В области точного земледелия и экологического мониторинга понимание состояния почвы переходит от «нечеткого восприятия» к «точной диагностике». Традиционные измерения одного параметра больше не отвечают требованиям современного принятия решений в сельском хозяйстве. Таким образом, многопараметрические почвенные датчики, способные одновременно и точно отслеживать влажность почвы, pH, соленость и ключевые питательные вещества, становятся «швейцарским армейским ножом» для разгадывания тайн почвы и достижения научного управления. В этой статье мы подробно рассмотрим, как реализуется эта технология.
I. Основной технический принцип: Как «исследовать несколько объектов одной иглой»?
Многопараметрические почвенные датчики представляют собой не просто набор нескольких независимых датчиков. Вместо этого они работают скоординированно в рамках высокоинтегрированной системы, в основном используя следующие основные физические и химические принципы:
Технология рефлектометра временной области/рефлектометра частотной области – мониторинг влажности почвы
Принцип действия: датчик излучает электромагнитные волны и измеряет их изменения после распространения в почве. Поскольку диэлектрическая постоянная воды значительно выше, чем у других веществ в почве, изменение общей диэлектрической постоянной почвы напрямую связано с объемным содержанием воды.
Реализация: Измеряя скорость или частоту распространения электромагнитных волн, можно напрямую, быстро и точно рассчитать влажность почвы. Это один из наиболее распространенных и надежных методов измерения влажности почвы на сегодняшний день.
Электрохимическая сенсорная технология – мониторинг значения pH, содержания солей и ионов.
Значение pH: Используются ионоселективные полевые транзисторы или традиционные стеклянные электроды. Чувствительная пленка на их поверхности реагирует на ионы водорода в почвенном растворе, генерируя разность потенциалов, связанную со значением pH.
Соленость: Уровень солености почвы напрямую отражается измерением электропроводности почвенного раствора. Чем выше значение электропроводности, тем выше концентрация растворимых солей.
Питательные вещества: это наиболее сложная техническая задача. Для определения ключевых питательных веществ, таких как азот, фосфор и калий, в современных датчиках используются ионоселективные электроды. Каждый ионоселективный электрод избирательно реагирует на определенные ионы (например, ион аммония NH₄⁺, ион нитрата NO₃⁻ и ион калия K⁺), тем самым оценивая их концентрацию.
Оптическая сенсорная технология – будущая звезда в мониторинге питательных веществ.
Принцип действия: Используются такие методы, как ближнеинфракрасная спектроскопия или лазерно-индуцированная спектроскопия пробоя. Датчик излучает свет определенных длин волн в почву. Различные компоненты почвы поглощают, отражают или рассеивают этот свет, образуя уникальный «спектральный отпечаток».
Реализация: Путем анализа спектральной информации и ее объединения со сложной калибровочной моделью можно одновременно и обратимо определять множество параметров, таких как содержание органического вещества в почве и азота. Это новый тип бесконтактного и безреагентного метода обнаружения.
II. Системная интеграция и проблемы: инженерная мудрость, лежащая в основе точности.
Интеграция вышеупомянутых технологий в компактный зонд и обеспечение его долговременной стабильной работы представляют собой значительные сложности:
Интеграция датчиков: как рационально разместить каждый чувствительный блок в ограниченном пространстве, чтобы избежать взаимных помех между электромагнитными сигналами и измерениями ионов.
Интеллектуальная система датчиков почвы: комплексная система включает в себя не только сам зонд, но и интегрирует регистратор данных, модуль управления питанием и модуль беспроводной передачи, образуя беспроводную сеть датчиков почвы для сбора данных в режиме реального времени и их удаленной передачи.
Компенсация и калибровка воздействия окружающей среды: изменения температуры почвы могут существенно влиять на результаты всех электрохимических и оптических измерений. Поэтому все высококачественные многопараметрические датчики оснащены встроенными датчиками температуры и используют алгоритмы для выполнения температурной компенсации показаний в реальном времени, что является ключом к обеспечению точности данных.
Натурный мониторинг и долговременная стабильность: датчик предназначен для заглубления в грунт для долговременного натурного мониторинга, а это значит, что он должен иметь прочный корпус, устойчивый к коррозии, давлению и воздействию корней. Калибровка — еще одна огромная проблема. Заводская калибровка часто недостаточна. Калибровка на месте для конкретных типов грунта имеет решающее значение для получения точных показаний.
III. Основные ценности и их применение: почему это так важно?
Это комплексное решение для мониторинга почвы принесло революционные результаты:
Всестороннее понимание здоровья почвы: больше не следует рассматривать воду или питательные вещества изолированно, а нужно понимать их взаимосвязь. Например, знание влажности почвы помогает объяснить эффективность миграции питательных веществ; знание значения pH может определить доступность NPK-питательных веществ.
Обеспечьте точное орошение и внесение удобрений: предоставьте данные в режиме реального времени для технологии переменной нормы внесения удобрений, чтобы обеспечить орошение и внесение удобрений по требованию, значительно повысить эффективность использования воды и удобрений, снизить затраты и минимизировать загрязнение окружающей среды.
Реализация мониторинга окружающей среды в режиме реального времени: для научных исследований и охраны окружающей среды система позволяет непрерывно отслеживать динамические изменения параметров почвы, предоставляя ценные данные для изучения изменения климата, миграции загрязняющих веществ и т. д.
IV. Перспективы на будущее
В будущем многопараметрические почвенные датчики будут развиваться в направлении большей интеграции (например, интеграции функций почвенного тензиометра), снижения энергопотребления (за счет технологии сбора энергии из почвы), повышения интеллектуальности (с использованием встроенных моделей ИИ для самодиагностики и прогнозирования данных) и снижения стоимости. С распространением этой технологии они станут незаменимой инфраструктурой в интеллектуальном сельском хозяйстве и цифровом управлении почвами.
Заключение: Многопараметрический датчик почвы успешно обеспечивает синхронный и точный мониторинг ключевых параметров почвы благодаря интеграции множества передовых технологий, таких как TDR/FDR, электрохимия и оптика, а также за счет точной системной интеграции и интеллектуальных алгоритмов. Это не только кульминация технологического прогресса, но и ключ к переходу к новой эре точного земледелия, ресурсосберегающего и экологически безопасного.
Для получения более подробной информации о почвенных датчиках, пожалуйста, свяжитесь с компанией Honde Technology Co., LTD.
WhatsApp: +86-15210548582
Email: info@hondetech.com
Веб-сайт компании:www.hondetechco.com
Дата публикации: 29 сентября 2025 г.