土壤濕度傳感器..

1、第十一章 土壤濕度傳感器11.1土壤濕度及其表示11.1.1 土壤濕度土壤濕度，即表示一定深度土層的土壤干濕度程度的物理量， 又稱土壤水分 含量。土壤濕度的高低受農(nóng)田水分平衡各個分量的制約。11.1.2 土壤濕度傳感器土壤濕度傳感器又名土壤水分傳感器， 土壤含水量傳感器。 土壤水分傳感器 由不銹鋼探針和防水探頭構(gòu)成， 可長期埋設(shè)于土壤和堤壩內(nèi)使用， 對表層和深層 土壤進(jìn)行墑情的定點監(jiān)測和在線測量。 與數(shù)據(jù)采集器配合使用， 可作為水分定點 監(jiān)測或移動測量的工具測量土壤容積含水量， 主要用于土壤墑情檢測以及農(nóng)業(yè)灌 溉和林業(yè)防護(hù)。11.1.3 土壤濕度表示方法土壤濕度，即土壤的實際含水量，可用土壤含

2、水量占烘干土重的百分?jǐn)?shù)表示：土壤含水量=水分重/烘干土重X100%。 也可以相當(dāng)于土壤含水量與田間持水量 的百分比，或相對于飽和水量的百分比等相對含水量表示。根據(jù)土壤的相對濕度可以知道， 土壤含水的程度， 還能保持多少水量， 在灌 溉上有參考價值。 土壤濕度大小影響田間氣候， 土壤通氣性和養(yǎng)分分解， 是土壤 微生物活動和農(nóng)作物生長發(fā)育的重要條件之一。土壤濕度受大氣、 土質(zhì)、植被等條件的影響。 在野外判斷土壤濕度通常用手 來鑒別，一般分為四級：（1）濕，用手?jǐn)D壓時水能從土壤中流出； （2）潮，放在 手上留下濕的痕跡可搓成土球或條， 但無水流出；（3）潤，放在手上有涼潤感覺， 用手壓稍留下印痕；（

3、4）干，放在手上無涼快感覺，粘土成為硬塊。農(nóng)業(yè)氣象上土壤濕度常采用下列方法與單位表示：1重量百分?jǐn)?shù)。即土壤水的重量占其干土重的百分?jǐn)?shù)（%）。此法應(yīng)用普遍，但土壤類型不同， 相同的土壤濕度其土壤水分的有效性不同， 不便于在不同土壤 間進(jìn)行比較。2田間持水量百分?jǐn)?shù)。即土壤濕度占該類土壤田間持水量的百分?jǐn)?shù)（%）。利 于在不同土壤間進(jìn)行比較，但不能給出具體水量的概念。3土壤水分貯存量。指一定深度的土層中含水的絕對數(shù)量，通常以毫米為單 位，便于與降水量、蒸發(fā)量比較。土壤水分貯存量 W（毫米）的計算公式為W 0.1 h d Wo 式中 h 是土層厚度，d 為土壤容重（克/厘米 3） ,0.1 是單位換 算

4、系數(shù)，w 為土壤濕度（重量百分?jǐn)?shù)）。4土壤水勢或水分勢是用能量表示的土壤水分含量。 其單位為大氣壓或焦/ 克。為了方便使用，可取數(shù)值的普通對數(shù)，縮寫符號為 pF,稱為土壤水的 pF 值。11.1.4 土壤濕度測量方法土壤既是一種非均質(zhì)的、多相的、分散的、顆?；亩嗫紫到y(tǒng)，又是一個由 惰性固體、活性固體、溶質(zhì)、氣體以及水組成的多元復(fù)合系統(tǒng)，其物理特性非常 復(fù)雜，并且空間變異性非常大， 這就造成了土壤水分測量的難度。 土壤水分測量 方法的深入研究， 需要一系列與其相關(guān)的基礎(chǔ)理論支持， 尤其是土壤作為一種非 均一性多孔吸水介質(zhì)對其含水量測量方法的研究涉及到應(yīng)用數(shù)學(xué)、 土壤物理、介 質(zhì)物理、電磁場理論

