Fibra óptica pode medir umidade do solo?

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Na irrigação agrícola, como a fibra óptica sabe se o solo está seco sob o solo?

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Na irrigação agrícola e no monitoramento hidrológico geológico, a fibra óptica em si (material de vidro de sílica e quartzo) não possui absorção seletiva natural para moléculas de água, e a fibra óptica pura por si só não pode “ler” diretamente o teor de umidade do solo.

Na prática de engenharia e pesquisa científica, a detecção da secura e umidade do solo subterrâneo utilizando fibra óptica baseia-se principalmente nos seguintes princípios físicos e ópticos gerais:

1. Método de Pulso de Calor Distribuído Ativo (A-DTS, o esquema de monitoramento subterrâneo mais comum)

Este é o caminho técnico mais prático para monitorar a umidade do solo em múltiplas profundidades em grandes áreas de terras agrícolas ou redes de tubulações de irrigação.

  • Mecanismo Físico: As propriedades térmicas da água, partículas do solo e ar são significativamente diferentes. A capacidade térmica específica da água (aproximadamente 4.18\times 10^{3}\ \text{J}/(\text{kg}\cdot\text{K})) e sua condutividade térmica são notavelmente maiores do que as da matriz de solo seco e do ar.
  • Processo de Operação:
    1. Um cabo de fibra óptica com um elemento de aquecimento integrado (como um fio de resistência ou uma camada de reforço de metal) é enterrado no solo subterrâneo.
    2. O sistema de controle fornece energia elétrica constante ao elemento de aquecimento por um curto período para aquecimento (excitação por pulso de calor).
    3. Utiliza-se um Sistema de Medição de Temperatura Distribuída por Fibra Óptica (DTS, baseado nos efeitos de espalhamento Raman ou Brillouin) para registrar continuamente a curva de resposta de temperatura ao longo do cabo de fibra óptica (amplitude de aumento de temperatura e taxa de resfriamento).
  • Inversão do Teor de Umidade:
    • Solo Úmido: Alta condutividade térmica e alta capacidade térmica, o calor se dissipa rapidamente, a amplitude máxima de aumento de temperatura \Delta T medida pelo cabo de fibra óptica é menor e o processo de resfriamento é rápido.
    • Solo Seco: Muitos poros de ar, baixa capacidade de condução de calor, o calor se acumula, a amplitude de aumento de temperatura \Delta T medida é significativamente maior e a dissipação de calor é lenta.
    • Através do modelo de inversão que relaciona a resposta de aumento de temperatura à condutividade térmica do solo e ao teor de umidade volumétrica (Volumetric Water Content, VWC) usando a equação de condução de calor, o estado de secura/umidade em cada ponto ao longo de todo o caminho do cabo de fibra óptica pode ser calculado.

2. Mecanismo de Acoplamento de Deformação de Material Sensível à Umidade (Esquema Pontual FBG)

Utiliza grade de fibra óptica (FBG) como o núcleo do sensor, em combinação com materiais funcionais com características de