专利名称：一种介电频差式土壤水分传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种介电频差式土壤水分传感器。
背景技术：
土壤水分是一切植物生长的基本条件，土壤水分的实时快速度测定是水利、农业和灌排自动化及其它一些领域的关键技术之一。长期以来国内外对此进行了大量的研究，先后提出了许多种测定方法，其中利用土壤介电特性与其含水量关系来测量土壤水分是目前的研究方向。在这些方法中又以电容法、时域反射法(TDR法)、微波法等研究较深。但它们都存在着各自的不足之处(1)如测量精度较高的TDR法是由液体介电特性测定发展而成的，它是通过对高速电磁脉冲传输反射信号的解译来测定土壤介电特性，由于这一技术涉及高速电信号分析(要求稳定解译10-11秒的电信号)，技术十分复杂，使采用这一技术的仪器成本也很高，约10万元人民币，这些都极大地限制了该方法的推广应用。
(2)土壤水分微波测量法较多，较成熟的有微波吸收法和微波反射(PDP)法。但都存在着技术复杂，成本较高的问题，特别是研究结果表明这些方法的测量结果显著地受土壤质地、容重等的影响，精度低，测量深度很有限，且操作复杂。
(3)以振荡电路测量插入土壤中的土壤电极(以下简称为土壤电极)的等效电容来测量土壤水分的电容法，具有技术相对简单的优点，很早就受到人们广泛注意。它是通过测量插入在土壤中的土壤电极的等效电容来测量土壤水分的，但其土壤电极的等效电容值的测量强烈受土壤电导变化的影响，而土壤电导除取决于含水量外，还强烈地受土壤含盐量、质地、容重等的影响，使其测量结果与土壤含水量呈非线性关系，特别是不同种类土壤的输出关系变差相当大，精度低，测量范围有限，田间测量时操作复杂。
因此寻找一种成本较低而又能有效排除土壤含盐量、质地、容重等干扰的方法，并以此研制成本低、精度高，操作简便的土壤水分快速测定仪器是该领域要解决的难题。
发明内容
本发明要克服现有技术存在的成本较高，不能有效排除土壤含盐量、质地、容重等干扰，精度低，操作复杂的问题。
为克服现有技术存在的问题，本发明的技术方案是一种介电频差式土壤水分传感器，包括土壤电极1、变送电路，所述变送电路由振荡电路2、放大整形电路3，多级分频电路4、低通滤波电路5和光电隔离电路6组成，振荡电路2是并联LC振荡电路，其特殊之处在于土壤电极1通过继电器K直接与一个比土壤电极1插入饱和土壤时的等效电容值大20倍以上的与电感并联的电容相接。
上述并联LC振荡电路中与电感并联的电容值比土壤电极1插入饱和土壤时的等效电容值大20～50倍。这样可取得准确的测量数据。
上述振荡电路2包括电容C21、电容C22、电容C23、电容C24、电感L21、集成块U21、电阻R21、电阻R22；所述电容C21与电感L21并联，一端分别接集成块U21的第10脚和通过电容C22接集成块U21的第8脚，另一端接集成块U21的第12脚；集成块U21的第1脚和第14脚都接电源正极，集成块U21的第7脚和第8脚接地，集成块U21的第5脚通过并联的电容C23和电容C24接地，集成块U21的第5脚还通过电阻R21接电源正极；集成块U21的第3脚接放大整形电路3和接地的电阻R22。
上述放大整形电路3包括电容C3、电阻R31、电阻R32和集成块U3，电容C3一端接振荡电路2，另一端通过电阻R31与集成块U3中的第1脚相接，集成块U3中的第1脚通过电阻R32与第2脚和第3脚相接，集成块U3中的第4脚接所述的多级分频电路4。
上述多级分频电路4包括集成块U41和集成块U42，所述集成块U41的第1脚与放大整形电路3相接，第5脚与第13脚相接，第6脚与第2脚相接，第8脚与第12脚相接，第9脚与集成块U42的第1脚相接，集成块U42的第5脚与第13脚相接，第6脚与第2脚相接，第8脚与第12脚相接，第9脚接低通滤波电路5。
上述集成块U41和集成块U42都是由两个四位二进制计数器组成。