5、和微波技術(shù)等多種學(xué)科的并行交叉。 而要實現(xiàn)土壤水分的快 速測量又要考慮到實時性要求，這更增加了其技術(shù)難度。土壤的特性決定了在測量土壤含水量時， 必須充分考慮到土壤容重、 土壤質(zhì) 地、土壤結(jié)構(gòu)、土壤化學(xué)組成、土壤含鹽量等基本物理化學(xué)特性及變化規(guī)律。1重量法。取土樣烘干，稱量其干土重和含水重加以計算。2電阻法。使用電阻式土壤濕度測定儀測定。根據(jù)土壤溶液的電導(dǎo)性與土壤 水分含量的關(guān)系測定土壤濕度。3負(fù)壓計法。使用負(fù)壓計測定。當(dāng)未飽和土壤吸水力與器內(nèi)的負(fù)壓力平衡時，壓力表所示的負(fù)壓力即為土壤吸水力，再據(jù)以求算土壤含水量。4中子法。使用中子探測器加以測定。中子源放出的快中子在土壤中的慢化 能力與土壤含水

6、量有關(guān)，借助事先標(biāo)定，便可求出土壤含水量。5遙感法。通過對低空或衛(wèi)星紅外遙感圖象的判讀， 確定較大范圍內(nèi)地表的 土壤濕度。11.2土壤濕度傳感器概述11.2.1 土壤濕度傳感器分類經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展， 土壤濕度傳感器已經(jīng)種類繁多、 形式多樣。 濕度的 測量具有一定的復(fù)雜性， 人們熟知的毛發(fā)濕度計、 干濕球濕度計等已不能滿足現(xiàn) 代要求的實際需要。 因此，人們研制了各種土壤濕度傳感器。 濕度傳感器按照其測量的原理，一般可分為電容型、電阻型、離子敏型、光強型、聲表面波型等。1.電容型土壤濕度傳感器電容型土壤濕度傳感器的敏感元件為濕敏電容，主要材料一般為金屬氧化 物、高分子聚合物。這些材料對水分子有

7、較強的吸附能力，吸附水分的多少隨環(huán) 境濕度的變化而變化。由于水分子有較大的電偶極矩，吸水后材料的電容率發(fā)生 變化，電容器的電容值也就發(fā)生變化。 把電容值的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，就可以?濕度進(jìn)行監(jiān)測。濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的， 當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變 時，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相 對濕度成正比，利用這一特性即可測量濕度。常用的電容型土壤濕度傳感器的感 濕介質(zhì)主要有：多孔硅、聚酞亞胺，此外還有聚砜（PSF）、聚苯乙烯（PS）、PMMA 線 性、交聯(lián)、等離子聚合）。為了獲得良好的感濕性能，希望電容型土壤濕度傳感器的兩級越接近、 作用 面積和感濕介質(zhì)的介

8、電常數(shù)變化越大越好， 所以通常采用三明治型結(jié)構(gòu)的電容土 壤濕度傳感器。它的優(yōu)勢在于可以使電容型土壤濕度傳感器的兩級較接近，從而提高電容型土壤濕度傳感器的靈敏度。圖 11.1 為常見的電容型土壤濕度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。交叉指狀的鋁條構(gòu) 成了電容器的兩個電極，每個電極有若干鋁條，每條鋁條長400 卩 m 寬 8 卩 m 鋁條間有一定的間距。鋁條及鋁條間的空隙都暴露在空氣中， 這使得空氣充當(dāng)電容 器的電介質(zhì)。由于空氣的介電常數(shù)隨空氣相對濕度的變化而變化，電容器的電容值隨之變化，因而該電容器可用作濕度傳感器。多晶硅的作用是制造加熱電阻， 該電阻工作時可以利用熱效應(yīng)排除沾在濕度傳感器表面的可揮發(fā)性物質(zhì)。

