2023 年 12 月 Dec 2023 第 41 卷 第 12 期 Vol 41 No 12 徐坤 栽培基質(zhì) pH 原位檢測溫濕度雙補(bǔ)償方法 徐坤 1 2 肖凱 1 袁貴杰 1 徐云峰 2 張西良 2 1 河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 河南 鄭州 450001 2 江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江 212013 收稿日期 2022 12 09 修回日期 2023 03 10 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間 2023 12 06 網(wǎng)絡(luò)出版地址 https link cnki net urlid 32 1814 TH 20231205 1114 016 基金項(xiàng)目 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 32071900 河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目 212102110205 第一作者簡介 徐坤 1989 男 河南光山人 副教授 通信作者 k xu018 haut edu cn 主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè)信息檢測技術(shù)研究 第二作者簡介 肖凱 2000 男 河南泌陽人 碩士研究生 879560698 qq com 主要從事智能傳感器研究 摘要 針對(duì)栽培基質(zhì) pH 原位檢測過程中基質(zhì)溫度和濕度影響導(dǎo)致的測量誤差大的問題 提出了 一種栽培基質(zhì) pH 原位檢測溫濕度雙補(bǔ)償方法 以典型栽培基質(zhì) 泥炭 蛭石 為目標(biāo)材料 選用 自制的全固態(tài) pH 傳感器 首先建立傳感器溫度補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型 在此基礎(chǔ)上 分別試驗(yàn)研究了濕 度變化對(duì)土壤各種類型栽培基質(zhì) pH 原位測定結(jié)果的變化影響及其規(guī)律 并分別建立了各種類 型栽培基質(zhì)中的 pH 原位測定溫濕度控制雙補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型 最后 利用栽培植物基質(zhì) pH 原位測 定的試驗(yàn)方法 對(duì)所建立的雙補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)和分析 試驗(yàn)研究結(jié)果分析顯示 針 對(duì)土壤泥炭基質(zhì)和土壤蛭石基質(zhì) 通過溫濕度雙補(bǔ)償算法處理后 pH 原位檢測的測量絕對(duì)誤差 從 1 79 0 72 降低到 0 16 0 27 相對(duì)誤差從 32 84 11 45 降低到 2 66 4 95 整體測量 誤差水平已達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 土壤 pH 的測定 NY T 1377 2007 規(guī)定的精度要求 關(guān)鍵詞 栽培基質(zhì) 溫度補(bǔ)償 濕度補(bǔ)償 原位檢測 pH 傳感器 中圖分類號(hào) S237 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1674 8530 2023 12 1276 07 DOI 10 3969 j issn 1674 8530 22 0300 徐坤 肖凱 袁貴杰 等 栽培基質(zhì) pH 原位檢測溫濕度雙補(bǔ)償方法 J 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào) 2023 41 12 1276 1282 XU Kun XIAO Kai YUAN Guijie et al Temperature and humidity dual compensation method for in situ detection of pH of cultiva tion substrates J Journal of drainage and irrigation machinery engineering JDIME 2023 41 12 1276 1282 in Chinese Temperature and humidity dual compensation method for in situ detection of pH of cultivation substrates XU Kun 1 2 XIAO Kai 1 YUAN Guijie 1 XU Yunfeng 2 ZHANG Xiliang 2 1 College of Electrical Engineering Henan University of Technology Zhengzhou Henan 450001 China 2 School of Mechanical Engineering Jiangsu University Zhenjiang Jiangsu 212013 China Abstract Aiming at the problem of large measurement errors caused