专利名称：阻抗式土壤水分传感器及其制作工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种土壤仪器，具体涉及一种阻抗式土壤水分传感器，以及这种阻抗式土壤水分传感器的制作工艺。
背景技术：
目前，农田墒情实时测报多采用压阻式土壤水分传感器。它是在张力计的基础上，与差压式压力传感器组合而成的。这种土壤水分传感器具有较高的测定精度和稳定性，易于标定，价位中等。但是，在实际应用中，存在以下不足之处①其土壤水吸力测定范围是0～85Kpa，虽适合许多作物丰产栽培的灌溉指导要求；但对干旱地区及耐旱作物上，其干端测试范围不够宽，应用受到限制。②由于隔一定时间需要向传感器中加水，因此，对于无人值守的测站就难以采用。③该传感器上端需露出地表，给管理和保护增加了麻烦。
还有一种常用的土壤水分传感器是采用石膏电阻块，其传统结构是由不锈钢丝网组成的内外两个圆环分别作为两个电极，并用石膏包裹做成石膏块水分传感器。这种土壤水分传感器，其优缺点与压阻式土壤水分传感器相比，正好处于互补状况。这种传感器测试土壤水吸力的范围在60～300Kpa。它能测试比较干燥的土壤，造价较低，管理方便，埋入土中以后不需要进行加水等操作。但0～60Kpa土壤水吸力范围里不能准确测定。另一个问题是，土壤电导率受温度影响较大。
石膏电阻块在0～60Kpa水吸力范围所测得的电阻值差异不大，结果较为紊乱，限制了它在农田墒情测报中的应用。产生这种现象的原因是所用的石膏粉颗粒粒级过于均一，它们的粒级集中于30～150微米，缺乏＞150微米和＜30微米的各级颗粒，石膏块中几乎没有＞50微米的较粗孔隙。由于缺乏粗孔隙，石膏块持水性较强，在土壤干燥过程中，自水分饱和到土水吸力60Kpa左右，石膏电阻块中含水量几乎没有什么变化。也就是说，石膏块多孔体中充水状况没什么变化。以致在测定0～60Kpa水吸力区段时，电阻值没有显著变化。如果块体中存在一定数量的大孔隙，当水吸力增加时，大孔隙中水分被排出，电流流经这些块体时，其曲折程度将增加，阻抗增大。当吸力达到一定水平后(如＞60Kpa后)，块体才显著排出水分，其电流阻抗增加。由于石膏粉的粒级过分集中于粉砂粒级，缺乏粘粒。因此，由于同样原因，当吸力进一步增加时，如＞300Kpa时，其电阻与吸力间关系曲线斜率过大，也影响其干端测试范围的拓宽。
发明内容
本发明的目的是利用适当材料和工艺，改变电阻块的颗粒组成，改变电阻块在不同水吸力时的电阻响应曲线，以便制作出测湿范围较宽的、价廉的新型阻抗式土壤水分传感器。同时，本申请还将提供这种传感器的生产方法。
完成上述发明任务的技术方案是阻抗式土壤水分传感器，两个电极置于电阻块中，其特征在于，所述的电阻块由装填在陶土头中的填充料构成，该填充料的组成是以含SiO2为主的砂质壤土与石膏粉以3∶1.8～2.2的比例混合，作为基料，同时，在该基料中添加有人工结构改良剂。
以上所述的人工结构改良剂可以选自以下高分子聚合物聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烯醇或聚丙烯腈等能团聚土壤颗粒的高分子聚合物。其中聚乙烯醇用量要大(占干土重0.2％)；且团聚作用不能持续到3年，聚丙烯腈(占干土重0.15％)功能与PAM一样，但其单体剧毒，处理土壤时注意防毒。所以本申请推荐采用占土重0.05～0.2％的聚丙烯酰胺(PAM)，其最佳数值为0.1％。