9、上述電容型土壤濕度傳感器的俯視圖如圖 11.2 所示硅村底鋁多晶圖 11.1 電容型土壤濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖圖 11.2 電容型土壤濕度傳感器結(jié)俯視圖電容型土壤濕度傳感器在測量過程中， 就相當(dāng)于一個微小電容，對于電容的 測量，主要涉及到兩個參數(shù)，即電容值 C 和品質(zhì)參數(shù) Q 土壤濕度傳感器并不是 一個純電容，它的等效形式如圖 11.3 虛線部分所示，相當(dāng)于一個電容和一個電 阻的并聯(lián)。圖 11.3 電容型土壤濕度傳感器 Zc 的等效形式及測量微分電路圖2.電阻型土壤濕度傳感器電阻型土壤濕度傳感器的敏感元件為濕敏電阻，其主要的材料一般為電介 質(zhì)、半導(dǎo)體、多孔陶瓷等。這些材料對水的吸附較強，吸附水分

10、后電阻率/電導(dǎo) 率會隨濕度的變化而變化，這樣濕度的變化可導(dǎo)致濕敏電阻阻值的變化，電阻值的變化就可以轉(zhuǎn)化為需要的電信號。例如，氯化鋰的水溶液在基板上形成薄膜， 隨著空氣中水蒸氣含量的增減，薄膜吸濕脫濕，溶液中的鹽的濃度減小、增大， 電阻率隨之增大、減小，兩級間電阻也就增大、減小。又如多孔陶瓷濕敏電阻， 陶瓷本身是由許多小晶顆粒構(gòu)成的， 其中的氣孔多與外界相通，通過毛孔可以吸 附水分子，引起離子濃度的變化，從而導(dǎo)致兩極間的電阻變化。濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時， 元件的電阻率和電阻值發(fā)生變化， 利用這一特性即可測量 濕度。電阻型土壤濕度傳感器

11、可分為兩類： 電子導(dǎo)電型和離子導(dǎo)電型。電子導(dǎo)電型 土壤濕度傳感器也稱為“濃縮型土壤濕度傳感器”，它通過將導(dǎo)電體粉末分散于 膨脹性吸濕高分子中制成濕敏膜。 隨濕度變化，膜發(fā)生膨脹或收縮，從而使導(dǎo)電 粉末間距變化，電阻隨之改變。但是這類傳感器長期穩(wěn)定性差， 且難以實現(xiàn)規(guī)模 化生產(chǎn)，所以應(yīng)用較少。離子導(dǎo)電型土壤濕度傳感器，它是高分子濕敏膜吸濕后， 在水分子作用下，離子相互作用減弱，遷移率增加，同時吸附的水分子電離使離 子載體增多，膜電導(dǎo)隨濕度增加而增加，由電導(dǎo)的變化可測知環(huán)境濕度，這類傳 感器應(yīng)用較多。在電阻型土壤濕度傳感器中通過使用小尺寸傳感器和高阻值的電 阻薄膜，可以改善電流的靜態(tài)損耗。電阻型土

12、壤濕度傳感器結(jié)構(gòu)模型示意圖如圖 11.4 所示。會屬層 1 作為連續(xù) 的電極，它與另一個電極是隔開的?；钚晕镔|(zhì)被淀積在薄膜上，用來作為兩個電 極之間的連接，并且這個連接是通過感濕傳感層的， 濕敏薄膜則直接暴露在空氣 中，在金屬層 2 上挖去一定的區(qū)域直到金屬層 1,用這些區(qū)域作為傳感區(qū)。金屬 層和金屬層 2 只是作為電極， 它們之問是沒有直接接觸的。 整個傳感器是山許多 這樣的小單元組成的。根據(jù)傳感器所需的電阻值的不同，小單元的數(shù)目是可以調(diào) 節(jié)的。因為兩個電極之問的連接只能在每個小單元中確定，所以整個傳感器的構(gòu)造可以看成是一系列的平行電阻。襯底金屬層1金屬層 2圖 11.4 電阻型土壤濕度傳感

