专利名称：不受杂质影响的容性脉冲数字三端式土壤湿度传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于电子信息技术领域中用以采集信息的传感器类，它是一种土壤(包括粉状物质)湿度(含水量)测量用的传感器，土壤湿度传感器有电阻型、电导型、电容型等。本传感器采用电容式探头，故属电容型的。传感器中的变送器有模拟电压式和脉冲数字式多种，本传感器中的变送器属脉冲数字式。它可制成携带式手持仪表，亦可制成多点测量进行循测的台式仪表。
背景技术：
目前土壤湿度测量的方法有多种，如负压法、电导法、电阻法、微波法、三点测量法、局部空间湿度测量法等。它们都存在一些不足之处，如负压法只能用目测电阻、电导和微波法虽可用电测，但他们都不能排除土壤中金属离子所起的干扰作用。而这些金属离子和杂质的电参数很难与湿度的变化相区别。因之精度不高；三点测量法计算复杂，局部空间法则因土壤中金属盐的饱和值不同和不稳定而受到影响，所以在土壤中测量湿度与空气中测量湿度的原理不同，它必须排除土壤(或粉末)中金属等杂质的影响，电容式土壤湿度传感器是为此而设计出来的。
发明内容
本发明的任务第一必须排除土壤中金属杂质的影响；第二必须要操作简单、成本低廉、稳定性好。有强的抗干扰能力和便于远距离传输等性能，以克服目前市场销售土壤湿度传感器的不足之处。为了实现第一项任务，本发明采用电容式传感器探头作为土壤中湿度(含水量)的敏感元件。因为电容器由两金属片组成。电容器的容量不仅与两金属片的大小和距离有关，而且与两金属片中所含物质的介电常数有关。在土壤中一般含有金属盐、有机物杂质和水分，在某具体环境下，金属盐和有机物杂质的介电常数是比较固定不变的，而土壤中的湿度(水分)的介电常数却因注水量和外界气候中湿度与风速不同而在不停的变化，因而影响电容值的变化，这样就可从电容的变化值而探知土壤中湿度(含水量)的变化。为了完成第二个降低成本提高性能的任务而采用脉冲数字发生器作为变送器，使之直接输出数字信息，从而能提高抗干扰能力和便于远距离传输。具体实施方案分述于下电容式脉冲数字三端式土壤湿度(含水量)传感器的湿度(含水量)敏感部分是由两金属导电片组成，两金属片的一端由不吸水的绝缘材料粘牢，外加一高分子材料园管式护套，使两片之间的距离为一恒定值，令其不发生位移和变形，两金属片在经清洁处理后涂以陶瓷釉并经高温烧结固化，使之具有很好的隔水性能。两金属片为长方形，下有园弧形钝角，金属片非固定端可插入土壤，设插入土壤部分的面积为A，两金属片间的距离为d，这就构成一金属电容器，外形如附
图1所示。它的电容值C可用下式表示C＝(∑o*∑x*A)/d (1)式中∑o代表空气中电容器的介电常数；∑x代表被测土壤中电容器的介电常数。在∑x介电常数中又可分为一般物质的介电常数和含水量(湿度)的介电常数，前者用∑m表示，后者用∑w表示，那么(1)式可改写为C＝(∑o*∑m*∑w*A)/d (2)在实际应用中，在某个具体环境中，式中∑o、∑m，、A、d等都是固定值，其综合值可看成是一个常数Ko令 Ko＝(∑o*∑m*A)/d故(2)式可改写为C＝Ko∑w (3)因此可以认为电容量的变化即可代表土壤湿度(含水量)之变化，将该电容值置于一阻容振荡器回路中，如附图2所示。其输出频率值f可用下式表示f＝1/(K*R*C) (4)式中K为常数，R为振荡回路的电阻值，C为容性湿度传感器的电容值。若取倒数便可得该振荡器的脉冲周期TT＝1/f故 T＝K*R*C (5)K，R均为固定值 令Kc＝K*R则 T＝Kc*C (6)因此可用振荡器的输出脉冲周期来代表土壤中的湿度(含水量)值。用阻容振荡器组成的变送器，前用两线与电容传感式探头相联接，后用三根线与计算机或仪表相联接，其方框图如附图3所示。
考虑到全国各地土壤的成分不同，如我国西北地区为黄土地带，南方地区为红土地带，东北地区为黑土地带，各地金属离子的成分和含量各不相同，因而各地干燥土壤的介电常数不同，这样就难以制定全国统一的土壤湿度标准，为了有一个明确而稳定的数值，本传感器出厂时以空气中电容器探头的介电常数为起始值，和在1％氯化钠(NaCl)盐水中的介电常数值作为两标定点，设定在空气中传感器输出脉冲周期为500us，(相当频率值为2000Hz，)在1％NaCL溶液中传感器输出周期为1000us(相当频率为1000Hz)。在实际应用时用户可选取当地典型有代表性的土壤作为样品。例如选1000克待测量干燥土壤除去石块硬物碎后置于容器中，将该传感器插入测得其输出脉冲周期宽度，然后分别加入10克，20克直至饱和值之水，并测出各自的脉冲周期，为了减少测量误差，可测数次取其平均值备用(若用频率计作为显示仪器必须取其倒数)。