所述的“含SiO2为主的砂质壤土”的组成是砂粒90～91％，粉粒3～4％，粘粒6～7％。本申请推荐以下最佳比例，砂粒90.07％，粉粒3.22％，粘粒6.71％。
所述的陶土头的规格，可以参考以下尺寸外径为20mm，长70mm，内径为10mm。
所述的“砂质壤土与石膏粉以3∶1.8～2.2的比例混合”，本申请推荐砂质壤土与石膏粉采用3∶2的比例混合。
上述方案的进一步改进，可以有以下优化方案1、为使传感器具有一定的强度，装填在陶土头内的填充料中，还添加有固定剂，所述的固定剂为高分子聚合物。
2、在陶土头上胶结有PVC管，管内安装有温度传感器，用以校正因温度变化而引起的电导值的变化。
3、置于电阻块中的两个电极采用两个平行的不锈钢电极。
所述的固定用的高分子聚合物可以采用与人工结构改良剂相同的高分子聚合物聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烯醇或聚丙烯腈等高分子聚合物，其中，聚丙烯酰胺加入量为浓度0.9～1.1克/升的溶液3～5毫升，聚丙烯腈干粉加入量为1.4～1.6克/升的溶液3～5毫升，聚乙烯醇加入量为1.9～2.1克/升的溶液3～5毫升。
本发明的阻抗式土壤水分传感器的制作工艺，包括以下步骤将砂质壤土风干，磨细过1mm筛，与石膏粉以3∶2的重量比混合，构成传感器填充料的基料，备用；向上述基料中加入以人工结构改良剂水溶液，基料添加结构改良剂的比例为千分之一(混合物∶PAM＝1000∶1)。加入溶液的量使基料处于田间持水量状态。
将聚丙烯酰铵与填充料充分混合后，风干，过1mm筛，构成填充料(最终电阻块的构成物质)；将上述填充料填充到陶土头中，将两个平行的不锈钢电极置于填充物质中。
将陶土头的顶口用704硅橡胶与环氧树脂1∶4混合胶密封，并在电极顶端焊接电缆引线。
在优化方案中，还可分别增加有以下步骤1、将一段长为100mmPVC管胶结在陶土头上，在管内安装一精度为±0.3℃的温度传感器，用以校正因温度变化而引起的电导值的变化。
2、为使加入陶土头内填充材料定型，不易改变结构状态，向填充材料滴加固定剂，使填充物的结构进一步固定。
所述的固定剂为高分子聚合物聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烯醇或聚丙烯腈等高分子聚合物，其中，聚丙烯酰胺加入量为浓度0.9～1.1克/升的溶液3～5毫升，聚丙烯腈干粉加入量为1.4～1.6克/升的溶液3～5毫升，聚乙烯醇加入量为1.9～2.1克/升的溶液3～5毫升。本申请推荐采用1克/升的聚丙烯酰铵溶液4毫升。
3、待环氧树脂固化后，初步制成的传感器浸入水中，使陶土头内水分饱和，晒干(或80℃烘箱中烘干24小时，至干燥)。反复上述操作三次，即成成品。
传感器的性能1.传感器的测试范围及精度经测试，新型阻抗式土壤水分传感器的土壤水吸力测试范围比原石膏电阻块明显增大，达5Kpa～10Mpa，其测定精度为±3Kpa，它将适合各类农田和作物应用。图2为两个不同阻抗式土壤水分传感器的标定曲线，由图中可以看出，土壤水吸力在5Kpa～10Mpa的范围内，传感器电阻与土壤水吸力有很好的响应关系，标定曲线的形式为logR＝alogS+b式中，R为测定所得的电阻值；S为土壤水吸力值；a，b为常数。
通过标定20个阻抗式土壤水分传感器，结果显示所有的标定曲线的R2均大于0.98，能达到标定所需要求。