13、器結(jié)構(gòu)示意圖根據(jù)高分子薄膜電阻型濕度傳感器的物理結(jié)構(gòu)及高分子材料的感濕機理，可將電阻型濕敏元件的電路等效為一個電阻和電容并聯(lián)或串聯(lián)的模型, 如圖11.5 所示。小單元格圖 11.5 電阻型土壤濕度傳感器簡化電路和等效電路圖實際上，圖 11.5 中的兩種等效方法是一致的，不同的是，采用右圖可以直接得到傳感器阻抗的實部和虛部，即傳感器的電阻與電容分量，其等效轉(zhuǎn)化如下:Zo1+ jQRC1 R(1 R)2(2二fC)2Co(1 R)2(2fC)2一(2f)C2式中，R 和 G 分別是濕度傳感器等效成串聯(lián)模型時的電阻分量和電容分 量；Zo是串聯(lián)模型時的復(fù)阻抗；Zo 為復(fù)阻抗的模。3.離子型土壤濕度傳感

14、器離子敏場效應(yīng)晶體管（ISFET）屬于半導(dǎo)體生物傳感器，是上個世紀(jì)七十年代 由P. Bergeld 發(fā)明的。ISFET 通過柵極上不同敏感薄膜材料直接與被測溶液中 離子緩沖溶液接觸，進(jìn)而可以測出溶液中的離子濃度。離子敏型土壤濕度傳感器結(jié)構(gòu)模型示意圖如圖11.6 所示。離子敏感器件由。離子選擇膜（敏感膜）和轉(zhuǎn)換器兩部分組成，敏感膜用以識別離子的種類和 濃度，轉(zhuǎn)換器則將敏感膜感知的信息轉(zhuǎn)換為電信號。離子敏場效應(yīng)管在絕緣柵 上制作一層敏感膜，不同的敏感膜所檢測的離子種類也不同，從而具有離子選 擇性。等效ORCoRDZo1(2fC。)2Ro2攝電極敏感材料圖 11.6 離子型土壤濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖離

15、子敏場效應(yīng)管（ISFET）兼有電化學(xué)與 MOSFE 的雙重特性，與傳統(tǒng)的離子 選擇性電極（ISE）相比，ISFET 具有體積小、靈敏、響應(yīng)快、無標(biāo)記、檢測方 便、容易集成化與批量生產(chǎn)的特點。但是，離子敏場效應(yīng)管（ISFET）與普通的MOSFE 相似，只是將 MOSFE 柵極的多晶硅層移去，用濕敏材料所代替。當(dāng)濕度 發(fā)生變化時，柵極的兩個金屬電極之間的電勢會發(fā)生變化，柵極上濕敏材料的 介電常數(shù)的變化將會影響通過非導(dǎo)電物質(zhì)的電荷流。因此，ISFET 在生命科學(xué)研究、生物醫(yī)學(xué)工程、醫(yī)療保健、食品加工、環(huán) 境檢測等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。11.2.2 三種土壤濕度傳感器的分析比較通過對三種土壤濕度傳感器