与现有技术相比，本发明的优点在于1、测量结果准确本发明的研究理论是通过土壤相对介电常数来测定土壤水分含量。对选用测量的10-100MHz之间时电磁频率段内，非盐碱性土壤的土壤电导率(σ)变化很大，旦强烈地受土壤含盐量、质地、容重、结构的影响，因此电导损耗角的正切值(tgδ=σ2πfϵ0ϵ,]]>其中f为电磁频率，ε0为真空介电常数，ε为相对介电常数)大而多变，对非盐碱性土壤在电磁频率为10MHz时，电导损耗角的正切值在0.01-10之间变化；在电磁频率为100MHz时，正切值在0.001-1之间变化，土壤为高变损耗介质，这对土壤电极的等效电容值的测定产生了很大干扰，在常见将土壤电极直接插入振荡电路的测试传感器中，因品质因数Q＝2πfCR＝2πfε0ε/σ＝1/tgδ，而土壤电导损耗角正切(tgδ)越大，LC振荡电路的Q值越小，对其土壤电极的等效电容值测量干扰越大。本发明可消除田间土壤含盐量、质地、容重等变化引起的土壤电导变化对测量结果的影响，这是因为设计了并联LC振荡电路，并通过继电器K直接将土壤电极1电容与一个比土壤电极1插入饱和土壤时的等效电容值大20倍以上的与电感并联的电容相接，这时振荡电路的品质因数Qm＝2πf(C0+C)R＝(H+1)2πfR＝(H+1)Q，大大提高了并联LC振荡电路的Qm值，而并联LC振荡电路的Qm值越大，电路工作越稳定，特别是土壤电导变化，对土壤电极的等效电容值测量干扰小，因此本发明可测得准确的土壤含水量测量数据。
2、电路简单，成本低廉本发明提出对土壤电极并联一个较大电容，再接入并联LC振荡电路，测量分辨率高，其后续处理电路简洁易行，因此电路简单，成本低，适于推广。
3、适用面广可适用于在各种非盐碱性土壤条件下使用。
图1是本发明的原理框图；图2是电路原理图。
标记说明如下1——土壤电极，2——振荡电路，3——放大整形电路，4——多级分频电路，5——低通滤波电路，6——光电隔离电路。
具体实施例方式参见图1，本发明包括土壤电极1和变送电路，土壤电极1接变送电路，所说的变送电路包括振荡电路2、放大整形电路3、多级分频电路4、低通滤波电路5和光电隔离电路6。
参见图2，所说的土壤电极1可等效为电阻R11和电容C11并联组成阻容网络，振荡电路2是并联LC振荡电路，土壤电极1通过继电器K直接与一个比土壤电极1插入饱和土壤时的等效电容C11值大20倍以上的并联LC振荡电路中的与电感L21并联的电容C21相接。
所说的振荡电路2包括电容C21、电容C22、电容C23、电容C24电感L21、集成块U21(MC1648)、电阻R21、电阻R22；所述电容C21与电感L21并联，一端分别接集成块U21的第10脚和通过电容C22接集成块U21的第8脚，另一端接集成块U21的第12脚；集成块U21的第1脚和第14脚都接电源正极，集成块U21的第7脚和第8脚接地，集成块U21的第5脚通过并联的电容C23和电容C24接地，集成块U21的第5脚还通过电阻R21接电源正极；集成块U21的第3脚接放大整形电路3和接地的电阻R22上述放大整形电路3包括电容C3、电阻R31、电阻R32和集成块U3(74HC4069为四个反相器，使用其中的A、B两个)，电容C3一端接振荡电路2，另一端通过电阻R31与集成块U3中的第1脚相接，集成块U3中的第1脚通过电阻R32与第2脚和第3脚相接，集成块U3中的第4脚接所述的多级分频电路4。
所说的多级分频电路4包括集成块U41(74HC393)和集成块U42(74HC393)，它们分别由两个四位二进制计数器组成(分为A、B两部分)，所述集成块U41的第1脚与振荡电路2相接，第5脚与第13脚相接，第6脚与第2脚相接，第8脚与第12脚相接，第9脚与集成块U42的第1脚相接，集成块U42的第5脚与第13脚相接，第6脚与第2脚相接，第8脚与第12脚相接，第9脚接低通滤波电路5。
所说的低通滤波电路5包括电阻R5、电容C5和集成块U5A，所述电阻R5一端接多级分频电路4，另一端分别接接地电容C5和集成块U5A(LM324)的正输入端第3.脚，集成块U5A的负输入端第2脚分别接集成块U5的第1脚；上述光电隔离电路6包括光电耦合器U6和稳压二极管D6，上述集成块U5A的第1脚与光电耦合器U6的阳极(第1脚)相接，光电耦合器U6的阴极(第2脚)通过稳压二极管D6接地。
