专利名称：电容式土壤湿度传感器及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种土壤监测仪器，具体涉及一种电容式土壤湿度传感器以及这种电容式土壤湿度传感器的制作方法。
背景技术：
电容式土壤湿度传感器是一种监测农田墒情的土壤监测仪器。传统电容式土壤水分传感器结构是由铜锥体和铜环两者组成电容极板，两个极板上接上电缆，从传感器中间引出。铜环与锥体拧接在PVC塑料管上。为进一步防止两个极板之间漏电，在铜环上涂有绝缘的502胶。当它插入土壤以后，即可测量到土壤水分变化而引起的电容量变化。因为传统的电容传感器的结构测试范围窄，且易受干扰，所以并未普遍和经常使用。
在实际使用中，土壤的松紧度对电容式土壤水分传感器测定结果有明显影响。因此电容式水分传感器往往更适合于成份单一(如谷物、糖、砂、化肥等)物体中的水分测定。而土壤成分复杂，松紧不一，这对传感器应用带来不便。表1资料为当含水量为11.3％的轻壤土，在不同容重下，用电容式土壤湿度传感器探头(不锈钢棒绕上漆包线)测得的土壤电容值。可见影响是比较大的。因此，直接将此类裸不锈钢棒(绕上漆包线)电容器作为土壤水传感器，必须在现场进行土壤含水量与电容量的关系曲线率定。这将十分的费时与耗力，大量传感器的实验室率定工作将无法进行。因为即使你用原状土在实验室进行相关曲线标定，但不能保证传感器插入田间土壤时其接触土壤的松紧度与实验土壤一致，将会发生大于10％以上的测试误差。这将使传感器的应用受到限制。
表1相同含水量时土壤容重对电容影响
发明内容为了克服传统电容式土壤湿度传感器在使用中遇到的上述难题，本发明的目的是对其进行改进，提供一种新结构的电容式土壤湿度传感器。新方案将使传感器与外界土壤间保持良好的水力联系，使电容器周围的土壤结构、松紧度不变，使传感器的电容量与土壤含水量之间率定工作简化。本申请还将提供这种新型传感器的制作方法。
完成上述发明任务的技术方案是，电容式土壤湿度传感器，设有电容器的二极，引出二极的导线与信号转换电路连接，信号转换电路引出电缆，输出数据，其特征在于，在带有螺旋槽口的不锈钢棒上缠绕有漆包线，以不锈钢棒为一极，以缠绕其槽口的漆包线为另一极，在不锈钢传感器芯外部设有陶土管腔室，该陶土管腔室中装填有用人工结构改良剂处理过的土壤，该土壤采用轻壤土。
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％使用时的电容测量采用脉冲电路法。经电路转换，电容量转换为频率信号。
以上方案可进一步改进，其优化方案是所述的用人工结构改良剂处理过的轻壤土，其组成是含＜0.001mm粘粒8～10％，0.05～0.001mm粉粒70～72％，＞0.05mm细砂粒19～21％，并由高分子聚合物固定。
所述的固定用的高分子聚合物可以仍然采用聚丙烯酰胺(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土重的0.09～0.11％；聚丙烯腈干粉加入量为土重的0.14～0.16％，聚乙烯醇加入量为土重的0.19～0.21％。
换言之，本发明的特征是将不锈钢传感器芯置于一种特定的轻壤土中，该轻壤土含＜0.001mm粘粒9％，0.05～0.001mm粉粒71％＞0.05mm细砂粒20％。用作为人工结构改良剂的高分子聚合物处理土壤，使之团聚化，按一定容重装入陶土管腔室，并再一次注入高分子聚合物，使其结构稳固。这类土壤应具有较合宜的土壤结构孔隙特性，在各吸力段土壤的释水性比较匀称。以使传感器与外界土壤间保持良好的水力联系。这样使电容器周围的土壤结构、松紧度不变。使传感器的电容量与土壤含水量之间率定工作简化。
