一种栽培基质含水量电导率的复合结构传感器及其复合修正方法与流程

本发明涉及一种栽培基质含水量与电导率的敏感元件复合结构，以及基于栽培基质的电学性质分时测量基质含水量与电导率，对含水量与电导率的检测结果复合修正方法，属于检测技术领域，主要用于栽培基质或者土壤含水量与电导率实时测量。

背景技术：

栽培基质的水分和养分是作物生长的必须条件，决定着作物品质。水作为矿质肥力的载体，起到运输矿质养分的作用；栽培基质电导率反映基质中养分的可溶性盐总量；栽培基质的温度影响着植物的生长发育，同时影响着含水量平板电极间的电容值。因此有效获取栽培基质含水量、电导率对于植物无土栽培过程中合理灌溉和施肥等具有重要意义。

目前成熟的土壤基质含水量检测方法主要有时域反射法(tdr)、频域反射法(fdr)、驻波法(swr)和电容法等，这些方法均是通过检测土壤基质中的介电常数变化来测量含水量值，具有较高的精度。但前三种方法结构复杂，电路精细程度较高，导致成本很高，并且很容易受电导率的影响，不适于广泛推广应用。电导率检测方法主要有结构简单的四端法和电磁感应法。四端法测量方便，原理简单，电路不需要太复杂，目前应用的较为广泛，但是其测量较容易受温度和含水量的影响。电磁感应法测量准确快速,但其体积较大，不适合传感器集成且价格昂贵。

中国发明专利(cn201974399u)公开了一种基质湿度、电导率原位检测仪，设计了集成电极传感器的探针结构；中国发明专利(cn102435645a)公开了一种无土栽培基质含水量、电导率检测方法及传感器，并根据电导率的测量结果对含水量的测量值进行校正；李东南在2012年的学位论文土壤含水量和电导率的多功能传感器的研制中，采用热脉冲方法及电流电压四端法作为研制基础，设计制作土壤多功能传感器；赵燕东2015年在农业机械学报发表论文土壤多参数复合测试系统研究，基于驻波率原理的土壤含水率测量方法、基于电流电压"四端法"的土壤电导率测量方法和基于"铂电阻"的土壤温度测量方法设计了一种同时采集土壤含水率、电导率及温度的多参数复合测试系统；徐坤等在农业机械学报2015.05发表论文“便携式基质多参数无线检测仪设计”，实现无土栽培基质参数的快速准确测量，基于自制的基质多参数复合传感器研制了便携式基质多参数无线检测仪。

以上文献的传感器敏感元件部分均采用探针式结构，而且并没有实现含水量和电导率的敏感元件的复合，探针式敏感元件存在以下问题和不足：检测空隙率较大的栽培基质时会有接触不良的缺点；探针和pcb板之间通过焊点或者螺帽连接，会有焊接不牢固、探针易弯曲和体积大的问题；含水量的检测电路复杂，集成度低；不同温度对含水量和电导率检测有影响，不同含水量对电导率检测有影响，缺乏有效补偿和修正，复合传感器的检测重复性和准确性差。

技术实现要素：

本发明克服目前含水量、电导率传感器检测技术的不足，提供一种栽培基质含水量电导率结构复合传感器及其复合修正方法，目的是：改善提高检测传感器与栽培基质接触性；增强传感器在使用时结构稳定性和可靠性；简化检测电路，提高系统集成度；通过复合多次补偿修正，提高复合传感器的重复性和准确性。

所述一种栽培基质电导率含水量复合结构传感器，其实现的技术方案：包括平板复合电极，热电阻温度传感器和信号检测电路，所有部件集成到基板上。

上述方案中，所述平板复合电极由等间距的位于基板正面的平板电极和反面的平板电极组成；平板电极两两之间相互平行，而且相邻平板电极的距离相同；反面的每一片平板电极都和基板正面的相对位置的平板电极是由通孔相连，通孔内壁均镀铜；所述平板复合电极均是采用沉金工艺在pcb板表面均匀覆铜的全固态极板。

上述方案中，所述平板复合电极中的正面四片等间距平板电极和反面四片等间距平板电极整体构成了电导率检测的敏感元件，插入栽培基质中，用于测量电导率值。

上述方案中，所述分布在基板正面的中间两片平板电极和分布在基板反面的中间两片平板电极一起构成了含水量的敏感元件，插入栽培基质中，用于测量含水量值。

上述方案中，所述热电阻温度传感器位于极板前端，用于检测基质的温度，热电阻的阻值变化由信号检测电路进行后续处理。

上述方案中，所述信号检测电路由电导率检测电路、含水量检测电路和温度检测电路组成。所述电导率检测电路位于基板的正面后端，采用电流电压四端法，检测到外侧两对平板电极间的电压和中间两对平板电极间的电压，根据这两个电压的比值和电导率的关系模型可计算得出电导率值；含水量检测电路采用电容数字转换芯片将含水量敏感元件间栽培基质的电容值转换为电压值，根据电压值和含水量的关系模型计算得出含水量的值；温度检测电路采用热电阻测温法，将温度传感器检测得到对应温度的电阻值，转换成模拟电压值，通过标度换算可得到温度值。所述含水量检测电路和温度检测电路位于基板的反面后端。

