土壤水流通量测量在农业和土壤物理中具有重要意义,是研究灌溉与排水、土壤径流、土壤渗漏、土壤化学物质迁移过程及土壤理化性质时的一项重要参数。近年来逐渐发展起来的热脉冲技术(HP,Heat Pulse),逐渐运用在土壤水流通量测量的研究中。但是已有系统的硬件设备构成复杂,操作繁琐,价格高昂,而且实验数据处理、计算过程均需多种软件予以实现,给土壤水流通量研究造成了不小的困难。本文在研究国内外土壤水流通量相关设备基础上,设计了一套基于短时三针热脉冲技术的土壤水流通量测量系统和一个土壤水流通量计算软件。土壤水流通量测量系统的硬件传感器电路精简了以往系统中将数据采集设备作为控制和采集器的设备结构,将探针、采集电路及控制电路集成一体,通过对控制单元编程,完成高精度数据采集和热量控制功能;数据计算处理软件能与传感器电路双向通信,能根据测量数据实现土壤水流通量计算和数据可视化,软件可以控制传感器进行手动或定时自动测量,也可以接收来自传感器的温度数据,进而计算土壤水流通量,同时可将每次测量的原始数据和计算值存储,方便后续研究使用。具体内容如下:(1)基于Pyboard开发板作为主控单元,开发了一套土壤水流通量系统。相较以往研究中使用热电偶作为感温元件,本系统中探针选用灵敏度更高的NTC热敏电阻,并且针对热敏电阻设计了桥式分压采集电路,使用24位A/D转换芯片ADS1256,进一步提升了传感器的测量精度。为满足其他部分电路的电源要求,使用BAT54C、AMS1117-3.3、LT3461ES6、LP2985-50DBVR及ADR431芯片,设计了5V模拟电源、3.3V数字电源和精准2.5V参考电源三个电压等级的电源电路。使用开关时间短、额定功率大的SDD-5HB微型继电器控制加热时长。传感器控制程序使用Micro Python语言设计,控制程序使用定时中断功能来设置采样间隔,在中断回调函数中使用SPI总线协议与ADS1256芯片通信来实现测量功能,在主程序中,将USB接口的OTG(On the go)功能设置为VCP(Virtual COM port,虚拟串行端口)模式,以使用USB接口与上位机通信。该硬件传感器电路将探针和控制、采集电路集成于一体,简化了硬件系统,提升了测量精度,降低了系统成本。(2)通过Python软件设计了用以控制传感器工作状态和自动计算的土壤水流通量计算软件,实现了数据通信、运算、存储、可视化以及导入历史数据5个功能。其中,通信模块使用Pyserial库在电脑中创建一个串口,用于向传感器发送开始测量指令以及接受来自传感器的原始数据;数据运算及存储模块使用Numpy库设计,对接受到的原始数据进行转换、格式化及存储操作,并且根据模型计算土壤水流通量;数据可视化功能使用Math库中的Matplotlib函数,实时绘制原始数据的曲线图,并且在水流通量计算完成后实时显示出来;历史数据计算功能可对历史数据重新绘图,并计算该次测量得到的土壤水流通量。(3)研究了MDTD(Maximum dimensionless temperature difference,最大无量纲温度差)法和T_d/T_u法两种模型,并分别测试了系统的测量精度和模型适应性。实验结果表明,当水流通量在10.5031mm/h到119.7417mm/h之间时,该系统在壤质砂土、砂质壤土和砂质黏壤土三种土样中使用MDTD法计算值与实际值之间决定系数R~2值分别达到0.9798、0.9780和0.9647,均方根误差(RMSE)分别为7.9557、5.8914和6.0811,根据T_d/T_u法计算值与实际值之间决定系数R~2值分别达到0.9985、0.9989和0.9986,RMSE分别为1.5594、1.2795和1.1486。T_d/T_u法计算值与实际值之间的相关性更好,误差更低,计算效果要优于MDTD法,在综合考虑土壤质地等因素的情况下,本系统使用T_d/T_u法计算效果更好。(4)在分析热脉冲技术原理基础上,通过实验发现,在三种土样中使用T_d/T_u法计算水流通量,当采样间隔为1s时,计算值与实际值之间决定系数R~2分别为0.9794,0.9847和0.9799,而当采样间隔为0.5s时,R~2值分别达到0.9985,0.9989和0.9986,说明采用更短的温度采样间隔能够有效提升水流通量的计算准确度。但是观察探针温度曲线可知,当温度值到达最大值附近时,变化趋势较缓,这也意味着随着采样间隔的缩短,对测量精度的影响会越来越小。