[實用新型]一種無土栽培基質含水量、電導率檢測傳感器

有效

• 申請號: 201120558794.5
• 申請日: 2011-12-28
• 公開（公告）號: CN202421116U
• 公開（公告）日: 2012-09-05
• 發明（設計）人: 趙麗娟;吳凱;張西良;李萍萍;路欣;盛慶元;胡永光
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G01N27/22
• 分類號: G01N27/22;G01R27/22
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本實用新型涉及一種無土栽培基質含水量、電導率檢測傳感器，尤其涉及基于基質的介電特性和電容的電學性質的一種可分時測量基質含水量、電導率的檢測方法及其無線傳感器，主要用于對無土栽培過程中基質的含水量和電導率檢測，也可用于對土壤、糧食等顆粒或粉末狀物質的含水量檢測。

背景技術

無土栽培中基質的水分和養分是植物生長的必須條件，決定著作物品質。基質的含水量和電導率可反映基質中水分和養分的含量，是對基質中鹽分、有機含量、基質質地結構和孔隙率等基質信息的綜合反映。因此有效獲取基質含水量、電導率對于植物無土栽培過程中合理灌溉和施肥等具有重要意義。

由于基質與土壤的物理、化學及生物性質存在很大差別，且各種基質的理化性狀也存在很大的差異，目前普遍使用的土壤含水量、電導率檢測傳感器及其檢測儀對基質適應性差，檢測誤差大，而專用基質含水量、電導率檢測傳感器及其檢測儀缺乏，對其研究較少。發明人前期公開了一種基質濕度、電導原位檢測儀(發明專利CN102072925A)，采用“電流-電壓”四電極法測量電導率，同時采用其中兩電極測量含水量，并依據鹽分與含水量和電導的關系，得到基質鹽分，結構簡單，可同時實現含水量、電導和鹽分的測量；前期公開了一種無土栽培基質水分、養分無線監控系統（發明專利CN101937221），基于基質濕度、電導原位檢測復合傳感器，構建基質無線傳感器網絡，其監控網絡配置靈活，與無土栽培裝置集成方便，監控自動化程度高。但是基于以上的測試儀器和系統對不同基質檢測適應性差，檢測穩定性和準確性有待提高。

目前較成熟的土壤含水量測量方法有時域反射儀法、頻域反射儀法。他們根據介電理論測定土壤含水量，具有較高的精度。時域反射儀具有受土壤質地影響小、無輻射等特點，但是時域反射法最大的缺點是，電路復雜，價格昂貴。頻域反射儀具有幾何形狀設計和工作頻率的選擇自由度大的特點，可在低頻工作，測定土壤的含水量。但是頻域反射儀法受土壤質地影響復雜，安裝過程對測量結果有影響，傳感器體積大。

目前電容式含水量傳感器的研究有：胡建東(土樣含水量快速測定傳感器技術研究，儀器儀表學報，2003（02），142-145)等從低成本快速測試的目標出發提出了實現土壤含水量測試的電容傳感器技術、傳感器結構和原理。丁英麗（基于電容式傳感器的糧食水分測量儀，傳感器技術，2003（04）,54-56）研究了電容式傳感器的原理和含水介質導電浴盆效應的基礎上提出了用電容傳感器來測量糧食含水量的原理。翟寶峰等（檢測糧食水分用的電容式傳感器，傳感器技術，2003（02）,29-31）介紹了用于現場糧食含水量檢測的電容傳感器，并對傳感器的結構進行了優化計算，分析了該電路的原理，對糧食樣品得出具體檢測數據。王曉雷（附加電阻高頻電容法土壤含水量傳感器的研究，河南農業大學學報，2008（06）,689-692）等分析高頻電容土壤含水量傳感機理，建立了附加電阻高頻土壤含水量數學模型，消除了電導引起的誤差，能夠準確測定土壤含水量。施閣（基于邊緣電場的電容式土壤含水量檢測儀，農機化研究，2009（11），86-89）等研究了一種基于邊緣電場的電容式土壤含水量檢測儀，具有不破壞原土結構，電極穩定性好等優點，通過參數優化能夠實現在線動態檢測不同分布位置的土壤含水量，適合于地址災害預警和農業科學生產等監測。綜上，電容傳感器在土壤含水量測量中已有研究與應用，但檢測結果受土壤質地、容重、溫度等影響，測量精度和準確性較低。

目前較成熟的土壤電導率的檢測方法有“電流-電壓”四電極法和電磁感應法，電流電壓四電極法實現簡單，但受溫度和含水量的影響。實用新型專利一種土壤電導率實時檢測儀（CN2627503），其體積大，便攜性差。電磁感應法測量速度快，國外已研制出以磁感應為原理的電導率儀EM38。但在在實際使用中,測量結果受田間的土壤的溫度、濕度、質地、含鹽量等因素的影響。

土壤含水量、電導率復合式傳感器有TDR分解法和FD定頻分解法：TDR是利用高頻電磁波沿波的傳播和反射時間來確定土壤的含水量,?根據能量的衰減來測量介質的電導率。但在高電導率下，TDR方法因為信號衰減過大，無法測量土壤含水量。FD定頻分解法：因為相角太小，無法準確得到含水量與電導率。發明專利一種基于介電理論、基于頻域方法的同時測量土壤含水量和電導率的方法及傳感器（CN1719245A）提出了一種同步實施測量土壤含水量、電導率的多頻率導納分解的方法，克服FD方法測量土壤含水量受電導率的影響與電導率測量受含水量影響的不足。這種方法建立在時域反射儀法測含水量與頻域反射儀法測含水量基礎上，電路復雜、價格昂貴，不適合推廣應用。