由于不锈钢传感器芯外部的土壤具有较合宜的土壤结构孔隙特性，在各吸力段土壤的释水性比较匀称。以使传感器与外界土壤间保持良好的水力联系，使电容器周围的土壤结构、松紧度不变。使传感器的电容量与土壤含水量之间率定工作简化，解决了传统结构长期存在的问题。
原理电容器的电容量大小，与极板间介质性质与数量有关。土壤是由水分、空气、固相颗粒组成的混合物，土壤水分的介电常数可达81，土壤中空气介电常数约为1，土壤固相物质由于不同土壤中成份各异，它们的介电常数变动在2～10之间。当土壤成为电容器介质时，由于土壤三相物质含量(尤其是水和空气的量互为消长)常处于变动状态之中，使电容器的电容量常处于变化之中，由于水的介电常数明显地大于土壤固相颗粒和空气，因此，以土壤作为电介质的电容器，其介电常数ε值取决于土壤水分的含量。
通常混合物的介电常数ε可由下式求得Σi=1nϵi-ϵϵi+2vi=0]]>vi是混合物各成分的体积，εi是第i相的介电常数，该式表明土壤混合物的ε值主要取决于土壤水分的含量。由于土壤的密度及其与电容器板极间几何形状影响了ε值，上式并不能直接算出土壤电介值(ε)的变化。但由于水的介电常数是影响土壤介电常数的主项。因此，测定电容量变化就可获知土壤水分数量的多少。虽然，二者并非呈线性关系。
本发明的电容式土壤水分传感器的制作方法，包括以下工艺步骤在带有螺旋槽口的不锈钢棒上缠绕漆包线，漆包线末端涂裹硅橡胶以防二电极板之间漏电；以不锈钢棒为一极，以缠绕其槽口的漆包线为另一极，引出电容器二个极板的导线；
土样风干、磨细过2mm筛；用聚丙烯酰胺(PAM)的水溶液处理土壤，加入人工结构改良剂使处理后的土壤含水量接近田间持水量，并使土壤吸入聚丙烯酰胺，使土粒团聚。
土样再风干、磨细过2mm筛备用；将绕好线的不锈钢电容器放入陶土头中，使其置于中轴线上，在四周加入上述步骤中处理好的土壤，使土粒排列致密，并滴入作为人工结构改良剂的高分子聚合物，加强土粒间胶结能力；待土粒干燥后，用环氧树脂和硅橡胶混合胶封固陶土头上端；将电容器引出的二个极板的导线与信号转换电路连接，信号转换电路引出电缆。即可制好成品。
所述的固定用的高分子聚合物可以仍然采用聚丙烯酰胺(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土重的0.09～0.11％；聚丙烯腈干粉加入量为土重的0.14～0.16％，聚乙烯醇加入量为土重的0.19～0.21％。最佳方案是采用占土重0.01％的聚丙烯酰胺。
更优化的方案是制作完的传感器，待胶老化硬结后，将2/3陶土头垂直泡入水中两天，使其充分吸水。然后取出晒干。(测得频率值在2.2千赫以上时，表明陶土头及内部土壤已干燥)。再泡水，晒干，反复三次。使内部土壤经多次干湿交替后结构进一步稳定。
上述测量漆包线与不锈钢芯之间电阻应在20兆欧以上。否则重绕。这种测试应将绕制后不锈钢棒浸入自来水中进行。
以上方法简单实用，为本发明这种传感器的成熟的制作工艺。
图1为电容式土壤水分传感器示意图；图2为带螺纹的不锈钢棒示意图；图3表示电容式传感器电容量与输出频率关系；图4表示传感器输出频率与土壤水分含量关系(砂壤土，河南封丘)；图5表示传感器电容量变化与土壤水分含量关系(砂壤土，河南封丘)。
具体实施例方式
