专利名称：一种土壤水分传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及农田信息采集领域，尤其涉及一种土壤水分传感器。
背景技术：
在精细农业生产中，精准灌溉要求长期监测和及时获取田间的土壤水 分空间分布信息，这就需要在田间安装土i裏水分测试装置。
目前成熟的土壤含水率检测方法有TDR (时域反射法)、FDR (频域反射 法)和SWR (驻波率法)，其中TDR和FDR是国外的专利技术，测量精度比 较高，但是由于处理电路复杂导致成本极高， 一台TDR高达数万美元，一 台FDR高达数千美元；SWR 土壤含水率传感器采用了精密信号源通过测量驻 波率的方法可使成本降低到600元人民币。由于每亩水稻每年的平均收益 不到300元，所以TDR和FDR不可能在田间推广应用，即使成本最低的SWR 也难以在田间推广。
中国专利号CN2422643公开一种新型土壤水分测量传感器，该实用新 型使用高频振荡器产生高频信号激励中心探头及与同轴电缆传输线的屏蔽 层相连接的外围探头，再通过检波电路来测量土i裏水分。CN1719245公开了 一种同步实时测量土壤水分与电导率的方法及传感器，该实用新型专利是 一种基于介电理论和频域方法的同时测量土壤水分与电导率的方法及传感 器。采用多频率导纳分解法直接测量探头的导纳，进而分解探头导纳的实 部与虚部，通过探头导纳实部与介电损耗的关系得出介质电导率，探头导 纳虚部与介电常数的关系得出介质含水率。CN2854589公开了一种基于边缘 效应以电容法测量水分含量的一种土i裏水分测量传感器。与以往的土i裏水 分传感器比，可以有效地测量不同深度土壤的水分含量。CN2641646公开了一种基于介电方法的土壤含水率检测装置，消除了因为振荡幅度和输出电
阻的不一致而造成的测量误差，性能比4交稳定。CN1619301 ^^开了一种介电 频差式土壤水分传感器，包括土壤电极、振荡电路、放大整形电路、多级分 频电路、低通滤波电路和光电隔离电路组成，输出与土壤水分有关的频率 信号。
上述专利技术大都使用了高频率震荡和信号处理电路输出与种于土壤 水分相关的电压或频率，要得到土壤水分的数字信号，还必须增加ADC采 集电路或频率测量电路，由于硬件电路比较复杂，成本难以降低。
CN10101713 3公开了 一种基于红外辐射的土壤水分测量仪，主要由红外 发射电路、光探测器、红光发射电路和放置在光探测器和土壤样品盒中间 聚光系统组成，利用一定波长近红外线照射被测物体时不同水分对其吸收 程度不同的原理制成的。CN200968934公开了一种名称为一种基于光纤表面 等离子共振的土壤水分传感器，由不锈钢滤帽，水分敏感膜，Au膜，半球 型棱镜，光纤和水分传感器探头组成，从光纤反射的光谱信息中获得土壤 水分的含量。由于采用了纯光学的方法，从而减小了土壤类型和土壤颗粒 大小对测量结果的影响，提高了水分测试的灵敏度和精确度，但是复杂的 光学系统和及其配套的信号处理电路难以降低成本。
实用新型内容
针对现有技术的缺点，本实用新型的目的是提供一种测量精准、结构 简单且成本较低的土壤水分传感器。
为实现上述目的，本实用新型的技术方案为 一种土壤水分传感器， 其包括外壳、设置于外壳底部的土壤含水率探针、及设于外壳内部的检测 电路，该检测电路向土壤含水率探针发出脉冲方波激励信号并接收其两端 充电电压的峰值信号。
检测电路包括处理器、电容Cl及检波电路，处理器分别通过电容Cl及检波电路与土壤含水率探针的触发端连接，并通过处理器上的通讯口与
外部的通讯装置连接，土壤含水率探针的接地端接地；检波电路包括检波 二极管D2及滤波电容C2，检波二极管D2的正极与土壤含水率探针的触发 端连接，负极通过滤波电容C2接地。 处理器包括以下功能模块
定时器，用于对土i裏含水率探针发出脉沖方波激励信号； 数模转换器，用于将检波电路输出的土壤含水率探针两端的充电电压 的峰值转换成数字信号；
计算模块，根据试验标定的公式自动计算出土壤的含水率； 通讯模块，将计算所得出的土壤含水率数据信息发送至外部的通讯装置。
土壤含水率探针触发端与接地端平行间隔设置；外壳为圆柱型或方柱型。
与现有技术相比，本实用新型采用土壤含水率探针来测量土壤的含水 率，并利用处理器产生的脉冲方波信号作为探针的激励信号，检波电路用 于测量探针的充电电压峰值，利用处理器将模拟电压转换为数字电压，并 计算出土壤的含水率。该结构用处理器产生脉冲信号的方法来代替复杂的 高频震荡电路，只需一组探针及检测电路即可采集到土壤的水分测量信号， 结构简单且使用方便，同时也大大降低了制作成本。
图1为本实用新型土壤水分传感器的结构示意图； 图2为本实用新型土i裏水分传感器的另一种结构示意图； 图3为本实用新型检测电路的工作原理图； 图4为本实用新型土壤含水率与充电峰值电压的关系曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。
土壤中含有水分和杂质，其中水有重要的电介质也有导电微粒，插入
