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首页  »  MEMS  »  「生物圈二号」探险:传感器技术助力地貌观测

摘要: ?定制化设计的灌溉系统驱动水文循环,也就是在LEO地貌上的水循环蒸发与凝结;所配置的传感器网络用以量测地面水平衡的水储存量与水流通量。?LEO采用Decagon的5TM传感器量测土壤湿度,该传感器上整合了热敏电阻可提供温度量测数字。


灌溉系统

位在「生物圈二号」(Biosphere 2)内,由美国亚利桑那大学科学家打造的地貌演化观测站(Landscape Evolution Observatory,LEO),包含三种不同的地貌;每个地貌中的山坡都配备了特别设计的雨水系统,能以每小时3~45毫米(mm/hr)的速率在一定范围空间内降雨。


该种雨水系统能有助于建立长期稳定的环境状态,或是执行复杂的模拟;这种降水供水储存系统具备灵活的设计,好让科学家们能以恒定或是依据时变率的方式,添加追踪剂到三种地貌的山坡上。LEO的设计者打造了一种定制化的灌溉系统,能个别控制三种地貌的水文循环,或说水的流动;当雨水降下、流入土壤,然后会有部份蒸发,如此不断循环。

这个系统还整合了一个传感器网络,用以量测地面水平衡的储存量与水流通量(flux)等元素,运用以下的方程式:ΔS = P-ET-Q;其中ΔS是地下水储存量变化,P是降水量,ET是蒸发量,Q则是排水量(所有的变量都是时间函数)。


为了创造并控制实验中的降雨,每个斜坡都有5个独立的配管系统电路,包含14个知名品牌Hunter的MP Rotator系列旋转洒水喷头,以等距间隔放置在土壤表面上方约3公尺的高度(在每一块地貌距离最长的两侧各布置了7个)。这样的系统能产生能被精准量测的降雨速率,科学家们是使用Thies Clima的冲力雨滴谱计(disdrometer)。


冲力雨滴谱计是一种激光式降水量监测器,能测量每滴雨滴的速度与大小


定制化设计的灌溉系统驱动水文循环,也就是在LEO地貌上的水循环蒸发与凝结;所配置的传感器网络用以量测地面水平衡的水储存量与水流通量。


土壤湿度与温度传感器

LEO采用Decagon的5TM传感器量测土壤湿度,该传感器上整合了热敏电阻可提供温度量测数字,以及利用电容/频域技术来量测精确的体积含水量(volumetric water content,VWC);后置信号滤波器(post signal filters)将盐度与质地效应最小化,以实现最高的测量精确度;并有一个资料纪录器,通过串列式或是SDI-12通讯协议来记录测量数据。


 Decagon的5TM土壤湿度与温度传感器


介电式水势能传感器


科学家们需要了解与每个地貌有关的水流动情况,以传感器来量测水含量以及水势能(water potential)、结构势能(matric potential),也就是植栽可取得的水量(採用Decagon的MPS-2产品);这些传感器大多数是埋在土壤下,以量测土壤以及其他多孔材质的水势能与温度。那些传感器的耗电量低,使其成为永久埋在土壤之下持续以资料纪录器读取数据的理想方案。


MPS-2水势能传感器


在土壤中也有水采样器(samplers),是一种有许多微小毛孔的装置,能在实验场之外以一道吸力抽取水,以测量被施加于土壤的养份与同位素;因此通过提供内含某种化学记号的人造雨,科学家能观察雨水是如何流动并渗入土壤。


 PRENART的土壤水采样器


二氧化碳传感器

LEO土壤内的固态、液态与气态碳储存量、转换与流通量也受到监测。有一套由抽吸渗漏计(suction lysimeters)组成的庞大网络,能取得固态与液态的样本;实验现场也有一个分析实验室,能测量溶解的有机与无机物质型态碳。还有一种定制化的自动采样装置,用以收集生成的放电。LEO土壤中装置了48个二氧化碳传感器(Vaisala CARBOCAP GMM220),用以持续自动监测土壤中的气态二氧化碳。


 Vaisala的二氧化碳传感器


为了提取土壤中的个别气体样本以进行化学分析,LEO土壤中埋入了151根特制的气体采样管;这些管子很小、具有微小的孔隙,是以有许多微小孔洞的铁氟龙(Teflon)管制成。气态样本的同位素分析,是利用一种流通回路来完成,能透过激光光谱进行连续测量;以充分时间取得相同的气体量,能实现量测平衡。


延伸阅读:


《气体传感器技术和市场》


《温度传感器市场-2016版》


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