专利名称：基于介电特性原理的垂直交叉平面式土壤含水量传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种土壤含水量测量仪，尤其是涉及一种基于介电特性原理的垂直交叉平面式土壤含水量传感器。
背景技术：
我国山地丘陵地区滑坡、泥石流等突发地质灾害频发，对人民生命财产安全和经济建设造成严重危害。2008年1-5月，全国除北京、天津、内蒙古、黑龙江、上海、江苏、海南、 西藏和宁夏外，其余22个省(自治区、直辖市)都发生了地质灾害，共发生14196起，其中滑坡6158起、崩塌5145起、泥石流399起、地面塌陷405起、地裂缝2038起、地面沉降51 起。共造成287人死亡、7人失踪、571人受伤，直接经济损失157. 7亿元。针对崩塌、滑坡、 泥石流等突发性地质灾害的防治中，各种地质状况的监测是必须的。而土壤的含水量的监测就是其中一个重要部分，尤其是分布式土壤含水量的测量。监测的结果将是地质灾害预警的基本而重要的依据和数据，是对被监测地的地质状况历史和实时的记录和反映。另外，在农业生产过程中，水资源浪费十分严重，尤其是占总用水量的80%以上的农业用水，其有效利用率极低。目前，我国年灌溉用水量约为3800亿立方米，有效利用率只有30%-40%，而先进国家已达70%-80%。因此节水重点在农业。大力发展节水农业势在必行。节水装备技术是保证节水农业实施的关键技术，而土壤含水量的快速、精确、方便的测定是其中首要问题。传统的土壤含水量测量方法是烘干法，烘干法较为简单方便，但是它破坏了土壤结构且不能取得土壤的动态资料。从20世纪50年代开始，国内外就在研究使用电测法来替代传统的烘干法，典型的有电阻法、电容法、红外检测法、中子法、Y射线透射法、TDR和 FDR法等。不同的方法都有优点和缺点，电阻法受土壤类型的影响大；中子仪和、射线透射法，虽通过室内外标定可得到较准确结果，但不安全；TDR和FDR法既安全又准确，但价格
曰虫印贝。与上述方法相比，电容法具有在不破坏原土壤结构的条件下就能够测得土壤的动态含水量，安全、快速、经济等一系列优点，适合于地质灾害预警和农业科学生产等的监测。 一般来说，电容法就是利用水的介电常数远大于干燥砂土本身的介电常数，实现对含水量的测量，介电常数与物质的特性有关，不同的物质的介电常数不一样。土壤、空气和水分的介电常数如下，水ε =80;土壤粒子ε =4;空气ε =1。电容传感器电容的变化就是由介电常数的变化而引起的。然而，普通的电容式传感器一般为平行板结构或者插针式结构，存在体积较大、电极结构不稳定等缺点，且不能测量不同深度不同分布点的土壤含水量，不能永久埋入土壤实时测量，受土壤类型的影响较大。
发明内容
为了克服现有土壤含水量传感器的上述不足，本发明的目的在于提供一种基于介电特性原理的垂直交叉平面式土壤含水量传感器，解决了插针式、平行板的电极体积大，结构不稳定，容易变形，影响测量精度的缺点；比同平面电极的感应范围大，插入土壤时与土壤接触更良好。本发明采用的技术方案是本发明包括垂直交叉平面式传感器探头，高频振荡激励源，隔离变压器，有效值检测电路，信号放大处理电路，单片机AD转换与数据处理电路，RS-485总线通讯接口 ；高频振荡激励源经过电阻和隔离变压器的初极线圈接地，隔离变压器的次极线圈的两端分别与垂直交叉平面式传感器探头的两个垂直平面电极板连接，初极线圈的非接地端输出信号经有效值检测电路、信号放大处理电路与单片机AD转换与数据处理电路连接，经处理后的信号由RS-485总线通讯接口输出给上位机。