16、的研究可知：電容型土壤濕度傳感器是由交叉 指狀鋁條構(gòu)成電容器的電極，利用空氣充當(dāng)電容器的電介質(zhì)，隨空氣相對濕度 的變化其介電常數(shù)發(fā)生變化，電容器的電容值也將隨之變化，所以該電容器可 用作土壤濕度傳感器；電阻型土壤濕度傳感器是由通過感濕傳感層的兩個電極構(gòu)成的許多小單元 組成，利用小單元的數(shù)目改變，使電阻值發(fā)生變化，所以可用作土壤濕度傳感 器；離子敏型土壤濕度傳感器由敏感膜和轉(zhuǎn)換器兩部分組成，利用敏感膜來識 別離子的種類和濃度，轉(zhuǎn)換器則將敏感膜感知的信息轉(zhuǎn)換為電信號，因此也可 作為土壤濕度傳感器。同時根據(jù)對三種不同類型的土壤濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖研究發(fā)現(xiàn)：由于多 孔硅與 CMO 工藝不兼容，并且多孔

17、硅制備的工藝條件及后處理、孔隙及孔徑大 小的控制很困難，同時多孔硅的感濕機理比較復(fù)雜，因此CMOS!度傳感器的主要感濕介質(zhì)以聚酞亞胺為主。聚酞亞胺類的傳感器可與CMO 工藝兼容，成本也較低，并且無需高溫加工和加熱清潔，它對濕度的感應(yīng)不像多孔陶瓷易受污染。而若用 CMO 工藝生產(chǎn)電阻型濕度傳感器和離子敏型濕度傳感器，它們需要 改動較多 CMOS 勺工藝。例如：改變生產(chǎn)過程的先后順序，使用新的掩膜板等， 這些都會耗費大量的流片資金；并且與標(biāo)準(zhǔn)的 CMO 工藝相比，工藝較不成熟， 增加了流片的風(fēng)險性；同時它們存在著難與外圍電子封裝在一起的困難。另外，電容型濕度傳感器(CHS)由于感應(yīng)相對濕度范圍大，

18、并且結(jié)構(gòu)與等效 形式較簡單，生產(chǎn)過程較容易，因此對它的研究受到了廣泛重視。以梳狀鋁電 極結(jié)構(gòu)的聚酞亞胺作為電容型土壤濕度傳感器的感濕介質(zhì)的優(yōu)點主要是可與 CMO 工藝相兼容，可利用成熟的標(biāo)準(zhǔn) CMO 工藝來加工，且加工工藝較簡單，所 以能夠把更多的器件 (敏感器件或外圍的電路器件 )集成在同一塊芯片上或封裝 在一起，使土壤濕度傳感器具有更好的性能或更多的功能。 同時有利于使土壤 濕度傳感器向小型化、集成化、成本低、功能全面等好的方向發(fā)展。11.3電阻型土壤濕度傳感器的設(shè)計實例11.3.1 設(shè)計思路土壤屬于多孔介質(zhì)，由固、液、氣相 3 部分組成。物理學(xué)的電流電壓定 律，也適用于土壤中。土壤的氣相

19、和固相可以認(rèn)為是介質(zhì)，而土壤中的水卻不 是純水，可以導(dǎo)電。如果將兩個電極埋入土中固定不動，即兩電極間的固相固 定不變,則土壤中電阻率的改變主要是由土壤中液相的多少決定的。電阻率是反 應(yīng)土壤濕度的電參數(shù)，因此采用電阻法研制了土壤濕度傳感器。不用直接測定 電阻推求土壤濕度，而是采用線性放大原理測定土壤的電壓來計算土壤濕度。 這樣利于輸出的電壓模擬信號經(jīng) A /D 轉(zhuǎn)換后輸入計算機，從而進(jìn)行自動控制。 11.3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計土壤濕度傳感器由兩根銅合金探針組成，探針直徑為 5mm 探針間距和長度 由正交試驗確定。圖 11.8 為土壤濕度傳感器的尺寸和結(jié)構(gòu)圖50451.上外殼2卜外殼3.防水層4探針圖