实施例1，电容式土壤湿度传感器及其制作工艺，新型传感器的结构与制作工艺详述如下传感器结构电容式土壤水分传感器结构如图1所示。由带凹凸纹的直径12mm，长75mm不锈钢棒2及绕于棒上的φ1.04mm圆漆包线1作为电容器的二个极板。将其置于直径33mm，长100mm，壁厚5mm的陶土头3内。其间充满经聚丙烯酰胺(PAM)处理的轻壤质土壤4。
陶土头腔室顶部用环氧树脂与硅橡胶混合物5封固，并引出电容器二极板导线。信号转换电路板6置于与陶土头相接的PVC塑管7内，其顶部也用胶8封固，并从顶部圆孔中引出电缆9。
电容器如图2所示。以不锈钢棒2为一极，以缠绕其槽口的漆包线1为另一极，组成了测试土壤电容的电容器。当它插入土壤以后，即可测量到土壤水分变化而引起的电容量变化。不锈钢棒绕线槽总长63mm，可绕线32匝。其螺纹间宽2mm，槽深1mm。这种几何尺寸的不锈钢棒，螺纹间宽越小，电容量较大(如表2)。为了绕线的方便和增加土壤的嵌入量，我们选用了目前应用的尺寸。
表2螺纹间宽与电容量关系
棒的左边有一φ2mm的孔隙，用于固定漆包线一端。棒的右端顶部有一个可拧螺栓的细孔。以便连接导线。
电容测量采用脉冲电路法。经电路转换，电容量转换为频率信号。测定表明，从0.758微法至5.43微法，经电路转换后相当于频率信号6.1～0.883千赫，二者关系如图3所示。将电容量转变为频率信号，它具有两方面优越性，一方面频率信号抗干扰能力较强，提高了信号传输的精度。另一方面它可被计算机直接接受，减少变送环节而节省成本。
传感器的制作工艺新型土壤水分传感器制作工艺大致分以下几个步骤。
(一)器件准备1、车制不锈钢芯(参照图2)，批量大了以后，可采用压膜法制造。使个体差异更小。
2、φ1.04mm圆漆包线。外层涂聚氨酯漆，具抗酸、碱等化学腐蚀能力。
3、线路板制作与器件焊接
4、土样风干、磨细过2mm筛。加入占土重千分之一聚丙烯酰胺，使土粒团聚，再风干、磨细过2mm筛备用。聚丙烯酰胺干粉以1％的浓度先溶入不断煮沸的热蒸馏水中。处理土壤时，再将上述1％PAM原液加入一定水量，使处理后的土壤含水量接近田间持水量，并使土壤吸入占土重1‰的PAM。上述的用人工结构改良剂处理过的轻壤土，其组成是含＜0.001mm粘粒9％，0.05～0.001mm粉粒71％＞0.05mm细砂粒20％。
(二)传感器制作1、绕制电容器芯漆包线一端套上约15mm软塑管，并插入不锈钢左端(图2)圆孔内，涂入绝缘树脂(环氧树脂∶硅橡胶＝8∶2)封固，防止铜线与不锈钢间导通现象发生。然后，沿着螺纹将漆包线绕紧在不锈钢棒上，并在右端用尼龙线固定。在不锈钢芯右端螺柱上引出一根导线。
测量漆包线与不锈钢芯之间电阻应在20兆欧以上。否则重绕。这种测试应将绕制后不锈钢棒浸入自来水中进行。
2、称取21克处理好的土壤，将绕好线的不锈钢电容器放入陶土头中，使其置于中轴线上，在四周加入土壤，并通过敲打陶土头等办法使土粒排列致密，并滴入0.25％浓度的PAM溶液，进一步加强土粒间胶结能力。
3、待土粒干燥后，用环氧树脂和硅橡胶混合胶封固陶土头上端(约20mm高)。
4、将伸出的陶土头上端的漆包线和引自不锈钢上端螺栓的导线剪短成20～25mm长度。并接上线路板。在线路板的另一端三个接线端子上分别接上三支导线。它们分别为电源(9伏)正、负极(与信号负极共用)，另一导线则为信号输出线。