所述的垂直交叉平面式传感器探头，是由两块长方形的双面覆铜印刷电路板经腐蚀出对称布置的覆铜板电极后，两块双面覆铜印刷电路板中心开槽后垂直相交，成“十字” 型截面，两块垂直双面覆铜印刷电路板由固定焊盘固定构成；八个覆铜板电极组成四个象限的四对垂直平面，垂直相交后的双面覆铜印刷电路板一端磨有30 60度的斜角，另一段的覆铜板电极均设有信号线接头，四对电极构成垂直感应区域，等效为四个电容器并联。所述的有效值检测电路和信号放大处理电路，包括AD8361集成电路和AD8041单电源运算放大电路；AD8361集成电路的RFIN脚通过电容的COUT端接隔离变压器初级信号 U0,AD8361集成电路VRMS脚接电阻后输出给DCOUT端，DCOUT端信号经电阻接入AD8041单电源运算放大电路IN-脚，AD8041单电源运算放大电路的OUT脚输出信号Atl给单片机AD 转换与数据处理电路。所述的单片机AD转换与数据处理电路包括MSP430F1232单片机、SPX5205稳压电源和MAX3481驱动电路，MSP430F1232单片机的P2. 0/A0脚接信号放大处理电路的输出信号 A。，MSP430F1232 单片机的 P3. 5/URXD0 脚接 MAX!3481 驱动电路的 RO 脚，MSP430F1232 单片机的P3. 4/UTXD0脚接MAX;3481驱动电路的RI脚，MSP430F1232单片机的P3. 6脚接MAX!3481 驱动电路的RE脚和DE脚。MAX3481驱动电路的A和B脚接RS485总线与上位机相连。本发明具有的有益效果是1)本传感器探头结构在插入土壤时比探针式结构和平行片面结构更不容易变形， 比单平面式探头的感应范围大。2)隔离变压器的次级的两端是等效的，两个电极板之间没有直流偏置电压，所以当两个电极插入土壤的时候不会引起土壤中的带电离子的单方向运动，所以电极不会与土壤中的电解质产生电化学反应。3)采用高频振荡器产生激励信号，降低了土壤类型对土壤含水量测量的影响，而且降低了成本，采用隔离变压器，减小了土壤中的电解质液对电极的腐蚀，电极不会与土壤中的电解质产生电化学反应。4)以数字信号输出，可以接多个传感器同时测量，实现多机通讯，实现分布式多点多深度的土壤含水量测量。本发明可以应用于地质灾害(如滑坡、泥石流等)的监测和科学农业生产过程中。
图1是本发明的传感器的探头的两个电极板制版图。
图2是本发明的两个极板安装好后的垂直交叉平面式传感器探头立体结构图。图3是本发明的土壤含水量传感器的外形结构图。
图4是本发明的两垂直平面电极的电力线近似分布图。图5是本发明的检测电路系统框图。图6是有效值检测与信号放大电路。图7是单片机AD转换与数据处理电路图。图中1、双面覆铜印刷电路板，2、覆铜板电极，3、槽，4、固定焊盘，5、信号线接头， 6、垂直交叉平面式传感器探头，7、密封结构外壳，8、电源和信号线接口。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。如图5所示，本发明包括垂直交叉平面式传感器探头，高频振荡激励源，隔离变压器，有效值检测电路，信号放大处理电路，单片机AD转换与数据处理电路，RS-485总线通讯接口 ；高频振荡激励源经过电阻和隔离变压器的初极线圈接地，隔离变压器的次极线圈的两端分别与垂直交叉平面式传感器探头的两个垂直平面电极板连接，初极线圈的非接地端输出信号经有效值检测电路、信号放大处理电路与单片机AD转换与数据处理电路连接，经处理后的信号由RS-485总线通讯接口输出给上位机。如图1、图2、图3所示，所述的垂直交叉平面式传感器探头6，是由两块长方形的双面覆铜印刷电路板1 (本发明采用环氧树脂-玻璃纤维布基双面覆铜印刷电路板)经腐蚀出对称布置的覆铜板电极2后，两块双面覆铜印刷电路板1中心开槽3后垂直相交，成“十字”型截面，两块垂直双面覆铜印刷电路板由固定焊盘4固定构成；八个覆铜板电极2组成四个象限的四对垂直平面，垂直相交后的双面覆铜印刷电路板1 一端磨有30 60度的斜角，另一段的覆铜板电极2均设有信号线接头5，四对电极构成垂直感应区域，等效为四个电容器并联。