Технология и техническое средство бесконтактного измерения влажности почвы на основе инфракрасного излучения

• Автор: Попов, Александр Николаевич
• Шифр специальности: 05.20.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Мичуринск
• Количество страниц: 212 с. : ил.

РЕФЕРАТ
Диссертация содержит 146 машинописных страниц основного текста, 69 рисунков, 14 таблиц, 149 литературных источников и 7 приложений.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные научные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Методы и приборы определения влажности почвы в полевых условиях. Обзор литературы» рассматриваются существующие методы и приборы полевых измерений влажности почвы.
Во второй главе «Теоретическое обоснование возможности оценки влажности почвы по её излучательной способности в диапазоне 5,5 - 14 мкм» рассмотрена модель формирования лучистого потока почвы, приведены смоделированные зависимости значения излучения почвы при разном ее влагосодержании. Предложена факторная модель влажности почвы, от которых зависит ее ИК излучение.
В третьей главе «Методика и технические средства взаимосвязи излучения почвы и её влажности» изложена программа и методики экспериментальных исследований. Представлен прибор - инфракрасный влагомер почвы («ИКВП-01») на базе пироэлектрического датчика МЬХ, его схема для измерения изучения, и нелинейная адаптивная модель на базе многослойной нейронной сети прямой передачи.
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований определения влажности в ИК диапазоне 5,5 - 14 мкм» представлены результаты проведенных экспериментов. Определена эффективность корректировки сигнала прибора нейронной сетью.
В пятой главе «Технико-экономическая эффективность» предложена схема технологического процесса измерения влажности прибором «ИКВП - 01» и произведен расчет экономической эффективности.
Представлены общие выводы и список публикаций, в которых изложено основное содержание диссертационной работы.
В приложениях представлен статистический материал исследований и акты внедрения результатов диссертационной работы.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1 Обследование участков поля и его техническое обеспечение
1.2 Методы и приборы для определения влажности почвы
1.3 Состояние воды в почве
1.4 Оптические свойства инфракрасного излучения
1.5 Источники инфракрасного излучения
1.6 Оптические свойства воды
1.7 Инфракрасные системы для восприятия ИК излучения
1.7.1 Структурная схема ИК системы
1.7.2 Приемник инфракрасного излучения - пироэлектрический датчик в диапазоне 5,5-14 мкм
1.8 Выводы по главе 1 и задачи исследования
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ
ОЦЕНКИ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ ПО ЕЁ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ
СПОСОБНОСТИ В ДИАПАЗОНЕ 5,5-14 МКМ
2.1 Использование излучения почвы в диапазоне 5,5 - 14 мкм для оценки ее влажности
2.2 Почва, как излучающее тело
2.3 Теоретический анализ излучения почвы для полевых условий
2.4 Излучательная способность почвы в зависимости от ее влажности
2.5 Факторная модель влажности почвы
2.6 Выводы по главе
ГЛАВА 3. МЕТОДИКА И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЗАИМОСВЯЗИ
ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЧВЫ И ЕЁ ВЛАЖНОСТИ
3.1 Программа экспериментальных исследований

3.1.1 Характеристики приборов для измерения физических параметров почвы и окружающего воздуха
3.1.2 Конструкция и технические характеристики инфракрасного влагомера почвы «ИКВП-01»
3.1.3 Схема инфракрасного влагомера почвы «ИКВП-01» и ее работа
3.1.4 Стенд для измерения инфракрасных характеристик почвы
3.2 Методика экспериментальных исследований
3.2.1 Подготовка почвы для лабораторных исследований
3.2.2 Методика определения влажности почвы
3.2.3 Методика проведения измерений инфракрасного излучения почвы пироэлектрическим датчиком МЬХ
3.2.4 Дополнительные факторы, учитываемые при проведении эксперимента
3.3 Методика измерения инфракрасного излучения в полевых условиях
3.4 Методика обработки результатов экспериментальных исследований
3.5 Методика обработки экспериментальных данных нелинейной
адаптивной моделью влажности почвы на базе нейронной сети
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ В ИК
ДИАПАЗОНЕ 5,5-14 МКМ
4.1 Результаты лабораторных экспериментальных исследований сигнала пироэлектрического датчика МЬХ от влажности почвы
4.2 Многофакторная модель сигнала пироэлектрического датчика МЬХ
4.3 Результаты экспериментальных исследований сигнала излучения почвы в поле

1.7 Инфракрасные системы для восприятия ИК излучения
1.7.1 Структурная схема ИК системы
Обобщенная структурная схема ИК систем, представленная на рисунке 1.14, содержит четыре основных звена: оптическую систему 1, приемное устройство 2, устройство обработки информации 3, устройство выдачи информации 3 [115, 127,32].
ОС УП УОИ УВИ
ОС - оптическая система; УП - приемное устройство; УОИ - устройство обработки информации; УВИ - устройство выдачи информации
Рисунок 1.14 - Структурная схема ИК системы
Оптическая система предназначена для восприятия ИК излучения, предварительной его обработки (фильтрации) и фокусирования на чувствительных элементах приемного устройства. Она состоит из подвижных и неподвижных оптических элементов, к которым относятся фокусирующая оптика, фильтры, сканирующие и модулирующие устройства. Эти устройства осуществляют восприятие ИК излучения, его оптическую и пространственную фильтрацию и модуляцию. Оптическая система может быть одно — и многоканальной.
Приемное устройство предназначено для преобразования ИК излучения в электрический сигнал и состоит из приемников теплового излучения с предварительными усилителями сигналов, опорных источников излучения и устройств охлаждения приемников.
Устройства обработки информации выполняются на транзисторах, микросхемах. В зависимости от задач обработки они могут включать в себя усилители, фильтры, пороговые устройства, различного рода нелинейные элементы. В более сложных случаях в устройства обработки входят специализированные аналоговые или цифровые вычислители.