by the influence of substrate tem perature and humidity during the in situ detection of pH of cultivation substrates a temperature and humidity double compensation method for in situ detection of pH of cultivation substrates was proposed Typical cultivation substrates peat vermiculite was taken as the target material a self made all solid state pH sensor was selected Firstly the temperature compensation mathematical model was es tablished with solution measurement Subsequently the effects of humidity changes on the pH values of various types of soil cultivation substrates were experimentally studied the influence and regularity of the changes in the in situ measurement results and a double compensation mathematical model for in situ pH measurement temperature as well as humidity control in various types of cultivated substrates were established Finally the experimental method of in situ pH measurement of cultivated plant sub strates was used to study evaluate and analyze the results of the established double compensation 第 12 期 徐坤 等 栽培基質(zhì) pH 原位檢測溫濕度雙補(bǔ)償方法 mathematical models Analysis of the experimental research results shows that for soil peat matrix and soil vermiculite matrix after processing by temperature and humidity double compensation algorithm the absolute error range of pH in situ detection is reduced from 1 79 0 72 to 0 16 0 27 pH unit and the relative error range decreases from 32 84 11 45 to 2 66 4 95 The overall mea surement error level is close to accuracy requirement of the national standard for soil pH measurement NY T 1377 2007 Key words cultivation substrates temperature compensation humidity compensation in situ detection pH sensor 基質(zhì)栽培是無土栽培的重要形式之一 栽培基 質(zhì)的 pH 水平直接影響農(nóng)作物的生長狀況及品 質(zhì) 1 2 研究表明 栽培基質(zhì)中有效養(yǎng)分的 pH 值在 6 5 7 5 具有最佳效果 過酸或過堿環(huán)境下 均會(huì)影 響植物的養(yǎng)分狀況 導(dǎo)致農(nóng)作物品質(zhì)下降 3 4 根據(jù) 能斯特響應(yīng)方程 被測體系溫度對(duì) pH 檢測結(jié)果有 顯著影響 同時(shí) 栽培基質(zhì)中氫離子依附于水分子而 存在 和水分子相結(jié)合形成能穩(wěn)定存在的水合氫離 子 H 3 O pH 檢測結(jié)果與基質(zhì)含水量水平息息相 關(guān) 5 7 因此 在栽培基質(zhì) pH 原位檢測中 對(duì) pH 傳 感器進(jìn)行溫濕度雙補(bǔ)償具有重要意義 可有效提高 栽培基質(zhì) pH 原位檢測的準(zhǔn)確性 pH 傳感器溫度補(bǔ)償方法主要包括手動(dòng)和自動(dòng) 補(bǔ)償 2 種 如 PHS 73 型 pH 計(jì)通過調(diào)整電位器改變 補(bǔ)償電壓實(shí)現(xiàn)對(duì) pH 傳感器檢測結(jié)果的溫度補(bǔ)償 馮 秀清等 8 提出 pH 傳感器溫度補(bǔ)償方法主要有零溫 度系數(shù)調(diào)節(jié)法 交流注頻技術(shù) 差分對(duì)管補(bǔ)償法 二 極管補(bǔ)償法等 在硬件電路上通過手動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)溫 度補(bǔ)償 