与现有技术相比所具有的优点或积极效果，本容性脉冲数字三端式土壤湿度(含水量)传感器制成后，与传统的用目测的负压法土壤湿度计相比，它是电子数字式的；与电阻式、电导式、微波法诸种电子式土壤湿度计相比，它不受土壤中金属离子等杂质的干扰；与埋入土壤中形成局部空间测其相对湿度值的土壤湿度传感器相比，它不受环境中金属盐饱和值不同的影响；与三点法土壤湿度计相比，它不需复杂的计算，能直接读出数据。总起来说；本传感器还具有下面一些独特的优点1)、本传感器的主要优点是采用容性传感器探头，能把土壤中的湿度(含水量)与金属盐和其他杂质区分开来，因而具有好的测湿精度。
2)传感器只有三根引出线，操作简单，数字直读并与被测湿度(含水量)直接对应，只要把后面的仪表配备好，一般文化较低的农民大众和工人亦可操作使用。
3)本传感器为脉冲数字输出，在整个能量转换过程中，不经过传统的模拟电压量的放大、整形、V/I、I/V和模数转换这些环节，它不需任何外接器件能与计算机或数字仪表直接接口工作，使信息时代自动测控和数据贮存变得简单易行。它除成本低廉外，还具有强的抗干扰能力，且便于远距离传输。
4)本传感器的探头由优质陶瓷釉金属片组成，具有很好的防潮抗水能力，因而具有好的测量精度和高稳定性。
5)本传感器在制成出厂时只标明空气中和1％氯化纳盐水中两点的时间(或频率)，实际使用时的干燥土壤和饱和水中的数字值由用户自己选取有代表性的土壤和水质确定，这样就可避免全国各地因土质和水质不同而带耒的误差，因而有广泛的使用性。
附图简要说明图1是容性土壤湿度敏感探头外形示意图(a)正视图(b)侧视图1导线 2衬垫物3金属片图2是脉冲数字信号发生器电路图1运算放大器 3土壤电容器2振荡电阻 4变送器输出图3是三端式土壤湿度传感器接线图1变送器 2土壤湿度敏感探头3电源线 4信号输出5地线实施本发明方式 本发明的具体实施方案大体上可分两类，一类是便携式，将电容式探头和变送器装接在一起，变送器装在园管之中，园管可供操作人员手持之用。每次操作前，先清除被测土壤中的石块和其他硬物，再将传感器的长方形电容器片探头插入一定深度的土壤(或粉末材料)中。本传感器还须与通用的数字频率计和时间测量仪配合使用，以便能现场直接读取数值。另一类实施方案是将电容传感探头与变送器分开，中间用双线联接。传感探头埋在土壤中，变送器放在桌面或架子上以与计算机或台式仪器接通，以进行多点土壤湿度的循回检测。
传感器已应用在温室大棚、花卉种植、水利灌溉系统和混凝土搅拌诸多场合，收到很好效果。
权利要求
1.一种土壤湿度传感器的特征在于是一种不受土壤中杂质干扰的脉冲数字输出的电容型三端式土壤湿度传感器，它有强的抗干扰能力、便于远距离传输和易于与计算机接口。该传感器包括一个土壤湿度(含水量)敏感探头和一个数字变送器，两者可组装在一起成为手持式土壤湿度传感器，也可以两者分开用导线连接以成为多点测量的台式仪器的组成部分。
2.如权利要求1的土壤湿度传感器，其中所用土壤湿度敏感探头特征在于有由两长方形金属片组成的电容器作为检测探头，两金属片的表面涂有一层经高温烧结的陶瓷釉薄膜，该薄膜具有不吸水和不导电的绝缘性能。两金属片一端之间牢固地隔有一段不吸水的绝缘材料，以使两金属片之间的空间距离尺寸不受外力或环境温度参数变化的影响，其厚度应根据用户需求来确定。金属片固定端外加有一用高分子材料制成的园管形护套，并用胶粘剂加以固定，以保证电容器两金属片及其距离不形变。电容器的两金属片的固定端分别有导线引出以与变送器连接。两金属片的另一端磨有钝角，以便易于插入土壤。
3.如权利要求1的土壤湿度传感器，其中变送器特征在于它是一个脉冲数字发生器，检测湿度的电容性敏感探头作为脉冲数字发生器的电容参数组成部分，所以变送器的输出脉冲周期(频率的倒数)舆被测湿度(含水量)呈直接对应关系，也即是土壤中湿度愈大，输出脉冲的周期愈长。如在干燥空气中传感器输出脉冲的周期为500μs(相当重复频率2000Hs)，在1％的食盐(NaCl)水中传感器输出脉冲的周期为1000μs(相当重复频率1000Hs)。传感器输出不需再接任何器件能与计算机或频率、时间测量仪接口和配合工作。变送器有5根引出线，其中两根与土壤湿度敏感探头相连，另三根与主机相连其中一根为电源供电线、一根为接地线、另一根为信号输出线，操作简便，故称三端式。
全文摘要
一种不受杂质影响的电容式脉冲数字三端式土壤(或粉状物)湿度(含水量)传感器，是采用计算机脉冲数字技术来测量土壤或粉末材料中的湿度(含水量)值。与传统的土壤湿度传感器相比，它是电容式的，可将土壤中的导电金属离子和杂质都看成一固定常数，使传感器的输出值仅与其中湿度大小(水份含量)有关，它的变送器是三端式，结构简单无需外接任何器件能与计算机接口。它的输出是脉冲数字信息，无直流电压成分，故有强的抗干扰能力，且利于远距离传输。
文档编号G01N27/22GK1504745SQ0215375
公开日2004年6月16日 申请日期2002年12月4日 优先权日2002年12月4日
发明者王桂芬 申请人:王桂芬