2.温度对电导测试偏差的校正因为温度直接影响电导值的变化(传感器的输出)，所以，用一个高精度的温度传感器对传感器输出进行校正。我们测试了温度对传感器电导输出的影响，并得出校正曲线(图3)，此校正曲线的R2＝0.9953＞0.99，而且每个传感器随温度变化的幅度的一致性非常好，通过此校正曲线把传感器输出的电导值换算成为25℃下的电导值统一进行比较，标定。
本发明提供的新型阻抗式土壤水分传感器及其制作工艺，改变了电阻块的颗粒组成，从而改变了电阻块在不同水吸力时的电阻响应曲线，可以制作出测湿范围较宽的、价廉的新型阻抗式土壤水分传感器。
图1为阻抗式土壤水分传感器示意图；图2-1、图2-2为阻抗式土壤水分传感器标定曲线；图3表示传感器输出与温度变化的关系；图4为传感器输出重复性的结果。
具体实施例方式
实施例1，参照图1阻抗式土壤水分传感器，两个平行的不锈钢电极1置于电阻块中并引出电缆6，所述的电阻块由装填在陶土头3中的填充料2构成，该填充料的组成是以含SiO2为主的砂质壤土与石膏粉以3∶2左右的比例混合，作为基料，同时，在该基料中添加有人工结构改良剂。在陶土头3上以环氧树脂4胶结有PVC管5，管内安装有温度传感器7，其引线8用以校正因温度变化而引起的电导值的变化。
具体地说，各部分的组成和制作工艺如下传感器的材料组成理想的电阻块应是粗细孔隙分布较为均匀的多孔体。因此，必须选用粗细机械颗粒合宜搭配的材料组成电阻块。经反复试验，我们选用一种含SiO2为主的砂质壤土(砂粒90.07％，粉粒3.22％，粘粒6.71％)与石膏粉以3∶2的比例混合，以这种混合物作基料制作电阻块。因为石膏粉的粗细多处于粉粒状态，与砂质壤土混合后，其所组成的多孔体具有较均匀的孔隙组成。
为了进一步增加一些＞300微米的粗孔隙，使电阻块在经受5～10Kpa吸力时具有电阻值变化的响应能力。我们采用添加人工结构改良剂聚丙烯酰铵(PAM)的技术使之团聚化，增加粗孔隙的比例。
传感器制作工艺①、将砂质壤土风干，磨细过1mm筛，与石膏粉以3∶2(重量比)的比例混合备用。
②、以水∶聚丙烯酰铵＝100∶1的比例，将聚合物加入热蒸馏水中，不断加热，并搅拌液体，直至聚合物完全溶解，冷却备用。
③、制作好的土与石膏粉混合物添加结构改良剂的比例为千分之一(混合物∶PAM＝1000∶1)。加入混合物的溶液量应使混合物处于田间持水量状态。溶液量不足，结构改良剂不易充分发挥团聚作用；过量，易发生粘闭现象，也不利于粗孔隙形成。将聚丙烯酰铵与填充料充分混合后，风干，过1mm筛，得到最终的电阻块构成物质。
④、称取6.3克此混合物，分4次以相同的密度装入特定的陶土头中，将两个平行的不锈钢电极置于填充物质中。(注土∶石膏为3∶2的混合物，机械强度比纯石膏低得多。加入聚合物后的混合物不能通过烧结成型。为使传感器具有一定的强度，将混合物装入外径为20mm，长70mm，内径为10mm的陶土头内定型。)⑤、为使加入陶土头内填充材料定型，不易改变结构状态，向填充材料滴加1克/升的聚丙烯酰铵溶液，使填充物的结构进一步固定。
⑥、用环氧树脂和硅橡胶混合胶(重量比4∶1)将陶土头的顶口密封。并在电极顶端焊接电缆引线。
⑦、将一段长为100mmPVC管胶结在陶土头上，在管内安装一精度为±0.3℃的温度传感器，用以校正因温度变化而引起的电导值的变化。