沃國經(jīng) 9 通過微處理器實(shí)現(xiàn) 8701 智能 pH 過程控制儀自動(dòng)溫度補(bǔ)償 張開遠(yuǎn)等 10 設(shè)計(jì)一種以 單片機(jī)為控制器的基于最小二乘法的 pH 值溫度補(bǔ) 償系統(tǒng) 趙學(xué)亮等 11 研究了深部含水層 pH 值在線 監(jiān)測電位漂移補(bǔ)償技術(shù) 構(gòu)建了溫度 電極老化 壓 力水流速等多因素智能補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型 室內(nèi)和野外 測試精度為 0 2 趙燕東等 12 研究了土壤 pH 在線 實(shí)時(shí)檢測技術(shù) 并采用含水量和溫度分別對(duì)測量結(jié) 果進(jìn)行最小二乘法的補(bǔ)償處理 在土壤樣本測試中 取得了較好的試驗(yàn)效果 總之 自動(dòng)溫度補(bǔ)償方法具 有精確度高 應(yīng)用靈活 操作方便等優(yōu)勢(shì) 現(xiàn)有 pH 補(bǔ) 償方法以溫度補(bǔ)償為主 主要針對(duì)溶液 pH 的測量 但是關(guān)于栽培基質(zhì) pH 檢測補(bǔ)償方法的研究鮮有 報(bào)道 文中以典型栽培基質(zhì)為目標(biāo)材料 提出一種栽 培基質(zhì) pH 原位檢測溫濕度雙補(bǔ)償方法 首先 通過 PBS phosphate buffered saline 緩沖液試驗(yàn)建立 pH 原位檢測傳感器溫度補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型 其次 分別以 泥炭和蛭石為研究材料 試驗(yàn)研究并建立濕度補(bǔ)償 數(shù)學(xué)模型 繼而建立栽培基質(zhì) pH 原位檢測的溫濕 度雙補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型 最后 通過栽培基質(zhì) pH 原位檢 測試驗(yàn) 評(píng)價(jià)分析溫濕度雙補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型的有效性 1 溫濕度雙補(bǔ)償原理分析 金屬 金屬氧化物電極具有力學(xué)性能好 耐強(qiáng) 酸強(qiáng)堿 耐高溫高壓 容易制備且可微型化等優(yōu)點(diǎn) 其在一些特殊環(huán)境下 pH 原位檢測中具有較大的發(fā) 展?jié)摿蛻?yīng)用前景 成為近年來 pH 測量方法研究 的重點(diǎn)之一 13 14 金屬 金屬氧化物 pH 傳感器響應(yīng)規(guī)律符合能 斯特方程 即 E E 0 2 303RT F pH E 0 kpH 1 式中 E 0 為參比電極電勢(shì) V R 為氣體常數(shù) R 8 314 J K mol T 為絕對(duì)溫度 K F 為法拉第常 數(shù) F 96 487 J V mol 2 303 RT F 為能斯特斜 率 即響應(yīng)斜率 k 15 從式 1 可以看出 pH 傳感器的響應(yīng)斜率 k 對(duì) 溫度具有明顯依賴性 栽培基質(zhì) pH 原位檢測的實(shí)質(zhì)是檢測基質(zhì)中游 離的氫離子含量 氫離子一般是由酸在水底電離生 成 而且氫離子是 裸露 的質(zhì)子 半徑很小 很難獨(dú) 立穩(wěn)定存在 易被周圍水分子彌散和吸收形成水合 氫離子 H 3 O 所以 自然條件下基質(zhì)溶液中的氫 離子一般以水合氫離子的形態(tài)出現(xiàn) 當(dāng)含水量降低 到一定的水平 氫離子的移動(dòng)相對(duì)緩慢 不利于氫 離子在傳感器表面上的富集 進(jìn)而影響栽培基質(zhì) pH 值的原位測定 所以 栽培基質(zhì) pH 原位檢測和基質(zhì) 溶液中的水有關(guān) 為了提高栽培基質(zhì) pH 原位檢測 準(zhǔn)確性 研究基質(zhì)含水量對(duì) pH 原位檢測的影響并 建立栽培基質(zhì) pH 原位檢測溫濕度補(bǔ)償機(jī)制具有重 1277 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào) 第 41 卷 要意義 文獻(xiàn) 16 17 提出了全固態(tài)栽培基質(zhì) pH 原位 檢測傳感器 該傳感器以 PCB printed circuit board 為基底 以全氟磺酸樹脂 Nafion H 修飾的銻薄膜 為工作電極 石墨烯 殼聚糖修飾的 Ag AgCl 為電 極 文中采用該種自制傳感器 研究其用于栽培基質(zhì) pH 原位檢測的溫濕度分步雙補(bǔ)償方法 首先進(jìn)行溫 度補(bǔ)償試驗(yàn) 得到溫度 T 與電勢(shì) E 的補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型 再進(jìn)行二次濕度 補(bǔ)償試驗(yàn) 最終得到溫濕度雙補(bǔ) 償數(shù)學(xué)模型 如圖 1 所示 圖中 b T k T 分別為溫 度補(bǔ)償常數(shù)項(xiàng) 比例項(xiàng) b T k T 分別為雙補(bǔ) 償常數(shù)項(xiàng) 比例項(xiàng) 圖 1 pH 傳感器溫濕度雙補(bǔ)償原理 Fig 1 Double compensation mechanism of pH sensor