儀器建模與仿真

1、基于信號(hào)波形幅度檢測(cè)放大技術(shù)的電容式土壤水分傳感器研究徐燕，易衛(wèi)東*，卓國(guó)文中國(guó)科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院，北京100049報(bào)告人:學(xué)號(hào):報(bào)告內(nèi)容 背景介紹 傳感器介紹 原理與建模 仿真驗(yàn)證 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 總結(jié)與思考報(bào)告內(nèi)容 背景介紹 傳感器介紹 原理與建模 仿真驗(yàn)證 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 總結(jié)與思考應(yīng)用背景研究背景應(yīng)用背景 隨著世界各地淡水資源的日趨緊張，以致各方面的用水進(jìn)行了嚴(yán)格控制。根據(jù)實(shí)測(cè)土壤水分的狀況和農(nóng)作物生長(zhǎng)情況進(jìn)行節(jié)水灌溉，意義重大！研究背景方法方法優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)烘干法測(cè)量準(zhǔn)確不能實(shí)時(shí)實(shí)地量測(cè)熱特性法不受水導(dǎo)電性影響需發(fā)熱源，功耗大時(shí)域反射法不受土壤質(zhì)地、含鹽量、溫度影響成本高張力法可

2、實(shí)時(shí)量測(cè)，確定水的流動(dòng)方向和滲透深度張力和水分關(guān)系復(fù)雜，誤差大射線法測(cè)量準(zhǔn)確設(shè)備維護(hù)成本高，有輻射危險(xiǎn)電容法實(shí)時(shí)實(shí)地量測(cè)，量測(cè)范圍寬，成本低受土壤特性、溫度、含鹽量等影響表1 目前已有的用于科學(xué)研究的土壤水分量測(cè)方法報(bào)告內(nèi)容 背景介紹 傳感器介紹 原理與建模 仿真驗(yàn)證 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 總結(jié)與思考傳感器介紹功能與目的：檢測(cè)土壤體積含水量，實(shí)現(xiàn)節(jié)約用水工作電壓及功耗：2.5V 24V, 8mW(2.5V)原理：依據(jù)土壤水分與土壤相對(duì)介電常數(shù)的關(guān)系，改變平行板電容容值，從而輸出對(duì)應(yīng)的電壓值輸入與輸出：輸入為被測(cè)介質(zhì)體積含水量，輸出為傳感器電壓輸出方式：多芯屏蔽線及耳機(jī)插頭圖1 傳感器實(shí)物圖報(bào)告內(nèi)容 背景介

3、紹 傳感器介紹 原理與建模 仿真驗(yàn)證 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 總結(jié)與思考原理與建模01020304050607001020304050607080r(%) 當(dāng)量測(cè)信號(hào)頻率在1 MHz 1 GHz之間時(shí)，土壤體積含水量()與土壤介電常數(shù)(r)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式2為： q= -5.310-2+er2.9210-2-er25.510-4+er3 4.310-6(1)兩平行極板電容公式： C=e0erSd(2)圖2 土壤介電常數(shù)和土壤體積含水量關(guān)系圖r,干土 = 2.5, r,水 = 80,土壤少量水會(huì)引起土壤相對(duì)介電常數(shù)明顯變化1 C=a1q+b1(3)其中，a1和b1為常數(shù) 其中，0為真空介電常數(shù)，r為平行板間介質(zhì)相

4、對(duì)介電常數(shù)，S為平行板間投影面積，d為平行板間距離。飽和體積含水量30% 40%原理與建模阻抗變換電路交流放大電路震蕩電路信號(hào)波形幅度檢測(cè)電路直流放大電路VOSCVtRLVrAVrVoCGND信號(hào)發(fā)送電極信號(hào)接收電極26 MHz圖3 傳感器架構(gòu)圖Vr=RLRL2+1(wC)2Vt(4)Vo=k(Va+AVr/2)其中，k和Va分別為直流放大電路的放大倍數(shù)和基準(zhǔn)電壓，A為交流放大電路放大倍數(shù)(6) Vr=RLwCVt(5)數(shù)量級(jí)（數(shù)量級(jí)（109 1011） Vo=a2q+b2(7)其中，a2和b2為常數(shù)報(bào)告內(nèi)容 背景介紹 傳感器介紹 原理與建模 仿真驗(yàn)證 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 總結(jié)與思考仿真方法仿真流程仿真

