土壤水分傳感器校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度分析

魏運(yùn)芳 王旭 劉宗堯 劉軍

摘 要：土壤水分觀測在氣象部門逐漸開展，對觀測資料的嚴(yán)格質(zhì)量控制尤其重要。本文介紹了土壤水分測量原理、不確定度影響因素及評定方法。

關(guān)鍵詞：土壤水分;測量原理;不確定度評定

1 緒論

土壤水分含量是土壤檢測項(xiàng)目中大部分參數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是否準(zhǔn)確判斷所使用土壤水分觀測設(shè)備的可靠性，直接關(guān)系到其它參數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性，對土壤水分的測定是保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要手段。吉林省氣象部門建立自動土壤水分觀測站上百個，為準(zhǔn)確把握傳感器的計(jì)量特性，必須對傳感器進(jìn)行周期性校準(zhǔn)。校準(zhǔn)過程中標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)的制備流程、讀數(shù)裝置、配套設(shè)備等都對校準(zhǔn)結(jié)果影響較大，本文著重對校準(zhǔn)結(jié)果的不確定因素進(jìn)行分析。

2 測量原理

DZN1型和DZN2型土壤水分觀測儀均是利用FDR原理（Frequancy Domain Reflectometry），土壤水分變化導(dǎo)致介電常數(shù)變化，而頻率的變化受到電容的影響，根據(jù)探測器發(fā)出的電磁波在不同介電常數(shù)物質(zhì)中的頻率不同，傳感器讀出的頻率與測量的體積含水量之間建立特定的校準(zhǔn)等式，轉(zhuǎn)化為體積含水量，計(jì)算被測物含水量。

3 校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度分析

3.1 實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)方法

自動土壤水分觀測儀器校準(zhǔn)流程包括檢前準(zhǔn)備、砂樣制備、調(diào)試讀數(shù)、環(huán)刀取樣、取樣烘干、稱重計(jì)量和檢后整理7環(huán)節(jié)。根據(jù)吉林省土壤類型和容重范圍，多數(shù)土壤屬于I、II類，容重集中在（1.5～1.8）g/cm3，適合選擇240目石英砂作為模擬介質(zhì)，選取5%、10%、15%、20%、25%作為校準(zhǔn)點(diǎn)。校準(zhǔn)結(jié)果的評定參照J(rèn)JF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》。

3.2 數(shù)學(xué)模型

按照校準(zhǔn)方法，建立下式數(shù)學(xué)模型：

4 校準(zhǔn)結(jié)果不確定度的分析與計(jì)算

JJF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》規(guī)定，根據(jù)數(shù)值評定方法的不同，可將測量結(jié)果的不確定度分為兩類：A類評定和B類評定。

A類評定主要由一系列測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分布獲得的不確定度，用標(biāo)準(zhǔn)偏差來表征。一般影響A類不確定度的因素主要是被檢土壤傳感器測量重復(fù)性引入的不確定度。

B類評定根據(jù)有關(guān)信息或經(jīng)驗(yàn)，判斷被測量可能值區(qū)間。一般影響B(tài)類不確定度的因素主要有：采集器讀數(shù)分辨力引入的不確定度、標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)不均勻引入的不確定度、傳感器入土深度引入的不確定度。

4.1 A類標(biāo)準(zhǔn)測量不確定度的評定

通過對5%、10%、15%、20%和25%共5個校準(zhǔn)點(diǎn)的20次測量，結(jié)果如表1所示。

因?yàn)閱吸c(diǎn)測量次數(shù)n=4，采用極差法求得標(biāo)準(zhǔn)差：

查表得極差法系數(shù)d（4）=2.06，則各點(diǎn)測量結(jié)果的A類評定的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

其中，自由度v=2.7。

4.2 B類標(biāo)準(zhǔn)測量不確定度的評定

A.顯示裝置的分辨力引入的不確定度u1。顯示裝置的分辨力為0.1%，則不確定度區(qū)間半寬度為0.05%，可假設(shè)為均勻分布，查表得k=3，則由分辨力引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1為：

B.介質(zhì)場不均勻引入的不確定度u2。石英砂和水配比后，存在介質(zhì)不均勻性，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，介質(zhì)場體積含水量最大差值為0.2%，則不確定度的半寬度為0.05%，按照均勻分布計(jì)算，取k=3，則有：

C.插針入土深度引入的不確定度u3。探針入土深度對傳感器影響很大，被檢土壤傳感器的插入深度差異將引起測量結(jié)果的誤差，探針趨于全沒過時，數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。假設(shè)為均勻分布，區(qū)間半寬度取0.1%，k=3，則有：

則有B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

4.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由于各不確定度分量之間相互獨(dú)立，所以他們之間的相關(guān)系數(shù)為0。

根據(jù)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算公式可得：

4.4 擴(kuò)展不確定度的計(jì)算

取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度為：

作者簡介：魏運(yùn)芳（1981-），女，漢族，吉林長春人，高級工程師，主要研究方向：儀器計(jì)量檢定。