temperature and humidity 2 溫濕度雙補(bǔ)償試驗(yàn)研究 2 1 溫度補(bǔ)償試驗(yàn)研究 根據(jù)能斯特方程 溫度對(duì)于 pH 檢測的影響是 一直存在的 其規(guī)律不受其他環(huán)境因素的干擾 采 用 PBS 緩沖液均相體系下廣泛使用的溫度補(bǔ)償試 驗(yàn)方案 pH 傳感器輸出電勢(shì) E 與 pH 值的數(shù)學(xué)模型 可以簡化為 E kpH w b 2 式中 pH w 為溫度補(bǔ)償后的測量值 b 為常數(shù)項(xiàng) 由此 可知 pH 傳感器的溫度補(bǔ)償規(guī)律與傳感器輸出電勢(shì) E 直接相關(guān) 可以簡化為溫度與響應(yīng)斜率 k 和常數(shù) 項(xiàng) b 之間的數(shù)學(xué)關(guān)系 分別研究 pH 為 4 01 6 86 和 9 18 的緩沖液下 溫度響應(yīng)規(guī)律 溫度設(shè)為 283 K 10 293 K 20 303 K 30 313 K 40 和 323 K 50 采用熱浴鍋進(jìn)行溫度控制 分別設(shè)置熱浴 溫度為 283 293 303 313 和 323 K 用溫度計(jì)檢測待 測樣品溫度變化 當(dāng)待測樣品溫度與水浴溫度一致 且達(dá)到穩(wěn)定時(shí) 將自制的全固態(tài) pH 傳感器浸入樣 品中進(jìn)行測量 借助電化學(xué)工作站 CHI660D 上海 辰華 中國 記錄傳感器輸出 以穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)為試 驗(yàn)結(jié)果并記錄 每組在相同試驗(yàn)環(huán)境下重復(fù)測量 3 次 取 3 次結(jié)果的平均值為測量值 結(jié)果如圖 2 所示 圖 2 pH 傳感器在不同溫度下的靈敏度 Fig 2 Sensitivity of pH sensor at different temperatures 由圖 1 可知 自制的 pH 傳感器在溶液測量環(huán) 境中具有很好的線性度 采用 Origin 2021 數(shù)據(jù)分析 軟件對(duì)圖中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合 得到不同溫度 T 下 pH 傳感器的響應(yīng)數(shù)學(xué)模型 結(jié)果如表 1 所示 表 1 pH 傳感器溫度補(bǔ)償系數(shù)與溫度關(guān)系 Tab 1 Relationship between pH sensor tempera ture compensation coefficient and tempe rature 參數(shù) T K k b 數(shù)值 283 0 047 0 128 293 0 052 0 136 303 0 059 0 141 313 0 063 0 146 323 0 066 0 157 由表 1 可知 隨著水浴溫度的升高 pH 傳感器 響應(yīng)斜率 k 數(shù)值不斷增大 所對(duì)應(yīng)的常數(shù)項(xiàng) b 也在 增大 且都與水浴溫度 T 呈近似線性關(guān)系 進(jìn)一步 擬合分別得到響應(yīng)斜率 k 常數(shù)項(xiàng) b 與水浴溫度 T 的數(shù)學(xué)關(guān)系模型 即 k 0 000 5T 0 091 1 3 b 0 000 7T 0 064 4 4 式 3 4 的線性回歸系數(shù) R 2 分別為 0 984 和 0 977 表明具有較好的線性度 符合能斯特方程中 溫度系數(shù)的線性影響規(guī)律 將式 3 和式 4 分別 代入式 2 得到 pH 傳感器的溫度補(bǔ)償數(shù)學(xué)模 型為 1278 第 12 期 徐坤 等 栽培基質(zhì) pH 原位檢測溫濕度雙補(bǔ)償方法 E 0 000 5T 0 091 1 pH w 0 000 7T 0 064 4 5 即 pH w E 0 000 7T 0 064 4 0 000 5T 0 091 1 6 2 2 濕度補(bǔ)償試驗(yàn)研究 為探究栽培基質(zhì)濕度對(duì) pH 原位檢測的影響 文中選取吸水性差異大的 2 種典型栽培基質(zhì) 泥 炭和蛭石為研究材料 取已干燥 除雜 過篩等預(yù)處 理的栽培基質(zhì)樣品 各稱取 3 等份 10 g 干基質(zhì)樣 本 分別各用 5 mL 的 pH 為 4 01 6 86 和 9 18 的緩 沖液混合攪拌 完全風(fēng)干水分后制成不同 pH 的基 質(zhì)樣本 每份基質(zhì)樣本再分成 5 等份 分別添加一定 量的去離子水 混合均勻 靜置 4 h 將一定量的基質(zhì) 樣本裝入 20 mL 的小燒杯中 體積壓到 18 mL 處 為 了獲得不同的體積含水量 每次所取基質(zhì)樣本的重 量會(huì)有所不同 蛭石和泥炭具有不同的顆粒尺寸和 吸水性 因此各基質(zhì)樣本添加的去離子水的體積也 不同 具體參數(shù)如表 2 所示 表中 S 為水和基質(zhì)的質(zhì) 量比 m 為質(zhì)量含水量 M b 為濕基質(zhì)質(zhì)量 M w 為含 水質(zhì)量 v 為體積含水量 表 2 泥炭和蛭石基質(zhì)處理參數(shù)表 Tab 2 Parameters of treatment for peat and vermiculite 處理 S m