5、在陶土头与PVC管胶结处，用环氧树脂涂封所有接口内外侧面与顶部(使日后传感器埋入土中后潮气不致进入电器线路的腔室)。然后接上PVC塑管。在塑管上端塞入多孔泡沫材料。在距PVC管顶部10～25mm处填充入环氧树脂与硅橡胶混合胶。这种胶不仅有一定的强度，而且有一定弹性，防止内壁由于脱胶而进入水分，进而侵蚀电器线路。因此，穿过混合胶部分的三条线都应是裸线(不包裹绝缘材料)以防水汽入渗。
6、制作完的传感器，待胶老化硬结后，将2/3陶土头垂直泡入水中两天，使其充分吸水。然后取出晒干(测得频率值在2.2千赫以上时，表明陶土头及内部土壤已干燥)。再泡水，晒干，反复三次。使内部土壤经多次干湿交替后结构进一步稳定。
传感器的性能与使用图4为电容式土壤水分传感器在砂质壤土中的率定曲线。图5为传感器电容量与土壤含水量变化的响应曲线。从图上曲线可以看到，含水量与电容量不呈线性关系。二者关系的拟合式为三项式，R2为0.9963。资料表明，即使土壤含水量处于干燥的范围(2.5％～10％)其率定曲线的响应仍十分良好。因此这种传感器在土壤干燥区段的测试能力远好于张力计。测试土壤水分的范围有了显著扩大。适用于干旱地区土壤水分的定点监察。这种传感器也不像张力计，后者在定位监察时需要加水。它埋入土中后，无需再做别的管理，使用方便。
变送器的率定方法由于各地土壤性状各不相同，不同土壤相同含水量时，水分探头所测得的频率信号不尽相同。因此，在使用本传感器进行测定工作前，必须进行土壤含水量与输出频率信号之间关系的率定工作。
率定的方法如下取得原状土壤，置于木箱或铁箱中，用土钻打孔，埋入水分探头(水分探头应先在水中浸泡6小时以上)。将传感器接上9VDC电源供电。
向箱中土壤加水，使之水分饱和。
在土壤蒸发失水过程中，不断测试变送器的输出频率，与土壤含水量。直至土壤完全干燥。从而获得了土壤含水量与变送器输出频率率定关系。并将其拟合成算式备用。
土壤含水量可用称量法或每次用小土钻取土样，用烘箱法测定。
为加快蒸发过程可采用日晒、风吹等办法。
在干旱地区，也可在田间直接标定含水量与变送器输出频率之间关系。变送器的使用方法经率定后的传感器即可在田间施用。在埋入土中之前，应将陶土头四分之三浸泡在水中一夜。使之充分湿润。
用土钻打孔，深度由监测土壤深度而定。在钻孔中倒入约30ML泥浆，在陶土头上也涂上泥浆，将传感器用木棒顶入洞中。泥浆会使陶土头与土壤之间接触紧密。
湿润土壤半天后，干燥土壤一天后可进行测试。
可用有频率测试档的电表每日一次(或数次)测定传感器输出的频率信号。将测得的频率数据通过率定曲线的拟合公式算得土壤含水量。
权利要求
1.一种电容式土壤湿度传感器，设有电容器的二极，引出二极的导线与信号转换电路连接，信号转换电路引出电缆，输出数据，其特征在于，在带有螺旋槽口的不锈钢棒上缠绕有漆包线，以不锈钢棒为一极，以缠绕其槽口的漆包线为另一极，在不锈钢传感器芯外部设有陶土管腔室，该陶土管腔室中装填有用人工结构改良剂处理过的土壤，该土壤采用轻壤土。
2.按照权利要求1所述的电容式土壤湿度传感器，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占土重0.05～0.2％聚丙烯酰胺、占土重0.18～0.25％的聚乙烯醇或占土重0.12～0.2％聚丙烯腈。
3.按照权利要求2所述的电容式土壤湿度传感器，其特征在于，所述的人工结构改良剂的高分子聚合物采用占土重0.1％的聚丙烯酰胺。