5、結(jié)果仿真方法目的：考察傳感器的線性度、靈敏度及功耗方法：電容式土壤水分傳感器標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估方法對(duì)比傳感器：美國(guó)Decagon公司的EC-5傳感器(工作電壓2.5V)溶液樣品1,4二氧六環(huán)溶液/mL去離子水/mL等效土壤水分理論值/%120000.922004.083.2320010.545.9420022.2211.3520035.3017.2620056.4225.6720086.7231.58200133.3240.9920020047.51020030052.6表2 溶液樣本的配比仿真流程開(kāi)始將200mL二氧六環(huán)溶液置于玻璃杯中將PA-1傳感器插入溶液量測(cè)并記錄EC-5傳感器插入溶液量測(cè)并記錄

6、等效土壤水含量=52.6%累加適量去離子水達(dá)到圖標(biāo)比例整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制圖標(biāo)分析物理意義結(jié)束是量測(cè)結(jié)束否圖4 仿真實(shí)驗(yàn)流程直流電源：Gwinstek PSS-2005萬(wàn)用表：Gwinstek GDM-451環(huán)境溫度：20仿真結(jié)果圖5 本文提出的傳感器PA-1和EC-5傳感器在2.5V供電電壓下在溶液樣品中的量測(cè)曲線傳感器輸入范圍：等效土壤體積含水量（0.9% 52.6%）電壓輸出范圍：PA-1（24mV 900mV）EC-5（293mV 628.7mV）PA-1 靈敏度高線性度好，功耗低3.2仿真結(jié)果圖6 本文設(shè)計(jì)的傳感器PA-1量測(cè)值的線性擬合結(jié)果圖7 EC-5傳感器在2.5V供電電壓下，本文

7、設(shè)計(jì)的傳感器PA-1在2.5V、3.3V、5V供電電壓下的功耗EC-5的功耗：19.38mW 23mW (2.5V)PA-1的功耗：7.36mW 7.8mW (2.5V)9.67mW 10.23mW (3.3V)14.68mW 15.57mW (5V) Vo=18.9947q-39.0152(8)擬合相關(guān)系數(shù)平方：R2 = 0.9950線性度好，功耗低線性度好，功耗低報(bào)告內(nèi)容 背景介紹 傳感器介紹 原理與建模 仿真驗(yàn)證 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 總結(jié)與思考實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)方法土樣： 粘壤土（山東淄博，干 = 2.72%）砂壤土（河北保定，干= 3.88%）粘土（湖南郴州，干= 1.94%）土壤測(cè)定單位：中

8、國(guó)農(nóng)科院改變方法：注入去離子水灌溉需求： 24%3土壤范圍：2.72% 22.72%3.88% 21.88%1.94% 19.94%實(shí)驗(yàn)溫度： 25萬(wàn)用表：Gwinstek GDM-451電源：Gwinstek PSS-2005(直流2.5V)圖8 粘土土樣測(cè)試場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖9 多種土樣的數(shù)據(jù)線性擬合 Vo1=56.87q-201.33Vo2= 27.539q-122.51Vo3= 3.589q+13.949(9)(10)(11)砂壤土粘壤土粘土 R12= 0.814R22= 0.891R32= 0.963818.7%報(bào)告內(nèi)容 背景介紹 傳感器介紹 原理與建模 仿真驗(yàn)證 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 總結(jié)與思考總

9、結(jié) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器輸出電壓和土壤體積含水量有良好線性關(guān)系（R2 = 0.81 0.99）； 傳感器從元器件的選擇、電路設(shè)計(jì)著手降低功耗，功率低于8mV（2.5V）； 實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)土質(zhì)進(jìn)行校準(zhǔn)。思考 環(huán)境溫度對(duì)傳感器的靈敏度有何影響？ 對(duì)于用戶，如何方便快捷地進(jìn)行校準(zhǔn)？ 自動(dòng)化作業(yè)中，單點(diǎn)量測(cè)的準(zhǔn)確性？ 多點(diǎn)量測(cè)的信息傳輸如何布線？低功耗意義？ 自適應(yīng)、無(wú)線傳輸、低功耗的土壤水分傳感器土質(zhì)溫度施肥參考文獻(xiàn)1 Kitic G. A Sensor for the Measurement of the Moisture of Undisturbed Soil Samples. Sensors,2013,13:1692-1705.2 Topp G C, Davis J I, Annan A P. Electromagnetic Determination of Soil Water Cont