专利名称：一种栽培基质水分电容传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种栽培基质水分电容传感器，尤其涉及一种基于固定频率下测量插入栽培基质中探头电容参数大小的水分电容传感器。
背景技术：
我国是一个缺水的农业大国，高效用水受到人们越来越多的关注。随着我国无土基质栽培技术的迅速推广，在栽培基质中进行精确的灌溉控制也逐渐受到重视，而栽培基质的水分精确测量则是实现水分精确灌溉与控制的必要前提，因此设计一种适合我国国情的低成本、低功耗、高精度的适用于栽培基质水分测量的传感器具有现实意义。目前科技工作者对栽培基质水分的测量一般都采用现有的测量土壤水分的商业化仪器或传感器进行。根据测量原理，能实现土壤水分实时测量方法主要有TDR(时域反 射法)、FDR (频域反射法)、SWR (驻波率法)和电容法。但他们都存在各自的不足之处
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的介电特性。由于这一技术涉及高速电信号分析，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。FDR法是测量一定频率下插入含水土壤探头导纳来确定含水土壤的介电常数，进而估计土壤水分。严格地说属于电容式水分传感器的一种。此测量方法精度相对较低，成本较高，约I万元人民币，性能能满足大多数的应用需求。SWR原理的土壤水分测量方法也属于土壤水分介电常数的测量，与TDR方法不同的是这种测量方法不再利用高速延迟线测量入射-反射时间差，而是测量它的驻波比，试验表明三态混合物介电常数的改变能够引起传输线上驻波比的显著变化。利用驻波比原理研制出的传感器在成本上可降到几百元人民币，但对农业推广应用，特别是搭建分布式水分多点测量网络系统而言，成本还是比较高。另外，基于TDR、FDR、SffR原理的土壤水分传感器都是采用不锈钢针式结构，在较高电导率的土壤中测量时误差大。电容法是测量插入土壤中的电极的等效电容来测量土壤水分的，具有技术相对简单的优点，很早就受到人们广泛注意。如中国专利号CN1504745A公开了一种电容式探头是由表面涂有一层经高温烧结的具有绝缘和不吸水性陶瓷釉薄膜的两金属片构成。专利CN101694475B和CN201034964都类似地公开了一种将两设有绝缘隔离环的铜环电极套在中空绝缘棒上并将其装入PVC管中可用于土壤剖面水分测量的电容式水分敏感装置。上述3个专利的探头存在制作麻烦或不适用于插入栽培基质并与之良好接触等不足。再则，此3个专利的电路设计原理都是通过以土壤为介质的等效电容作为谐振电路的一部分来实现测量电容大小的。由于在不同频率下，一定水分的栽培基质表现出不同大小的等效电容，因此采用谐振法测栽培基质水分必然存在系统误差。
发明内容
本发明是为了克服现有土壤水分测量传感器的缺点，针对栽培基质相对土壤的不同的理化性质，提供了一种结构简单、加工方便、尺寸小、成本低、精度高，可有效减小电导影响，便于插入栽培基质中并带有一路温度信号输出测量栽培基质水分的电容式传感器。为了实现上述目的，本发明公开的一种栽培基质水分电容传感器，包括电容式探头、用于测量探头电容大小的c/ν转换电路主板、密封橡胶外壳和输入输出接口电缆。所述c/ν转换电路主板设于密封橡胶外壳内，并与输入输出接口电缆连接；所述电容式探头与c/ν转换电路主板为一体结构；电容式探头由两条等长长条印刷电路板构成。所述长条印刷电路板的特征是由普通电路板加工技术制作而成的双面 板，双面板的上下表面进行完全覆铜处理，同一条长条印刷电路板上、下底面的覆铜通过一个过孔导通。为了兼顾电磁场的穿透深度和信号强度，所述两条等长长条印刷电路板的宽度与它们之间的间距的比值在2-3之间。所述长条印刷电路板末端设计成三角形，便于插入栽培基质。所述c/ν转换电路主板由电源控制模块、c/ν转换模块和差分电压转换模块组成。所述电源控制模块是指采用稳压芯片用来将外部供电电源转换为5V的稳压电源，为C/ν转换电路元器件提供稳压源。所述的C/V转换模块的功能是把以栽培基质为介质，两条长条双面印刷电路板为极板，所形成的电容Cmois参数转化成差分电压信号输出。所述C/V转换模块核心器件为德国AMG公司生产的型号为CAV424的芯片，它是具有信号采集处理、差分电压输出功能的C/ν转换集成芯片。所述C/V转换集成芯片CAV424还自带一路8mV/K温度输出信号。