上述方案中，所述含水量检测电路是由高分辨率、4通道的电容数字转换芯片fdc1004qdgstq1及其上拉电阻组成，fdc1004qdgstq1将检测到的电容值转换成数字信号传输给相连的单片机进行计算处理。

上述方案中，所述平板复合电极分布在基板的两个表面，每个表面上的四个平板电极都是相互平行的等间距等厚度的电极，每个平板电极的长为6cm,宽为5mm，厚度为105um，相邻两片平板电极的间距为6mm。平板复合电极上通孔的外径是1.27mm，内径为1.016mm。

本发明提出的检测复合修正方法，设含水量检测电路输出含水量值q⁽⁰⁾，温度检测电路输出温度值t(℃)；由电导率检测电路输出电导率值ec⁽⁰⁾。其具体修正步骤是：

(1)根据温度t与检测电路输出含水量q之间的数学关系模型式(1)，对含水量进行温度补偿得出最终的含水量值q⁽¹⁾；

将基质在实际温度下的含水量值q⁽⁰⁾转换为参考温度(25℃)下的含水量修正值q⁽¹⁾，其中，a,b,c是系数，数值根据土壤基质的成分配比而有所不同，例如，在泥炭和珍珠岩的配比为3:2时，a∈[1,1.5]，b∈[2,3]，c∈[0,0.5]。

(2)根据温度t与土壤基质的电导率ec之间的数学关系模型式(2)，对电导率值ec⁽⁰⁾进行温度补偿得到土壤基质的电导率值ec⁽¹⁾；

ec⁽¹⁾＝ec⁽⁰⁾/[1+a(t-25)](2)

其中，a为电导率温度系数，数值根据土壤基质的成分配比而有所不同，在泥炭和蛭石的配比为1:1时，a∈[0.001，0.050]。

(3)根据含水量q和电导率ec之间的数学关系模型式(3)，将已经过温度补偿的含水量值q⁽¹⁾对已经过温度补偿的电导率值ec⁽¹⁾进行含水量补偿得出最终的电导率值ec⁽²⁾。

其中，m值数值根据土壤基质的成分配比而有所不同，在泥炭和蛭石的配比为1:1时，m∈[-20，-22]，n∈[1.5,2.2]。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供的电导率检测的敏感元件采用平板电极，一方面改善提高检测传感器与栽培基质接触性，另一方面解决了探针式的敏感元件和pcb板之间连接不牢固、探针易弯曲的问题，增强传感器在使用时结构稳定性和可靠性。

(2)本发明提供的含水量和电导率的敏感元件的复合结构，并简化检测电路，提高系统集成度，实现了传感器的小型化，外观结构更加简单。

(3)本发明提供的栽培基质复合结构传感器及其复合补偿方法，其含水量检测数据经过温度的补偿，提高了对不同温度下的含水量检测的准确性；其电导率经过温度和含水量的补偿，提高了对不同含水量和不同温度情况下电导率测量的适应性和准确性。

附图说明

图1是改良型栽培基质复合敏感元件正面结构示意图。

图2是改良型栽培基质复合敏感元件反面结构示意图。

图3是从敏感元件的a-a处切开的截面示意图。

其中，1是平板复合电极；2是热电阻温度传感器；3是信号检测电路；4是基板；31是电导率检测电路；32是含水量检测电路；33是温度检测电路；101、102、103、104是基板正面的四片平板电极；105、106、107、108是基板反面的四片平板电极，109、110、111、112是基板上的通孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1、图2所示，本发明所述的一种改良型栽培基质电导率含水量复合传感器及其检测修正方法，包括平板复合电极1，热电阻温度传感器2和信号检测电路3，所有部件集成到基板4上。