20、11.8 電阻型土壤濕度傳感器結(jié)構(gòu)圖11.3.3 變送電路設(shè)計應(yīng)用 LM324 四運放集成電路設(shè)計了變送電路。阻抗式濕度傳感器的非線性 大，但其阻抗的對數(shù)與相對濕度成線性關(guān)系，因此必須設(shè)計線性化處理的電路 及溫度補償電路。同時，為了使加在土壤濕度傳感器上的信號源為交流，設(shè)計 了矩形波發(fā)生器，產(chǎn)生一定頻率和幅值的振蕩信號，作為濕度傳感器的工作電 壓。該電路的優(yōu)點是充分利用了LM324 運算放大電路的集成功能，模塊緊湊高效。其，各功能模塊如圖 11.9 所示，電路原理圖如圖 11.10 所示圖 11.9 電阻型土壤濕度傳感器變送電路功能模塊圖 11.10 電阻型土壤濕度傳感器變送電路LM324-1

21、 為電壓跟隨電路，其輸出電壓不受后級電路阻抗影響，保證了精 確的電壓輸出。由于水分子為極性分子，在直流電存在的情況下，會電離與分 解，從而影響導(dǎo)電與元件的壽命。考慮探針電極不受極化腐蝕，需要加在土壤 濕度傳感器上的信號源為交流。LM324 -2 為矩形波發(fā)生電路，產(chǎn)生頻率約為 1kHz、幅值為 3.36V 的低頻矩形波信號，即f=1/T=1/2R4(Ciln(1+2R3/R5)1kHz其中：RF39kQ,R=R=30kQ,C=0.01 卩 F。通過波形發(fā)生電路輸出低頻矩形波信號后，以在土壤濕度傳感器上得到一個隨水分含量變化的交流電壓信 號。LM324-3 是利用硅二極管正向電壓-電流成對數(shù)特性

22、的對數(shù)變換電路，它采 用了具有溫度特性的硅二極管，能對傳感器起到溫度補償作用。同時，調(diào)節(jié)電 位器能獲得較好的溫度補償，其輸出電壓將隨相對濕度的增加而增大。該輸出 電壓經(jīng)電容濾波再經(jīng)運算放大器 LM324-4 對溫度補償?shù)臐穸入妷盒盘栠M(jìn)行放 大。用 Multisim 軟件對已設(shè)計好的變送電路進(jìn)行仿真，調(diào)節(jié)電阻與電容值等， 對輸出電壓波形和幅值等進(jìn)行調(diào)試，使模擬電壓輸出在 05V 的范圍內(nèi)，再進(jìn)行 電路板的制作。11.3.4 傳感器的標(biāo)定土壤濕度傳感器濕度-電壓試驗數(shù)據(jù)如表 3 所示。用 MATLA 軟件對土壤濕度 傳感器進(jìn)行標(biāo)定，用 14 次測量數(shù)據(jù)覆蓋土壤濕度變化的全量程，選多項式回歸 模型，

23、即二 b0dx b2x2Sxm N(0,匚2)n為了找出使誤差的平方和(f(Xi)-yJ2最小、R2 較大的多項式，決定采i二用四次多項式。用 MATLABS 程進(jìn)行曲線擬合，得到代表此濕度傳感器的最佳回 歸曲線和最優(yōu)回歸方程，如圖 4 所示。對得到的回歸方程和回歸曲線進(jìn)行分 析，其中可決系數(shù) 20.9159 較大，剩余標(biāo)準(zhǔn)差 RMSE=0.189 較小，因此將 f(x)=-0.000 0116x4+0.001171x3-0.04278x2+0.6167x-0.09824 作為最終的標(biāo)定結(jié)果。響應(yīng)時間的標(biāo)定：將傳感器插入干土壤中，接通工作電源和數(shù)字萬用表，將 傳感器快速撥出插入濕土壤中；啟動記時表，并觀測萬用表的顯示值直至穩(wěn)定，停記時表，所需時間為上升過程響應(yīng)時間，反之為下降過程響應(yīng)時間。通過實驗測量可知，響應(yīng)時間都小于15s表 11-1 傳感器濕度-電壓試驗數(shù)據(jù)試驗