本发明的工作过程是，土壤电极1经过超小型高灵敏继电器开关K1传送给振荡电路2，振荡电路2采用并联LC振荡器，因为土壤电极1通过继电器K直接与一个与电感并联的电容相接，实质上土壤电极1等效为一组容网络与电容C21并联，共同作为并联LC振荡电路中的电容值，集成块U21采样压控振荡器MC1648，一般情况下C21＝200pF，L21＝0.82uH就可使振荡器频率在10MHz以上，集成块U21的3管脚输出为高频频率信号；集成块U21的高频信号经过集成块U3(采样74HC4069)组成的放大整形电路3，将高频频率小信号放大3-5倍并整形后，再将高频率的电信号传输至多级分频电路4，在该电路中，经过集成块U41和U42，两片74HC393组成的4级分频电路分频(1/4096倍)之后，信号就成为了低频频率信号，该低频频率信号送入低通滤波电路5，抑制高频噪音，其后信号再经光电隔离电路6后传送到配套仪表，测量其振荡频率，计算频率差值及其开方值。
本发明的工作原理是经分析得出，在不受土壤离子电导和介电弥散影响的电磁频率段内，一般在10MHz-300MHz之间，土壤含水量与其相对介电常数之间有以下关系θ=ϵ-(γd/G)(ϵs-1)-1ϵw-1---(1)]]>式中ρ、G、θ分别为土壤的干容重、比重、体积含水量；ε、εω、εs、εα分别为土壤、水分、土壤颗粒、空气的相对介电常数，其中εα＝1，εs随土壤颗粒的化学组成而变，其均值εs均＝5.45，εω随温度t而略有变化，一般为80左右。
由于土壤颗粒相对介电常数远小于水的相对介电常数，且土壤比重G基本稳定(约为2.65g/cm3)，由式(1)可分析得出土壤含水量主要取决于土壤的相对介电常数，可由土壤相对介电常数的开方确定土壤含水量(θ)；土壤种类和干容重rd对测量有一定影响，但影响较小。介电法是把土壤相对介电常数的变化转换成电信号来实现土壤水分测量的，其方法是制作土壤电极1，根据插入含水土壤中土壤电极1的等效电容值变化推求土壤含水量。在一定电磁频率下，插入含水土壤中的土壤电极1可简化等效为一个以土壤为介质的阻容网络，也即一个带损耗的电容器，其电学参数为C11＝αε0ε (2)R11＝1/ασ (3)tgδ＝σ/2πfε0ε (4)Q＝2πfC11·R11＝2πfε0ε/σ＝1/tgδ(5)式中C11为土壤电极1插入土壤时的等效电容值；R11为土壤电极1插入土壤时的等效电阻值；α为电极常数，与电极的形式和尺寸有关；tgδ为土壤电导损耗角正切；Q为将土壤电极简化为带损耗电容器时的电容器品质因数，其它同上。
可以看出对特定形状和尺寸的土壤电极1，其插入土壤后的电容值和电阻值取决于土壤相对介电常数和电导率，测定插入含水土壤中插入土壤电极1的等效电容值就可推求土壤含水量。
在不考虑其电路实现误差时，经推导得出将带损耗电容器接入并联和串联LC振荡器时振荡频率分别为f0=12πLC]]>(并联LC振荡) (6)f0=12πLC11+1/(Qm2)]]>(串联LC振荡) (7)式中Qm为振荡回路的品质因数，与插入土壤中土壤电极1的Q值有关，若直接将土壤电极1接入振荡电路时，Qm＝Q。显然串联LC振荡电路的振荡频率受被测土壤电极1的Q值影响，难以克服插入土壤时土壤电极1的Q值变化对测量的干扰，采用并联LC振荡电路更为有利。对并联LC振荡电路，由于土壤电极1插入土壤时的品质因数Q值很小且影响因素多，变化很大，若直接将土壤电极1接入振荡电路2中不易起振，电路工作不稳定，且对测量结果有较大影响。为提高振荡回路品质因数，本项研究对土壤电极1并联一个较大电容C21，再接入并联LC振荡电路，其振荡回路品质因数Qm为Qm＝2πf(C21·+C11)R11＝[(C21/C11+)2πfR11＝(C21/C11+1)Q(8)若C21/C11取较大值时，即可较大幅度提高振荡振荡回路的品质因数Qm，保证振荡电路2稳定工作。但由于电容C21远大于土壤电容C11值，C21受温度等外界变化影响，这对插入土壤中的土壤电极的等效电李C11值测量会产生相当大的干扰，为此采用频差测量法，通过测定继电器K通断时振荡电路的频率差值来测定插入土壤时土壤电极1等效电容C11值的变化，对电路中的并联LC振荡器，当继电器K断开时，其振荡频率为