⑧、待环氧树脂固化后，初步制成的传感器浸入水中，使陶土头内水分饱和，再晒干(或80℃烘箱中烘干24小时，至干燥)。反复上述操作三次，即成成品。(见图1)传感器的性能传感器的测试范围及精度经测试，新型阻抗式土壤水分传感器的土壤水吸力测试范围比原石膏电阻块明显增大，达5Kpa～10Mpa，其测定精度为±3Kpa，它将适合各类农田和作物应用。图2为两个不同阻抗式土壤水分传感器的标定曲线，由图中可以看出，土壤水吸力在5Kpa～10Mpa的范围内，传感器电阻与土壤水吸力有很好的响应关系，标定曲线的形式为logR＝alogS+b式中，R为测定所得的电阻值；S为土壤水吸力值；a，b为常数。
通过标定20个阻抗式土壤水分传感器，结果显示所有的标定曲线的R2均大于0.98，能达到标定所需要求。
温度对电导测试偏差的校正因为温度直接影响电导值的变化(传感器的输出)，所以，用一个高精度的温度传感器对传感器输出进行校正。我们测试了温度对传感器电导输出的影响，并得出校正曲线(图3)，此校正曲线的R2＝0.9953＞0.99，而且每个传感器随温度变化的幅度的一致性非常好，通过此校正曲线把传感器输出的电导值换算成为25℃下的电导值统一进行比较，标定。
传感器输出电导值随温度变化的公式为Lt＝(1+0.0245(T-25℃))L25℃
式中，Lt为t℃时土壤水分传感器输出的电导值；L25℃为为25℃时土壤水分传感器输出的电导值；T为被测土壤的温度。
图3中，Lt/L25℃为同一水分状况下，t℃下的土壤电导值与25℃下土壤电导值的比值。
传感器重现性测定为防止由于填充物质结构不稳定而造成的标定曲线重现性问题，我们通过添加聚丙烯酰铵，并进行多次干湿交替的方法来稳定填充物质的结构。图4为我们研制的新型阻抗式土壤水分传感器的重复性测试。由图4可以看出，传感器两次重复的结果是令人满意的。
二、传感器的应用1.传感器的标定传感器的标定可以在吸力平板仪上进行，测得土壤水吸力——传感器电导率关系曲线。也可以将制作好的土壤水分传感器埋入被测原状土壤中，并埋入水银张力计进行对比，进行由水分饱和——干燥过程的传感器水分特征标定，得出土壤水吸力与土壤水分传感器输出的电导值(温度校正后)的响应曲线，即标定曲线。标定曲线通常为电阻与土壤水吸力的对数线性关系，标定的相关系数R2＞0.98。另外，可以用重量法进行标定，测得土壤含水量——电导率关系曲线。
2.传感器应用标定后的传感器即可应用于墒情的监测。
①使用前，土壤水分传感器应在水中浸泡3个小时以上。
②在选好的埋设点用土钻打孔至预定深度。往洞底倒入约5毫升泥浆(使传感器与土壤接触紧密)，把土壤水分传感器插入洞中。将塑杆周围的土壤捣实。水势探头埋设深度以陶土头中部至地表的距离计算。
③埋入被测土壤12小时后，即可进行传感器电导测定。测定时用电导仪测定两电极间的电导值，并根据所测得的温度，用式(1)校正到25℃下的电导值，并转换成电阻值，然后代入标定曲线，即可求出此时的土壤水吸力(或土壤含水量)。
本发明不限于这些公开的实施方案，本发明将覆盖在专利权利要求书中所描述的范围，以及权利要求范围的各种变形和等效变化。
权利要求
1.一种阻抗式土壤水分传感器，两个电极置于电阻块中，其特征在于，所述的电阻块由装填在陶土头中的填充料构成，该填充料的组成是以含SiO2为主的砂质壤土与石膏粉以3∶1.8～2.2的比例混合，作为基料，同时，在该基料中添加有人工结构改良剂。
2.按照权利要求1所述的阻抗式土壤水分传感器，其特征在于，装填在陶土头内的填充料中，还添加有固定剂，所述的固定剂为高分子聚合物。