M b g M w g v 泥炭 1 1 50 0 5 2 2 6 14 4 2 1 66 7 7 8 5 2 28 9 3 1 75 0 10 4 7 8 43 3 4 1 80 0 13 0 10 4 57 8 5 1 83 3 15 6 13 0 72 2 蛭石 1 1 50 0 8 0 4 0 22 2 2 1 66 7 12 0 8 0 44 4 2 5 1 71 4 14 0 10 0 55 5 3 1 75 0 16 0 12 0 66 7 4 1 80 0 20 0 16 0 88 9 將 pH 傳感器分別插入各被測樣本中進(jìn)行原位 pH 檢測 用電化學(xué)工作站記錄其輸出電勢(shì) 待其穩(wěn) 定后記錄其穩(wěn)定電勢(shì) E 每個(gè)樣本重復(fù)測量 5 次取 電勢(shì)平均值作為電勢(shì)輸出 結(jié)合溫度補(bǔ)償數(shù)學(xué)模 型 計(jì)算經(jīng)過溫度補(bǔ)償之后的 pH 值作為 pH 測量 值 同時(shí)分別對(duì)基質(zhì)樣本按照基質(zhì)和水 1 5 比例浸 提處理 配制相應(yīng)浸提液 采用數(shù)字 pH 檢測儀測量 浸提液的 pH 值作為樣本 pH 參考值 pH c 結(jié)果如 表 3 和表 4 所示 采用 Origin 2021 對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行 數(shù)據(jù)分析 結(jié)果如圖 3 和圖 4 所示 其中 pH s 為濕 度補(bǔ)償后測量值 pH s 表示測量絕對(duì)誤差 pH mean 為測量誤差的平均值 表 3 泥炭含水量補(bǔ)償試驗(yàn)結(jié)果 Tab 3 Results of humidity compensation tests for peat 處理 S v E V pH s pH s 泥炭 1 pH c 5 28 1 1 14 4 0 016 3 2 288 7 2 991 3 2 1 28 9 0 012 3 2 835 5 2 444 5 3 1 43 3 0 014 3 2 873 8 2 406 2 4 1 57 8 0 031 8 3 208 4 2 071 6 5 1 72 2 0 043 5 3 432 1 1 847 9 泥炭 2 pH c 6 35 1 1 14 4 0 054 4 3 640 5 2 709 4 2 1 28 9 0 050 7 3 569 7 2 780 2 3 1 43 3 0 092 5 4 369 0 1 980 9 4 1 57 8 0 086 4 4 252 3 2 097 6 5 1 72 2 0 107 5 4 655 8 1 694 1 泥炭 3 pH c 7 04 1 1 14 4 0 090 4 4 332 3 2 707 7 2 1 28 9 0 107 2 4 653 2 2 386 8 3 1 43 3 0 126 0 5 014 5 2 025 5 4 1 57 8 0 134 3 5 171 6 1 868 4 5 1 72 2 0 150 6 5 482 8 1 557 2 圖 3 泥炭樣本含水量補(bǔ)償結(jié)果 Fig 3 Results of humidity compensation tests for peat 由表 3 和圖 3 可知 在泥炭基質(zhì)樣本 pH 原位 檢測中 隨著泥炭基質(zhì)體積含水量的不斷提高 測 量結(jié)果的絕對(duì)誤差值在不斷減小 且所有絕對(duì)誤差 均為負(fù)值 這是由于隨著體積含水量的不斷提高 泥 炭基質(zhì)中的游離氫離子或水合氫離子不斷增加 其 在基質(zhì)顆粒間的轉(zhuǎn)移和交換行為更加活躍 即水合 氫離子在 pH 傳感器表面富集效果更好 測量結(jié)果的 絕對(duì)誤差隨體積含水量變化近似呈線性 在不同體 積含水量和不同 pH 參考值情況下 測量絕對(duì)誤差 的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0 230 38 對(duì)含水量 v 和絕對(duì)誤 差 pH s 進(jìn)行線性回歸分析 回歸方程為 pH s 1 889 28 v 3 057 54 7 在泥炭基質(zhì) pH 原位檢測中 pH 的體積含水量 即 濕度 補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型為 pH b pH w 1 889 28 v 3 057 54 8 式中 pH b 為溫濕度雙補(bǔ)償后的測量參考值 pH w 為 1279 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào) 第 41 卷 經(jīng)過溫度補(bǔ)償后的測量值 再結(jié)合溫度補(bǔ)償公式 6 可得 在泥炭基質(zhì)測 量環(huán)境中 pH 傳感器的原位檢測的溫濕度雙補(bǔ)償數(shù) 學(xué)模型為 pH b E 0 000 7T 0 064 4 0 000 5T 0 091 1 1 889 28 v 3 057 54 9 同理 蛭石栽培基質(zhì)的濕度補(bǔ)償試驗(yàn)結(jié)果如表 4 和圖 4 所示 表 4 蛭石含水量補(bǔ)償試驗(yàn)結(jié)果 Tab 4 Results of humidity compensation tests for vermiculite 處理 S v E V