如图1、图2所示，所述平板复合电极1，由等间距的位于基板4正面的四个平板电极(101,102,103,104)和反面的四个平板电极(105,106,107,108)组成，四对电极整体工作时为电导率检测敏感元件,中间两对电极工作时为含水量检测敏感元件。平板电极(101，102，103，104)两两之间相互平行，而且相邻平板电极的距离相同；反面的平板电极(105，106，107，108)和正面的平板电极(101，102，103，104)在基板表面的布局一样；平板电极(101)和平板电极(105)是由通孔(109)连接，平板电极(102)和平板电极(106)是由通孔(110)连接，平板电极(103)和平板电极(107)是由通孔(111)连接，平板电极(104)和平板电极(108)是由通孔(112)连接，通孔内壁均镀铜。所述平板复合电极1均是采用沉金工艺在pcb板表面均匀覆铜的全固态极板。

如图1、图2所示，所述平板复合电极1由等间距的正面的平板电极(101,102,103,104)和反面的平行极板(105,106,107,108)组成。所述平板复合电极1整体构成了电导率检测的敏感元件，插入栽培基质中，用于测量电导率值。

如图1、图2所示，所述平板复合电极1中分布在基板4正面中间两片平板电极(102,103)和分布在基板4反面中间两片平板电极(106,107)一起构成了含水量检测的敏感元件，插入栽培基质中，用于测量含水量值。

如图1、图2所示，所述信号检测电路3由电导率检测电路31、含水量检测电路32和温度检测电路33组成。电导率检测电路31采用电流电压四端法，检测到外侧两对平板电极间的电压和中间两对平板电极间的电压，根据这两个电压的比值和电导率的关系模型可计算得出电导率值。所述电压比值和电导率的关系模型由实验标定得到：σ＝3.8075k-0.9799；k为电导率检测电路输出的两路电压值的比值。

所述含水量检测电路32采用电容数字转换芯片直接检测含水量敏感元件间栽培基质的电容值，处理后输出电压值，单片机再根据电压值和含水量的关系模型计算得出含水量的值；具体地，正面的两个电极之间会产生电容值，反面的两个电极之间会产生电容值，选用的芯片是4通道的，可以同时检测4个电容值，本发明同时检测正发面的两个电容值，然后取平均值。所述电压值和含水量的关系模型由实验标定得到：q＝0.5255/u-0.4815；u为含水量检测电路输出的电压值。

所述温度检测电路33采用热电阻测温法，将温度传感器检测得到对应温度的电阻值，转换成模拟电压值，通过标度换算可得到温度值。所述标度换算的公式为：t＝-25.598ln(3.31ut-1)+25.657，ut是温度检测电路输出的电压值。

所述含水量检测电路32是由一个高分辨率、4通道电容数字转换芯片fdc1004qdgstq1及其上拉电阻组成，fdc1004qdgstq1将检测到的电容值转换成数字信号传输给相连的单片机进行计算处理。

如图1、图2、图3所示，所述平板复合电极1分布在基板4的两个表面，每个表面上的四个平板电极都是相互平行的等间距等厚度的电极，每个平板电极的长为6cm，宽为5mm，厚度为105um，相邻两片平板电极的间距为6mm。通孔(109,110,111,112)的外径是1.27mm，内径为1.016mm。

本发明提出的栽培基质电导率含水量复合传感器检测复合修正方法，包含三个参数的修正：设含水量检测电路32输出含水量q⁽⁰⁾，温度检测电路33输出温度t(℃)；由电导率检测电路31输出电导率ec⁽⁰⁾，其具体修正步骤特征是：

(1)根据温度t与检测电路输出含水量q之间的数学关系模型式(1)，对含水量进行温度补偿得出最终的含水量值q⁽¹⁾；

将基质在实际温度下的含水量值q⁽⁰⁾转换为参考温度(25℃)下的含水量修正值q⁽¹⁾，其中，a,b,c是系数，数值根据土壤基质的成分配比而有所不同，在泥炭和珍珠岩的配比为3:2时，a∈[1,1.5]，b∈[2,3]，c∈[0,0.5]。

(2)根据温度t与土壤基质的电导率ec之间的数学关系模型式(2)，对电导率值ec⁽⁰⁾进行温度补偿得到土壤基质的电导率值ec⁽¹⁾；

ec⁽¹⁾＝ec⁽⁰⁾/[1+α(t-25)](2)

其中，α为电导率温度系数，数值根据土壤基质的成分配比而有所不同，在泥炭和蛭石的配比为1:1时，α∈[0.001，0.050]。

(3)根据含水量q和电导率ec之间的数学关系模型式(3)，将已经过温度补偿的含水量值q⁽¹⁾对已经过温度补偿的电导率值ec⁽¹⁾进行含水量补偿得出最终的电导率值ec⁽²⁾。

其中，m值数值根据土壤基质的成分配比而有所不同，在泥炭和蛭石的配比为1:1时，m∈[-20，-22]，n∈[1.5,2.2]。

以上计算均在单片机中完成。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。