4.按照权利要求1或2或3所述的电容式土壤湿度传感器，其特征在于，所述的用人工结构改良剂处理过的轻壤土，其组成是含＜0.001mm粘粒8～10％，0.05～0.001mm粉粒70～72％，＞0.05mm细砂粒19～21％，并由高分子聚合物固定；所述的固定用的高分子聚合物选自聚丙烯酰胺、聚乙烯醇或聚丙烯腈，其中，聚丙烯酰胺加入量为土重的0.09～0.11％；聚丙烯腈干粉加入量为土重的0.14～0.16％，聚乙烯醇加入量为土重的0.19～0.21％。
5.一种权利要求1所述的电容式土壤湿度传感器的制作方法，包括以下步骤在带有螺旋槽口的不锈钢棒上缠绕漆包线，漆包线末端涂裹硅橡胶以防二电极板之间漏电；以不锈钢棒为一极，以缠绕其槽口的漆包线为另一极，引出电容器二个极板的导线；土样风干、磨细过2mm筛；用聚丙烯酰胺的水溶液处理土壤，加入人工结构改良剂使处理后的土壤含水量接近田间持水量，并使土壤吸入聚丙烯酰胺，使土粒团聚。土样再风干、磨细过2mm筛备用；将绕好线的不锈钢电容器放入陶土头中，使其置于中轴线上，在四周加入上述步骤中处理好的土壤，使土粒排列致密，并滴入作为人工结构改良剂的高分子聚合物，加强土粒间胶结能力；待土粒干燥后，用环氧树脂和硅橡胶混合胶封固陶土头上端；将电容器引出的二个极板的导线与信号转换电路连接，信号转换电路引出电缆。即可制好成品，所述的用人工结构改良剂处理过的轻壤土，其组成是含＜0.001mm粘粒8～10％，0.05～0.001mm粉粒70～72％，＞0.05mm细砂粒19～21％；所述的固定用的高分子聚合物选自聚丙烯酰胺、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土重的0.09～0.11％；聚丙烯腈干粉加入量为土重的0.14～0.16％，聚乙烯醇加入量为土重的0.19～0.21％。
6.按照权利要求5所述的电容式土壤湿度传感器的制作方法，其特征在于，还设有以下工艺步骤制作完的传感器，待胶老化硬结后，将2/3陶土头垂直泡入水中两天，使其充分吸水。然后取出晒干，再泡水，晒干，反复三次，使内部土壤经多次干湿交替后结构进一步稳定。
7.按照权利要求6所述的电容式土壤湿度传感器的制作方法，其特征在于，所述的测量漆包线与不锈钢芯之间电阻要求在20兆欧以上，否则重绕；同时，这种测试是将绕制后不锈钢棒浸入自来水中进行。
8.按照权利要求5或6或7所述的电容式土壤湿度传感器的制作方法，其特征在于，所述的用人工结构改良剂处理过的轻壤土，其组成是含＜0.001mm粘粒9％，0.05～0.001mm粉粒71％，＞0.05mm细砂粒20％；所述的高分子聚合物人工结构改良剂采用占土重0.1％的聚丙烯酰胺。
全文摘要
电容式土壤湿度传感器，设有电容器的二极，二极的导线与信号转换电路连接，特征是在带有螺旋槽口的不锈钢棒上缠绕有漆包线，以不锈钢棒为一极，以漆包线为另一极，在不锈钢传感器芯外部设有陶土管腔室，该陶土管腔室中装填有用人工结构改良剂处理过的轻壤土。其制作方法是在带有螺旋槽口的不锈钢棒上缠绕漆包线，构成两极；引出二极的导线；土样风干磨细过筛；用PAM处理土壤；土样再风干、磨细过筛；将绕好线的不锈钢电容器放入陶土头中，四周加入处理好的土壤，封固陶土头上端；极板的导线与信号转换电路连接。本发明使传感器与外界土壤间保持良好的水力联系，使传感器电容量与土壤含水量之间率定工作简化，解决了传统技术中的难题。
文档编号C09K17/14GK1719241SQ200510041258
公开日2006年1月11日 申请日期2005年7月29日 优先权日2005年7月29日
发明者徐富安, 信秀丽, 徐梦熊 申请人:中国科学院南京土壤研究所