土壤水分传感器校准结果的不确定度分析

魏运芳 王旭 刘宗尧 刘军

摘 要：土壤水分观测在气象部门逐渐开展，对观测资料的严格质量控制尤其重要。本文介绍了土壤水分测量原理、不确定度影响因素及评定方法。

关键词：土壤水分;测量原理;不确定度评定

1 绪论

土壤水分含量是土壤检测项目中大部分参数计算的基础数据，是否准确判断所使用土壤水分观测设备的可靠性，直接关系到其它参数计算的准確性，对土壤水分的测定是保障农业生产的重要手段。吉林省气象部门建立自动土壤水分观测站上百个，为准确把握传感器的计量特性，必须对传感器进行周期性校准。校准过程中标准介质的制备流程、读数装置、配套设备等都对校准结果影响较大，本文着重对校准结果的不确定因素进行分析。

2 测量原理

DZN1型和DZN2型土壤水分观测仪均是利用FDR原理（Frequancy Domain Reflectometry），土壤水分变化导致介电常数变化，而频率的变化受到电容的影响，根据探测器发出的电磁波在不同介电常数物质中的频率不同，传感器读出的频率与测量的体积含水量之间建立特定的校准等式，转化为体积含水量，计算被测物含水量。

3 校准结果的不确定度分析

3.1 实验室校准方法

自动土壤水分观测仪器校准流程包括检前准备、砂样制备、调试读数、环刀取样、取样烘干、称重计量和检后整理7环节。根据吉林省土壤类型和容重范围，多数土壤属于I、II类，容重集中在（1.5～1.8）g/cm3，适合选择240目石英砂作为模拟介质，选取5%、10%、15%、20%、25%作为校准点。校准结果的评定参照JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》。

3.2 数学模型

按照校准方法，建立下式数学模型：

4 校准结果不确定度的分析与计算

JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》规定，根据数值评定方法的不同，可将测量结果的不确定度分为两类：A类评定和B类评定。

A类评定主要由一系列测量数据的统计分布获得的不确定度，用标准偏差来表征。一般影响A类不确定度的因素主要是被检土壤传感器测量重复性引入的不确定度。

B类评定根据有关信息或经验，判断被测量可能值区间。一般影响B类不确定度的因素主要有：采集器读数分辨力引入的不确定度、标准介质不均匀引入的不确定度、传感器入土深度引入的不确定度。

4.1 A类标准测量不确定度的评定

通过对5%、10%、15%、20%和25%共5个校准点的20次测量，结果如表1所示。

因为单点测量次数n=4，采用极差法求得标准差：

查表得极差法系数d（4）=2.06，则各点测量结果的A类评定的标准不确定度为

其中，自由度v=2.7。

4.2 B类标准测量不确定度的评定

A.显示装置的分辨力引入的不确定度u1。显示装置的分辨力为0.1%，则不确定度区间半宽度为0.05%，可假设为均匀分布，查表得k=3，则由分辨力引起的标准不确定度分量u1为：

B.介质场不均匀引入的不确定度u2。石英砂和水配比后，存在介质不均匀性，依据经验，介质场体积含水量最大差值为0.2%，则不确定度的半宽度为0.05%，按照均匀分布计算，取k=3，则有：

C.插针入土深度引入的不确定度u3。探针入土深度对传感器影响很大，被检土壤传感器的插入深度差异将引起测量结果的误差，探针趋于全没过时，数据趋于稳定。假设为均匀分布，区间半宽度取0.1%，k=3，则有：

则有B类标准不确定度为：

4.3 合成标准不确定度

由于各不确定度分量之间相互独立，所以他们之间的相关系数为0。

根据合成标准不确定度的计算公式可得：

4.4 扩展不确定度的计算

取包含因子k=2，则扩展不确定度为：

作者简介：魏运芳（1981-），女，汉族，吉林长春人，高级工程师，主要研究方向：仪器计量检定。