作为传感器插入土壤的一端磨有30度的斜角，以便插入土壤。本传感器探头结构在插入土壤时比探针式结构和平行片面结构更不容易变形，比单平面式探头的感应范围大。采用IOOMHz的有源晶振作为其高频振荡激励源，其供电电压为直流5V，输出为带 2. 5V的直流偏置的，峰峰值为4V的IOOMHz的方波信号，经过一个电阻和一个隔离变压器的初极线圈接地。所述隔离变压器的初级、次级线圈比为1 1。初级的电压和次级的电压相等。初级线圈一端串联一个分压电阻后接高频振荡激励源，另一端接地。次级线圈的两端分别接到传感器的两个垂直平面电极板。隔离变压器的次级的两端是等效的，两个电极板之间没有直流偏置电压，所以当两个电极插入土壤的时候不会引起土壤中的带电离子的单方向运动，所以电极不会与土壤中的电解质产生电化学反应。其中，土壤的含水量变化的时候，电极板间的土壤的介电常数会产生变化，则其容抗也会因此产生变化，容抗变化会引起隔离变压器的初级电流产生变化，为此隔离变压器的初级线圈的电压也会变化，有效值电路就连接在分压电阻与初级线圈的输入端上。如图6所示，所述的有效值检测电路和信号放大处理电路，包括AD8361集成电路和AD8041单电源运算放大电路；AD8361集成电路的RFIN脚通过电容的COUT端接隔离变压器初级信号U0，AD8361集成电路VRMS脚接电阻后输出给DCOUT端，DCOUT端信号经电阻接入AD8041单电源运算放大电路IN-脚，AD8041单电源运算放大电路的OUT脚输出信号 A0给单片机AD转换与数据处理电路。如图7所示，所述的单片机AD转换与数据处理电路包括MSP430F1232单片机、 SPX5205稳压电源和MAX3481驱动电路，MSP430F1232单片机的P2. 0/A0脚接信号放大处理电路的输出信号Atl，MSP430F1232单片机的P3. 5/URXD0脚接MAX3481驱动电路的RO脚， MSP430F1232单片机的P3. 4/UTXD0脚接MAX!3481驱动电路的RI脚，MSP430F1232单片机的 P3. 6脚接MAX;3481驱动电路的RE脚和DE脚。MAX!M81驱动电路的A和B脚接RS485总线与上位机相连。图1是发明的传感器的探头的两个电极板制版图，该探头采用双面覆铜印刷电路板(PCB)制作，正反两面都是一样的，基板的材料为一般的环氧树脂-玻璃纤维布基覆铜板(通称FR-4)，电极的材料为表面的覆铜片。其结构为两块中心开槽的长方形PCB板，一端设计成一个磨有30度的斜角，以便插入土壤，其中两个中心槽的宽度正好和PCB板的厚度一样。每个板上在中心槽对应的地方都设计有焊盘，安装时，把两块板的中心槽对好，两个平板垂直的插入中心槽，这时两块垂直平板上的焊盘的位置正好对应，用焊锡将两个PCB 板焊接在一起，如果觉得不够牢固，可以在中心槽处用其他胶水进行固定，安装好的后立体结构图如图2所示。图2是两个极板安装好后的垂直交叉平面式传感器探头立体结构图，其结构为两块中心开槽的长方形PCB板垂直相交，成十字型截面，两个垂直片面由PCB板上的焊盘固定。电极组为四个象限的四对垂直平面。作为电极的覆铜片的一端有导线引出与后端电路相连，共4对电极，等效为4个电容器并联连接。单对电极板的两垂直平面电极的电力线近似分布图如图4所示。如图4所示，设单个电极板长为L，宽为a，两块电极板到原点的间距为b。理想化的传感器电力线如图4，用近似圆弧代替实际电力线(也可用近似椭圆线代替)。Y轴的正半轴与X轴的正半轴之间区域为工作区间。两个电极板间的电容为Cs = Cb+Cw ； (1)Cb为基板层(非工作区间)的电容量，当传感器的结构与基板材料确定时Cb为一常量。Cw为工作区间的电容量，其大小随着工作区间的总介电常数ε χ的变化而变化。取电容敏感元件之微小面积增量(AS = LAx)上生成的电容值ACX，Δχ为X方向的微小增量单元，按图中所示的四分之一半圆弧电力线的距离为d，所以