pH s pH s 蛭石 1 pH c 6 34 1 1 22 2 0 008 7 2 766 6 3 573 3 2 1 44 4 0 019 7 2 978 0 3 361 9 2 5 1 55 5 0 064 2 3 827 7 2 512 2 3 1 66 7 0 074 0 4 015 1 2 324 8 4 1 88 9 0 145 2 5 377 5 0 962 4 蛭石 2 pH c 7 23 1 1 22 2 0 076 0 4 054 2 3 175 7 2 1 44 4 0 106 6 4 639 1 2 590 8 2 5 1 55 5 0 128 9 5 065 5 2 164 4 3 1 66 7 0 184 0 6 118 8 1 111 1 4 1 88 9 0 260 2 7 577 0 0 347 0 蛭石 3 pH c 8 67 1 1 22 2 0 160 9 5 678 3 2 991 6 2 1 44 4 0 223 2 6 868 1 1 801 8 2 5 1 55 5 0 294 7 8 236 1 0 433 8 3 1 66 7 0 314 0 8 604 7 0 065 2 4 1 88 9 0 356 1 9 409 7 0 739 7 圖 4 蛭石基質(zhì)的含水量補(bǔ)償 Fig 4 Results of humidity compensation tests for ver miculite 由圖 4 和表 4 可知 與泥炭基質(zhì)樣本測量結(jié)果 類似 在蛭石基質(zhì)樣本中 隨著基質(zhì)樣本體積含水 量不斷增加 在相同的浸提 pH 水平下 其測量絕對(duì) 誤差不斷減小 且近似呈線性關(guān)系 相比于泥炭基質(zhì) 樣本 在蛭石基質(zhì)樣本中 其 pH 測量絕對(duì)誤差 pH s 范圍更大 pH s 在不同浸提水平下的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差 為 1 75 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于泥炭基質(zhì)測量結(jié)果 2 種不同基質(zhì) 測量結(jié)果的數(shù)學(xué)分析結(jié)果具有顯著差異 可能是由 于 2 種基質(zhì)的質(zhì)地 粒度 吸水性之間的差異導(dǎo)致 的 尤其是蛭石的顆粒尺寸明顯大于泥炭 而其吸 水性卻明顯小于泥炭基質(zhì) 對(duì)表 4 中含水量 v 和絕對(duì)誤差 pH s 的數(shù)據(jù)進(jìn) 行線性回歸分析 回歸方程為 pH s 5 073 48 v 4 549 96 10 進(jìn)而得到在蛭石基質(zhì)測量環(huán)境中 pH 的體積含水量 補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型為 pH b pH w 5 073 48 v 4 549 96 11 再結(jié)合 pH 的溫度補(bǔ)償公式 6 可得 在蛭石基質(zhì)測 量環(huán)境中 所研制的 pH 傳感器的溫濕度雙補(bǔ)償數(shù) 學(xué)模型為 pH b E 0 000 7T 0 064 4 0 000 5T 0 091 1 5 073 48 v 4 549 96 12 3 基于雙補(bǔ)償算法的應(yīng)用試驗(yàn)研究 為驗(yàn)證雙補(bǔ)償算法的有效性 分別于不同 pH 值 不同含水量條件下的泥炭 蛭石基質(zhì)中進(jìn)行試 驗(yàn)研究 同樣分別對(duì)各基質(zhì)樣本按照基質(zhì)和水 1 5 比例進(jìn)行浸提處理 配置浸提液 采用數(shù)字 pH 檢測 儀測量浸提液的 pH 值作為樣本 pH 參考值 使用電 化學(xué)工作站測試 pH 傳感器輸出電勢(shì) 按照能斯特 方程計(jì)算出未經(jīng)補(bǔ)償?shù)幕|(zhì) pH 值 使用式 12 分 別對(duì)泥炭 蛭石基質(zhì)進(jìn)行溫濕度雙補(bǔ)償 并將經(jīng)過 雙補(bǔ)償?shù)?pH 傳感器檢測結(jié)果與未經(jīng)補(bǔ)償?shù)臋z測效 果進(jìn)行對(duì)比 分析檢測誤差 結(jié)果如表 5 所示 表中 pH a 為未經(jīng)補(bǔ)償測量值 pH b 為補(bǔ)償值 pH a 為未 經(jīng)補(bǔ)償測量絕對(duì)誤差 pH b 為補(bǔ)償后絕對(duì)誤差 a 為測量相對(duì)誤差 b 為補(bǔ)償后的相對(duì)誤差 表 5 基于雙補(bǔ)償算法的基質(zhì) pH 傳感器應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果 Tab 5 Results of tests with the developed pH de tector for cultivated substrate 處理 pH c pH a pH a a pH b pH b b 泥炭 1 7 51 5 79 1 72 22 90 7 71 0 20 2 66 泥炭 2 5 45 3 66 1 79 32 84 5 72 0 27 4 95 泥炭 3 4 82 3 42 1 40 29 04 4 98 0 16 3 32 蛭石 1 6 29 7 01 0 72 11 45 6 55 0 26 4 13 蛭石 2 8 15 7 67 0 48 5 89 8 42 0 27 