土壤中的电极可以等效为一个RC并联电路，当电极插入深度不变得情况下， 土壤的电阻率和介电系数由土壤的含水率决定，插入土壤中的固定长度的 电极的等效电阻的阻值与土壤的含水率反比，由于等效电容的容量与土壤 的含水率成正比。测量此电极的RC变化就可以测量土壤中的含水率。
根据以上原理，本实用新型公开了一种土壤水分传感器，如图l所示， 其包括外壳3、设置于外壳3底部的土壤含水率探针1、及设于外壳3内部 的检测电路4，该检测电路4与土壤含水率探针1电连接，且该检测电路4 向土壤含水率探针1发出脉冲方波激励信号并接收其两端充电电压的峰值 信号。本实施例中，土壤含水率探针1触发端与接地端的数量均为一个， 且触发端与接地端平行间隔设置。当然，土壤含水率探针1的接地端可以 是多个的，其结构为土壤含水率探针1的触发端设于外壳3底部的中间， 接地端均匀分布在外壳3底部的外围部分。
上述外壳3为中空的绝缘塑料管，下端密封防水，中间的空间用于安 装检测电路4及供检测电路4用的电池，外壳3底部安装土壤含水率探针1 的过线孔，且用防7jc胶将其密封。外壳3为方柱型或圓柱型，如图1及图2 所示。
如图3所示，检测电路4包括处理器5、电容C1及检波电路，处理器 5分别通过电容Cl及检波电路与土壤含水率探针1的触发端连接，并通过 处理器5上的通讯口与外部的通讯装置连接，即处理器5将数据发送到无 线通讯模块或二次仪表中。土壤含水率探针1的接地端接地。检波电路包 括检波二极管D2及滤波电容C2,检波二极管D2的正极与土壤含水率探针 1的触发端连接，负极通过滤波电容C2接地。该土壤含水率探针l的接地 端还连接二极管Dl的负极，二极管Dl的正极连接至检波二极管D2的负极。上述处理器包括以下功能才莫块
定时器，用于对土壤含水率探针发出脉冲方波激励信号； 数模转换器，用于将检波电路输出的土壤含水率探针两端的充电电压 的峰值转换成数字信号；
计算模块，根据试验标定的公式自动计算出土壤的含水率； 通讯模块，将计算所得出的土壤含水率数据信息发送至外部的通讯装置。
其中，定时器产生20Mz的脉冲方波信号，通过电容C1输出至土壤含 水率探针1作为激励信号。当脉冲处于高电平时，对探针组成的等效电容 充电，土壤含水率探针1的等效电容由土壤的电阻率和介电系数决定，当 脉沖为零电平时，探针的等效电容通过自身的等效电阻放电。对于固定的 充电时间和;改电时间，纟笨4十两端的充电电压由探4i"的RC特性决定，所以测 量探针的充电峰值电压就可以计算出土壤含水率探针1的土壤含水率。
检波二极管D2与滤波电容C2构成土壤含水率探针1的检波电路，用 来测量土壤含水率探针1的充电峰值电压。该处理器5为一单片机，其内 部集成的数模转换器ADC对检波电路输出的直流电压，转换成0- 1023的 数字信号，并利用计算模块中标定的公式计算出土壤的含水率。标定公式 通过反复试验得出的土壤含水率与土壤含水率探针1两端的充电峰值电压 的关系总结得出，如图4所示。
权利要求1、一种土壤水分传感器，其特征在于包括外壳(3)、设置于外壳(3)底部的土壤含水率探针(1)、及设于外壳(3)内部的检测电路(4)，该检测电路(4)向土壤含水率探针(1)发出脉冲方波激励信号并接收其两端充电电压的峰值信号。
2、 根据权利要求1所述的土壤水分传感器，其特征在于检测电路(4) 包括处理器(5 )、电容(Cl)及检波电路，处理器(5 )分别通过电容(Cl)及 检波电路与土壤含水率探针(1)的触发端连接，并通过处理器(5)上的通讯 口与外部的通讯装置连接，土壤含水率探针(1)的接地端接地。
3、 根据权利要求2所述的土壤水分传感器，其特征在于检波电路包括检 波二极管(D2)及滤波电容(C2)，检波二极管(D2)的正极与土壤含水率探针(1 )的触发端连接，负极通过滤波电容(C2 )接地。
4、 根据权利要求1所述的土壤水分传感器，其特征在于处理器(5)包 括以下功能模块定时器，用于对土壤含水率探针(1)发出脉冲方波激励信号； 数模转换器，用于将检波电路输出的土壤含水率探针两端的充电电压的峰 值转换成数字信号；计算模块，根据试验标定的公式自动计算出土壤的含水率；通讯模块，将计算所得出的土壤含水率数据信息发送至外部的通讯装置。
5、 根据权利要求1至4任一项所述的土壤水分传感器，其特征在于土壤 含水率探针(1)触发端与接地端平行间隔设置。
6、 根据权利要求5所述的土壤水分传感器，其特征在于外壳(3)为圆 柱型或方柱型。
专利摘要本实用新型公开了一种土壤水分传感器，其包括外壳(3)、设置于外壳(3)底部的土壤含水率探针(1)、及设于外壳(3)内部的检测电路(4)，该检测电路(4)向土壤含水率探针(1)发出脉冲方波激励信号并接收其两端充电电压的峰值信号；检测电路(4)包括处理器(5)、电容(C1)及检波电路，处理器(5)分别通过电容(C1)及检波电路与土壤含水率探针(1)的触发端连接，并通过处理器(5)上的通讯口与外部的通讯装置连接，土壤含水率探针(1)的接地端接地。本实用新型测量精准、结构简单且成本较低。
文档编号G01N27/00GK201225993SQ20082004868
公开日2009年4月22日 申请日期2008年6月3日 优先权日2008年6月3日
发明者李就好, 罗锡文, 胡均万, 欢 阮 申请人:华南农业大学