matlab軟件，使用冪函數擬合方式，得到的曲線和校準公式如圖1所示，本次校準實驗，我們僅用了兩周時間，比常規校準方法縮短大約一個月的時間，使用該校準方法可以縮短標定周期和減少勞動量，得到的校準曲線經五組驗證點驗證均滿足水利部水文儀器及巖土工程儀器質量監督檢驗測試中心的要求，數據如表1所示。
表1銅環式傳感器測量點與烘干法數據