3.按照权利要求1或2所述的阻抗式土壤水分传感器，其特征在于，在陶土头上胶结有PVC管，管内安装有温度传感器，用以校正因温度变化而引起的电导值的变化。
4.按照权利要求3所述的阻抗式土壤水分传感器，其特征在于，所述的人工结构改良剂选自以下高分子聚合物聚丙烯酰胺、聚乙烯醇或聚丙烯腈等能团聚土壤颗粒的高分子聚合物，其中聚乙烯醇用量占干土重0.2％；聚丙烯腈用量占干土重0.15％；聚丙烯酰胺用量占土重的0.05～0.2％。所述的固定用的高分子聚合物采用与人工结构改良剂相同的高分子聚合物聚丙烯酰胺、聚乙烯醇或聚丙烯腈，其中，聚丙烯酰胺加入量为浓度0.9～1.1克/升的溶液3～5毫升，聚丙烯腈干粉加入量为1.4～1.6克/升的溶液3～5毫升，聚乙烯醇加入量为1.9～2.1克/升的溶液3～5毫升。所述的“含SiO2为主的砂质壤土”的组成是砂粒90～91％，粉粒3～4％，粘粒6～7％。
5.按照权利要求4所述的阻抗式土壤水分传感器，其特征在于，电阻块中砂质壤土与石膏粉的比例采用3∶2；所述的人工结构改良剂采用土重0.1％的聚丙烯酰胺；所述的固定用的高分子聚合物采用1克/升的聚丙烯酰铵溶液；所述的“含SiO2为主的砂质壤土”的组成是砂粒90.07％，粉粒3.22％，粘粒6.71％；所述的陶土头的规格外径为20mm，长70mm，内径为10mm。
6.按照权利要求4或5所述的阻抗式土壤水分传感器，其特征在于，置于电阻块中的两个电极采用两个平行的不锈钢电极。
7.按照权利要求1所述的阻抗式土壤水分传感器的制作工艺，包括以下步骤将砂质壤土风干，磨细过1mm筛，与石膏粉以3∶2的重量比混合，构成传感器填充料的基料，备用；向上述基料中加入以人工结构改良剂水溶液，其加入的溶液量使基料处于田间持水量状态；将聚丙烯酰铵与填充料充分混合后，风干，过1mm筛，构成填充料；将上述填充料填充到陶土头中，将两个平行的不锈钢电极置于填充物质中；将陶土头的顶口密封，并在电极顶端焊接电缆引线。
8.按照权利要求7所述的阻抗式土壤水分传感器的制作工艺，其特征在于，还设有以下步骤将一段长为100mmPVC管胶结在陶土头上，在管内安装一精度为±0.3℃的温度传感器，用以校正因温度变化而引起的电导值的变化。
9.按照权利要求7所述的阻抗式土壤水分传感器的制作工艺，其特征在于，还设有以下步骤向填充材料滴加固定剂，使填充物的结构进一步固定，所述的固定剂为高分子聚合物聚丙烯酰胺、聚乙烯醇或聚丙烯腈等高分子聚合物，其中，聚丙烯酰胺加入量为浓度0.9～1.1克/升的溶液3～5毫升，聚丙烯腈干粉加入量为1.4～1.6克/升的溶液3～5毫升，聚乙烯醇加入量为1.9～2.1克/升的溶液3～5毫升。
10.按照权利要求7或8或9所述的阻抗式土壤水分传感器的制作工艺，其特征在于，陶土头顶口的密封采用重量比4∶1的环氧树脂和硅橡胶混合胶，同时，还设有以下步骤待环氧树脂固化后，初步制成的传感器浸入水中，使陶土头内水分饱和，再晒干，反复上述操作三次，即成成品。
全文摘要
阻抗式土壤水分传感器，两个电极置于电阻块中，特征是电阻块由装填在陶土头中的填充料构成，该填充料以含SiO
文档编号G01N27/12GK1731164SQ20051004139
公开日2006年2月8日 申请日期2005年8月10日 优先权日2005年8月10日
发明者信秀丽, 徐富安, 徐梦熊 申请人:中国科学院南京土壤研究所