3 31 蛭石 3 7 48 6 72 0 76 10 16 7 68 0 20 2 67 由表 5 可知 對(duì)于蛭石和泥炭基質(zhì) 經(jīng)過雙補(bǔ)償 1280 第 12 期 徐坤 等 栽培基質(zhì) pH 原位檢測溫濕度雙補(bǔ)償方法 算法處理的 pH 原位檢測精度誤差得到了明顯改善 未經(jīng)補(bǔ)償處理的 pH 檢測值絕對(duì)誤差為 1 79 0 72 相對(duì)誤差為 32 84 11 45 經(jīng)過溫濕度雙 補(bǔ)償處理后 pH 檢測值絕對(duì)誤差為 0 16 0 27 相 對(duì)誤差為 2 66 4 95 其呈現(xiàn)的整體誤差較小 達(dá)到 土壤 pH 的測定 NY T 1377 2007 規(guī)范的 精度標(biāo)準(zhǔn) 4 結(jié) 論 1 栽培基質(zhì)環(huán)境的溫度和濕度是影響栽培基 質(zhì) pH 原位檢測準(zhǔn)確度的最主要因素 文中提出一 種栽培基質(zhì) pH 原位檢測的溫濕度雙補(bǔ)償方法 首 先 對(duì)全固態(tài) pH 傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償 建立其溫度 補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型 其次 進(jìn)行二次補(bǔ)償 即濕度補(bǔ)償 最后 建立栽培基質(zhì) pH 原位檢測的溫濕度雙補(bǔ)償 數(shù)學(xué)模型 2 考慮到不同基質(zhì)之間理化特性的巨大差異 選取典型基質(zhì) 泥炭和蛭石作為研究材料 對(duì)比 分析了 2 種基質(zhì) pH 原位檢測的誤差分布統(tǒng)計(jì)規(guī) 律 并分別建立了泥炭和蛭石基質(zhì)的 pH 原位檢測 溫濕度補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型 3 經(jīng)過雙補(bǔ)償算法處理 泥炭和蛭石基質(zhì) pH 原位檢測的測量誤差明顯降低 絕對(duì)誤差從 1 79 0 72 降低到 0 16 0 27 相對(duì)誤差從 32 84 11 45 降低到 2 66 4 95 達(dá)到 土壤 pH 的測 定 NY T 1377 2007 規(guī)范的精度標(biāo)準(zhǔn) 參考文獻(xiàn) References 1 YIN H Y CAO Y T MARELLI B et al Soil sensors and plant wearables for smart and precision agriculture J Advanced materials 2021 33 20 2007764 2 DAS P PAUL S BHATTACHARYA S S et al Smart phone based spectrometric analyzer for accurate estimation of pH value in soil J IEEE sensors journal 2021 21 3 2839 2845 3 SCHEBERL L SCHARENBROCH B C WERNER L P et al Evaluation of soil pH and soil moisture with different field sensors case study urban soil J Urban forestry urban greening 2019 38 267 279 4 孫錦 李謙盛 岳冬 等 國內(nèi)外無土栽培技術(shù)研究現(xiàn) 狀與應(yīng)用前景 J 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2022 45 5 898 915 SUN Jin LI Qiansheng YUE Dong et al Research status and application prospects of soilless culture tech nology in the world J Journal of Nanjing Agricultural University 2022 45 5 898 915 in Chinese 5 劉杰云 張文正 沈健林 等 水分管理及生物質(zhì)炭對(duì) 稻田土壤含水率及 pH 值的影響 J 灌溉排水學(xué)報(bào) 2021 40 7 44 50 LIU Jieyun ZHANG Wenzheng SHEN Jianlin et al The combined effects of water management and biochar amendment on soil water content and pH of paddy soil J Journal of irrigation and drainage 2021 40 7 44 50 in Chinese 6 程金 張思文 黃文卿 等 福建省耕地土壤 pH 空間分 布及影響因素分析 J 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2022 27 12 90 101 CHENG Jin ZHANG Siwen HUANG Wenqing et al Spatial distribution of soil pH and the main driving factors