所述C/V转换集成芯片CAV424测量端的特点是以栽培基质为介质，两条长条印刷电路板为极板，所形成的电容Cmois并联一个与参考电容一样大小的电容。所述差分电压转换模块其作用是将CAV424芯片的差分电压输出转化为单端电压输出。其中，测量探头电容大小的C/V转换电路主板依次涂有防水胶及密封有橡胶外壳，即整个栽培基质水分传感器的电子器件均经过防水防潮、绝缘及导热性能良好的电路板防水胶水灌封处理后，再用橡胶外壳绝缘密封，以便能将传感器埋入栽培基质中进行长时间测量工作。本发明设计的有意效果仅仅使用了简单的PCB加工技术、C/V转换CAV42芯片以及一些简单的元器件，没有使用传统的土壤电容式水分传感器的种种复杂电路，研制了一种适合栽培基质水分测量的电容传感器。其具有成本低，性能稳定，输入输出接口简单等优点，并且自带一路温度输出信号，便于二次仪器开发进行温度校正和补偿，可进一步提高测量精度。
图I是平面电容传感器的物理模型。图2是平面电容电场分布示意图。图3是传感器整体结构示意图。图4是实施例电路原理图。
其中，I是电容式探头，2是C/V转换电路主板，3是密封橡胶外壳，4是输入输出接口电缆。
具体实施例方式以下结合具体的附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。本实施例的测量原理电容法测量含水率主要是根据被测物相对介电常数变化引起电容值变化这一规律来实现的。栽培基质可以看做空气、干基质和水组成的多孔介质。在IOOMHz的电磁频率下，水的相对介电常数约为80，干基质的相对介电常数约为2-6，而空气的相对介电常数约为I。可见，含水土壤的介电常数主要应由水的含量来决定。通过测量土壤的相对介电常数即可达到测量土壤体积含水率的目的。图I是平面电容传感器的物理模型。其中L为极板长，b为极板宽度，a为极板间距，理想情况下认为极板足够薄，厚度不计，足够长，忽略边缘效应。图2是同面散射场式电容传感器电场分布示意图。采用单元积分法计算同面散射场的电容，电容敏感元件之微小面积增量(AF= LAx)上形成的电容值，按图2所示的电场线，用近似半圆弧形线代替(也可用近似椭圆形线代替)，电容计算公式是
权利要求
1.一种栽培基质水分电容传感器，包括电容式探头(I)、用于测量探头电容大小的C/V转换电路主板(2)，其特征在于所述C/V转换电路主板设于密封橡胶外壳(3)内，并与输入输出接口电缆(4)连接；所述电容式探头(I)与C/V转换电路主板(2)为一体结构；电容式探头(I)由两条等长长条印刷电路板构成。
2.根据权利要求I所 述的栽培基质水分电容传感器，其特征在于所述两条等长长条印刷电路板是上下表面完全覆铜的双面板，同一条长条印刷电路板上下双面的覆铜通过一个过孔导通；两条长条印刷电路板的宽度与它们之间的间距的比值位于2-3之间。
3.根据权利要求I所述的栽培基质水分电容传感器，其特征在于所述C/V转换电路主板(2)由电源控制模块、C/V转换模块和差分电压转换模块组成。
4.根据权利要求3所述的栽培基质水分电容传感器，其特征在于所述C/V转换模块自带一路温度输出信号。
5.根据权利要求3或4所述的栽培基质水分电容传感器，其特征在于所述C/V转换模块是把以栽培基质为介质，两条长条双面印刷电路板为极板，所形成的电容Cmois参数转化成差分电压信号输出。
6.根据权利要求5所述的栽培基质水分电容传感器，其特征在于所述差分电压转换模块是用于将差分电压输出转化为单端电压输出。
全文摘要
本发明公开一种栽培基质水分电容传感器，包括用于敏感栽培基质水分PCB制作的长条电容式探头、用于测量探头电容大小的C/V转换电路主板及密封橡胶外壳、输入输出接口电缆；电容式探头由两条等长长条印刷电路板构成，与C/V转换电路主板为一体结构。所述C/V转换主板由电源控制模块、C/V转换模块和差分电压转换模块组成。所述C/V转换模块还自带一路温度输出信号。本发明是一种结构简单、加工方便、尺寸小、成本低、精度高，可有效减小电导影响，便于插入栽培基质中并具有一路温度信号输出的测量栽培基质水分的电容式传感器。
文档编号G01N27/22GK102890104SQ201210385488
公开日2013年1月23日 申请日期2012年10月12日 优先权日2012年10月12日
发明者李萍萍, 盛庆元, 张西良, 张媛, 胡永光, 吴琪, 陈书田 申请人:江苏大学