土壤濕度傳感器

第十一章土壤濕度傳感器土壤濕度及其表示土壤濕度含量。土壤濕度的高低受農田水分平衡各個分量的制約。土壤濕度傳感器溉和林業(yè)防護。土壤濕度表示方法土壤含水量=水分重/烘干土重×100％。也可以相當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。微生物活動和農作物生長發(fā)育的重要條件之一。（1）濕，用手擠壓時水能從土壤中流出（2）潮，放在（3（4）干，放在手上無涼快感覺，粘土成為硬塊。農業(yè)氣象上土壤濕度常采用下列方法與單位表示：于在不同土壤間進行比較，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。土壤水分貯存量毫米）。式中h（3）,0.1算系數(shù)，w（重量百分數(shù)。pF土壤濕度測量方法地、土壤結構、土壤化學組成、土壤含鹽量等基本物理化學特性及變化規(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。水分含量的關系測定土壤濕度。壓力表所示的負壓力即為土壤吸水力，再據(jù)以求算土壤含水量。能力與土壤含水量有關，借助事先標定，便可求出土壤含水量。土壤濕度。土壤濕度傳感器概述土壤濕度傳感器分類測量的原理，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(PSF)(PSPMMA(性、交聯(lián)、等離子聚合)。提高電容型土壤濕度傳感器的靈敏度。11.1400μm，8μm，鋁11.2圖11.1電容型土壤濕度傳感器結構示意圖圖11.2電容型土壤濕度傳感器結俯視圖CQ11.3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濕度。11.4121，2ft許多圖11.4電阻型土壤濕度傳感器結構示意圖根據(jù)高分子薄膜電阻型濕度傳感器的物理結構及高分子材料的感濕機11.5圖11.5電阻型土壤濕度傳感器簡化電路和等效電路圖11.5Z R0 1R 1R0 R)2(2fC)2R)2(2fC)20C )C20Z 1 R2)00 fC 2 0)0C0 0

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；Z是串聯(lián)模型時的復阻抗；Z0 離子型土壤濕度傳感器

為復阻抗的模。離子敏場效應晶體管(ISFET)P．BergeldISFET離子敏型土壤濕度傳感器結構模型示意圖如圖11.6所示。離子敏感器件由圖11.6離子型土壤濕度傳感器結構示意圖離子敏場效應管(ISFET)MOSFET(ISFET)MOSFETMOSFET的變化將會影響通過非導電物質的電荷流。因此，ISFET檢測等領域有廣闊的應用前景。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的研究可知：電容型土壤濕度傳感器是由交叉指狀鋁條構成電容器的電極，利用空氣充當電容器的電介質，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換器兩部分組成，利用敏感膜來識別離子的種類和濃度，轉換器則將敏感膜感知的信息轉換為電信號，因此也可作為土壤濕度傳感器。CMOSCMOSCMOSCMOSCMOSCMOS另外，電容型濕度傳感器(CHS)由于感應相對濕度范圍大，并且結構與等效CMOSCMOS感器向小型化、集成化、成本低、功能全面等好的方向發(fā)展。電阻型土壤濕度傳感器的設計實例設計思路土壤屬于多孔介質，由固、液、氣相3A/D結構設計5mm,11.8圖11.8電阻型土壤濕度傳感器結構圖變送電路設計應用LM324四運放集成電路設計了變送電路。阻抗式濕度傳感器的非線性LM32411.911.10電壓跟隨器 矩形波發(fā)生器 土壤濕度傳感器 對數(shù)變換電路 濾波 放大器 輸出溫度補償圖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感器上的信號源為交流。LM324-21kHz、幅3.36Vf=1/T=1/[2R(Cln(1+2R/R))]≈1kHz4 1 3 5其中：R=39kΩ，R=R=30kΩ，C=0.01μF。通過波形發(fā)生電路輸出低頻矩4 3 5 1LM324-3LM324-4Multisim0~5V路板的制作。傳感器的標定3MATLAB14型，即bbxbx bx ,~N(0,2)2 m0 1 2 m為了找出使誤差的平方和i1

(f(xi

)yi

)2最小、R2較大的多項式，決定采用MATLAB曲線和最優(yōu)回歸方程，如圖4R=0.9159RMSE=0.1892f(x)=-0.00020116x4+0.001171x3-0.04278x2+0.6167x-0.09824作為最終的標定結果。響應時間的標定: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時間，反之為下降過程響應時間。通過實驗測量可知，響應時間都小于15s。表11-1傳感器濕度-電壓試驗數(shù)據(jù)試驗號平均含水量電壓12.66941.3623.09281.3438.45992.8549.64912.55513.37872.88614.94253.15715.47343.18817.92452.60919.61272.561022.54902.611124.06952.551225.94462.541327.87722.531435.50142.56332U電壓1005101520W/%25303540圖11.1114-18℃時土壤濕度-電壓特性曲線參考文獻：《傳感器原理及應用》[M].北京：科學出版社，2014遲天陽,楊方,果莉.節(jié)水灌溉中土壤濕度傳感器的應用[J].報.2006(01)韓悅文.幾種典型濕度傳感器的原理和概要分析[J].學版).2009(01)德本. 濕度傳感器的現(xiàn)狀和開發(fā)動向[J].儀表技術與傳感器.1988(04)[5]劉瑩. 電阻型濕度傳感器伏安特性測試及其導電機理[J].華南理工大學報(自然科學版).1999(07)郝育聞. 新型濕度傳感器的研究進展[J].傳感器與微系統(tǒng).2009(11)[7]黃林. 農業(yè)灌溉控制器的設計與實現(xiàn)[D].大連海事大學2012王志勝,王道波,蔡宗琰.傳感器標定的統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理方法[J].2004(03)陳永勝. 多元線性回歸建模以及MATLAB和SPSS求解[J].綏化學院學報2007(06)QuanxingZhang,Joh