[實(shí)用新型]電容式土壤水分傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201420656566.5
• 申請日: 2014-11-06
• 公開（公告）號(hào): CN204165927U
• 公開（公告）日: 2015-02-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王亮亮;唐躍平;朱小偉;褚澤帆;陳謙
• 申請（專利權(quán)）人: 水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所
• 主分類號(hào): G01N27/22
• 分類號(hào): G01N27/22
• 代理公司: 南京眾聯(lián)專利代理有限公司 32206
• 代理人: 葉涓涓

技術(shù)領(lǐng)域

????本實(shí)用新型屬于土壤水分測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電容式土壤水分傳感器，能夠應(yīng)用于農(nóng)田（粘土除外）等區(qū)域的土壤體積含水量的監(jiān)測。

背景技術(shù)

土壤水分傳感器能夠監(jiān)測土壤中的水分空間分布信息，在科學(xué)試驗(yàn)、節(jié)水灌溉、溫室大棚、花卉蔬菜、草地牧場、土壤速測、植物培養(yǎng)、污水處理等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。例如，在精細(xì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，如果要做到科學(xué)精準(zhǔn)地灌溉就要求能夠長期監(jiān)測田間的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，這就需要在田間安裝土壤水分傳感器。

土壤水分的測定方法有烘干法、射線法、介電特性法、核磁共振法、分離示蹤劑法和遙感法等等。其中，介電特性法是利用土壤的介電特性進(jìn)行間接測量的，能實(shí)現(xiàn)土壤水分的快速無損測量，具體來說又可分為基于時(shí)域反射TDR原理、基于頻率反射FDR原理和基于駐波SWR原理的測量方法。其中時(shí)域反射和頻率反射技術(shù)的測量精度比較高，但是由于處理電路復(fù)雜從而導(dǎo)致成本極高；SWR土壤含水率傳感器采用了精密信號(hào)源通過測量駐波率的方法，其成本也很高。電容式土壤水分傳感器本身基于介電常數(shù)法的測量方法，早期國內(nèi)大量的電容式土壤水分傳感器研究都是圍繞搭建橋式電路或者LC振蕩電路展開的，但是我們在實(shí)際田塊應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的電容式土壤水分傳感器總出現(xiàn)干擾影響太大或起振困難等問題，導(dǎo)致測量結(jié)果并不準(zhǔn)確。

行業(yè)內(nèi)技術(shù)人員也試圖尋求各種方式來解決上述問題，例如公開號(hào)為CN2422643的中國實(shí)用新型專利中提供的土壤水分測量傳感器使用高頻振蕩器產(chǎn)生高頻信號(hào)激勵(lì)中心探頭及與同軸電纜傳輸線的屏蔽層相連接的外圍探頭，再通過檢波電路來測量土壤水分。公開號(hào)為CN1719245的中國實(shí)用新型專利公開的土壤含水量傳感器采用多頻率導(dǎo)納分解法直接測量探頭的導(dǎo)納，進(jìn)而分解探頭導(dǎo)納的實(shí)部與虛部，通過探頭導(dǎo)納實(shí)部與介電損耗的關(guān)系得出介質(zhì)電導(dǎo)率，探頭導(dǎo)納虛部與介電常數(shù)的關(guān)系得出介質(zhì)含水率。公開號(hào)CN2854589的實(shí)用新型專利中公開了一種基于邊緣效應(yīng)以電容法測量水分含量的一種土壤水分測量傳感器。與以往的土壤水分傳感器比，可以有效地測量不同深度土壤的水分含量。公開號(hào)CN2641646的實(shí)用新型專利公開了一種基于介電方法的土壤含水率檢測裝置，消除了因?yàn)檎袷幏群洼敵鲭娮璧牟灰恢露斐傻臏y量誤差，性能比較穩(wěn)定。公開號(hào)CN1619301的實(shí)用新型專利公開了一種介電頻差式土壤水分傳感器，包括土壤電極、振蕩電路、放大整形電路、多級(jí)分頻電路、低通濾波電路和光電隔離電路組成，輸出與土壤水分有關(guān)的頻率信號(hào)。

上述這些專利技術(shù)都應(yīng)用了高頻信號(hào)，因?yàn)閲鴥?nèi)外的理論研究都表明高頻信號(hào)（100MHz以上）在土壤上傳輸時(shí)土壤電導(dǎo)影響作用較低，可忽略（Max?A.Hilhorst，Peter?M.Johnson等分別在1998年和2002年結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明振蕩信號(hào)在10MHz以上對沙土、壤土有可忽略的介電常數(shù)衰減效應(yīng)。）。但這些過分追求高普適性的土壤水分傳感器的硬件電路都比較復(fù)雜，成本也難以降低。

從結(jié)構(gòu)上來看，現(xiàn)有的水分傳感器多為管式非接觸式結(jié)構(gòu)，一般由PVC骨架和銅環(huán)構(gòu)成，測得的介質(zhì)為土壤、骨架或空氣、測管的綜合，該結(jié)構(gòu)整體假設(shè)骨架、測管固定不變，所以理想狀態(tài)下測得的信號(hào)和土壤含水量有良好的關(guān)系，但是實(shí)際田間監(jiān)測過程中，骨架、測管處水蒸氣很容易冷凝液化，很難保證固定不變，所以最終導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常，因此管式土壤水分傳感器測得結(jié)果并不理想。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述問題，本實(shí)用新型公開了一種采用哈特萊三點(diǎn)式振蕩電路的新型電容式土壤水分傳感器，有效克服了傳統(tǒng)土壤水分傳感器起振困難、干擾因子復(fù)雜造成測量結(jié)果不準(zhǔn)確等問題。

為了達(dá)到以上目的，本實(shí)用新型提供如下技術(shù)方案：

一種電容式土壤水分傳感器，包括探測模塊、參考頻率信號(hào)產(chǎn)生電路、頻率轉(zhuǎn)換電路、頻率運(yùn)算電路、電源，探測模塊和參考頻率信號(hào)產(chǎn)生電路分別與頻率轉(zhuǎn)換電路相連，頻率轉(zhuǎn)換電路與頻率運(yùn)算電路相連，所述探測模塊包括探針和哈特萊振蕩模塊，所述探針與哈特萊振蕩模塊相連，哈特萊振蕩模塊包括哈特萊振蕩電路和溫度補(bǔ)償電路，頻率轉(zhuǎn)換電路用于接收哈特萊振蕩模塊和參考頻率信號(hào)產(chǎn)生電路傳輸?shù)男盘?hào)，所述電源為上述各部件供電。

進(jìn)一步的，所述電源包括3個(gè)電壓濾波模塊。

進(jìn)一步的，所述探針包括兩根，所述兩針之間距離為2cm。

進(jìn)一步的，所述探針為不銹鋼制探針。

進(jìn)一步的，電容式土壤水分傳感器中各個(gè)電路模塊封裝在PCB板上，所述探針露出PCB板封裝表面。

有益效果：