in farmlands of Fujian Province J Journal of China Agricultural University 2022 27 12 90 101 in Chinese 7 凌子晗 溫慶宇 丁志群 基于光電傳感的 pH 值檢測 研究 J 電子測量技術(shù) 2020 43 9 139 142 LING Zihan WEN Qingyu DING Zhiqun Research on the measurement of pH value based on the photoelectric sensor J Electronic measurement technology 2020 43 9 139 142 in Chinese 8 馮秀清 石琳 周前能 pH ISFET 的溫度特性及其補(bǔ) 償?shù)挠懻?J 遼寧工學(xué)院學(xué) 報(bào) 2002 22 4 13 15 FENG Xiuqing SHI Lin ZHOU Qianneng Discussions on the temperature characteristics and compensations of pH ISFET J Journal of Liaoning Institute of Techno logy 2002 22 4 13 15 in Chinese 9 沃國經(jīng) 8701 pH 儀軟件電極校正和溫度補(bǔ)償 J 化 工自動(dòng)化及儀表 1989 17 2 52 55 WO Guojing 8701 pH meter software electrode calibra tion and temperature compensation J Control and in struments in chemical industry 1989 17 2 52 55 in Chinese 10 張開遠(yuǎn) 周孟然 閆鵬程 等 基于最小二乘法的 pH 值溫度補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 傳感器與微系統(tǒng) 2015 34 5 109 111 ZHANG Kaiyuan ZHOU Mengran YAN Pengcheng et al Design of temperature compensation system of pH value based on least square method J Transducer and microsystem technologies 2015 34 5 109 111 in Chinese 11 趙學(xué)亮 魏光華 深部含水層 pH 值在線監(jiān)測電位漂 移補(bǔ)償技術(shù) J 河南科技大學(xué)學(xué)報(bào) 自然科學(xué)版 2018 39 6 55 59 1281 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào) 第 41 卷 ZHAO Xueliang WEI Guanghua Potential drift compen sation technology of pH online monitoring in deep aquifer J Journal of Henan University of Science and Tech nology natural science 2018 39 6 55 59 in Chinese 12 趙燕東 梁超 杜升 基于含水率與溫度補(bǔ)償?shù)耐寥?pH 值在線實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng) J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2019 50 3 159 167 ZHAO Yandong LIANG Chao DU Sheng Online real time detection system of soil pH value based on moisture and temperature compensation J Transactions of the CSAM 2019 50 3 159 167 in Chinese 13 MARSH P MANJAKKAL L YANG X et al Flexible iridium oxide based pH sensor integrated with inducti vely coupled wireless transmission system for wearable applications J IEEE sensors journal 2020 20 10 5130 5138 14 YUAN Y WANG Y HU Z et al SnO x based W power dual gate ion sensitive thin film transistors with linear dependence of pH values on drain current J IEEE electron device letters 2021 42 1 54 57 15 MOKHTARIFAR N GOLDSCHMIDTBOEING F WOIAS P ITO glass as extended gate of FET a low cost method for differential pH sensing