f0=12πLC21---(9)]]>当继电器K闭合时，接入土壤电极1，其振荡频率为f1=12πL(C21+C11)---(10)]]>当C11/C21较小时，频差值为Δf=f0-f1=12πLC21-12πL(C21+C11)≈12πLC21[12C11C21]=12f0C11C21---(11)]]>对确定的振荡电路，由于C21和f0为常数，且C＝αε，令k＝(1/2)f0/C21，则Δf＝kε(12)将式(12)代入式(1)分析可得θ=ϵ-(γd/G)(ϵs-1)-1ϵw-1=Δf/k-(γd/G)(ϵs-1)-1ϵw-1=αΔf-b---(13)]]>式中a、b分别为传感器的特性参数，a值取决于传感器的特性，b值取决于土壤颗粒的介电常数(与土壤质地有关)和干容重。
α=k/(ϵw-1)---(14)]]>b=(γd/G)(ϵS-1)/(ϵw-1)---(15)]]>由式(13)得，土壤含水量与传感器频差值开方成正比，土壤种类、容重对其有影响，但影响较小。
值得说明的是若C21/C11(C11是插入饱和土壤时的等效电容值)过大，虽能显著提高振荡电路的品质因数，但C21的外界干扰对测量影响大，若C21/C11过小，则振荡电路的品质因数不高，测量精度低，经实验应选在20-50之间。
上述电路可通过配套仪表进行控制和测量，测量振荡频率，计算频率差值及其开方值，快速测量土壤水分值。
权利要求
1.一种介电频差式土壤水分传感器，包括土壤电极(1)、变送电路，所述变送电路由振荡电路(2)、放大整形电路(3)、多级分频电路(4)、低通滤波电路(5)和光电隔离电路(6)组成，振荡电路(2)是并联LC振荡电路，其特征在于土壤电极(1)通过继电器K直接与一个比土壤电极(1)插入饱和土壤时的等效电容值大20倍以上的与电感并联的电容相接。
2.如权利要求1所述的一种介电频差式土壤水分传感器，其特征在于所述并联LC振荡电路中与电感并联的电容值比土壤电极(1)插入饱和土壤时的等效电容值大20～50倍。
3.如权利要求2所述的一种介电频差式土壤水分传感器，其特征在于所述振荡电路(2)包括电容C21、电容C22、电容C23、电容C24、电感L21、集成块U21、电阻R21、电阻R22；所述电容C21与电感L21并联，一端分别接集成块U21的第10脚和通过电容C22接集成块U21的第8脚，另一端接集成块U21的第12脚；集成块U21的第1脚和第14脚都接电源正极，集成块U21的第7脚和第8脚接地，集成块U21的第5脚通过并联的电容C23和电容C24接地，集成块U21的第5脚还通过电阻R21接电源正极；集成块U21的第3脚接放大整形电路3和接地的电阻R22。
4.如权利要求3所述的一种介电频差式土壤水分传感器，其特征在于所述放大整形电路(3)包括电容C3、电阻R31、电阻R32和集成块U3，电容C3一端接振荡电路2，另一端通过电阻R31与集成块U3中的第1脚相接，集成块U3中的第1脚通过电阻R32与第2脚和第3脚相接，集成块U3中的第4脚接所述的多级分频电路4。
5.如权利要求4所述的一种介电频差式土壤水分传感器，其特征在于所述多级分频电路(4)包括集成块U41和集成块U42，所述集成块U41的第1脚与放大整形电路3相接，第5脚与第13脚相接，第6脚与第2脚相接，第8脚与第12脚相接，第9脚与集成块U42的第1脚相接，集成块U42的第5脚与第13脚相接，第6脚与第2脚相接，第8脚与第12脚相接，第9脚接低通滤波电路5。
6.如权利要求5所述的一种介电频差式土壤水分传感器，其特征在于所述集成块U41和集成块U42都是由两个四位二进制计数器组成。
全文摘要
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种介电频差式土壤水分传感器。本发明要克服现有技术存在的成本较高，不能有效排除土壤含盐量、质地、容重等干扰，精度低，操作复杂的问题。其技术方案是一种介电频差式土壤水分传感器，包括土壤电极1、变送电路，所述变送电路由振荡电路2、放大整形电路3、多级分频电路4、低通滤波电路5和光电隔离电路6组成，振荡电路2是并联LC振荡电路，其特殊之处在于土壤电极1通过继电器K直接与一个比土壤电极1插入饱和土壤时的等效电容值大20倍以上的与电感并联的电容相接。
文档编号G01N27/22GK1619301SQ200310105949
公开日2005年5月25日 申请日期2003年11月21日 优先权日2003年11月21日
发明者马孝义, 王君勤 申请人:马孝义, 王君勤