εχ ‘ AS _ 2εχ -1 - AxACjc - = ^— 7~
d π(Χ + b) .................. (2)当X从0到a积分就可以得到Cw
权利要求
1.一种基于介电特性原理的垂直交叉平面式土壤含水量传感器，其特征在于包括垂直交叉平面式传感器探头，高频振荡激励源，隔离变压器，有效值检测电路，信号放大处理电路，单片机AD转换与数据处理电路，RS-485总线通讯接口 ；高频振荡激励源经过电阻和隔离变压器的初极线圈接地，隔离变压器的次极线圈的两端分别与垂直交叉平面式传感器探头的两个垂直平面电极板连接，初极线圈的非接地端输出信号经有效值检测电路、信号放大处理电路与单片机AD转换与数据处理电路连接，经处理后的信号由RS-485总线通讯接口输出给上位机。
2.根据权利要求1所述的一种基于介电特性原理的垂直交叉平面式土壤含水量传感器，其特征在于所述的垂直交叉平面式传感器探头(6)，是由两块长方形的双面覆铜印刷电路板(1)经腐蚀出对称布置的覆铜板电极⑵后，两块双面覆铜印刷电路板(1)中心开槽⑶后垂直相交，成“十字”型截面，两块垂直双面覆铜印刷电路板由固定焊盘⑷固定构成；八个覆铜板电极⑵组成四个象限的四对垂直平面，垂直相交后的双面覆铜印刷电路板(1) 一端磨有30 60度的斜角，另一段的覆铜板电极( 均设有信号线接头(5)，四对电极构成垂直感应区域，等效为四个电容器并联。
3.根据权利要求1所述的一种基于介电特性原理的垂直交叉平面式土壤含水量传感器，其特征在于所述的有效值检测电路和信号放大处理电路，包括AD8361集成电路和 AD8041单电源运算放大电路；AD8361集成电路的RFIN脚通过电容的COUT端接隔离变压器初级信号U0，AD8361集成电路VRMS脚接电阻后输出给DCOUT端，DCOUT端信号经电阻接入 AD8041单电源运算放大电路IN-脚，AD8041单电源运算放大电路的OUT脚输出信号AO给单片机AD转换与数据处理电路。
4.根据权利要求1所述的一种基于介电特性原理的垂直交叉平面式土壤含水量传感器，其特征在于所述的单片机AD转换与数据处理电路包括MSP430F1232单片机、SPX5205 稳压电源和MAX3481驱动电路，MSP430F1232单片机的P2. 0/A0脚接信号放大处理电路的输出信号 Atl, MSP430F1232 单片机的 P3. 5/URXD0 脚接MAX!3481 驱动电路的 RO脚，MSP430F1232 单片机的P3. 4/UTXD0脚接MAX3481驱动电路的RI脚，MSP430F1232单片机的P3. 6脚接 MAX3481驱动电路的RE脚和DE脚，MAX!3481驱动电路的A和B脚接RS485总线与上位机相连。
全文摘要
本发明公开了一种基于介电特性原理的垂直交叉平面式土壤含水量传感器。高频振荡激励源经隔离变压器的初极线圈接地，次极线圈的两端分别与传感器探头的两个垂直平面电极板连接，初极线圈的非接地端输出信号经有效值检测电路、信号放大处理电路与单片机AD转换与数据处理电路连接，经处理后的信号由RS-485总线通讯接口输出给上位机。本发明插入土壤时比探针式结构和平行片面结构更不容易变形，比单平面式探头的感应范围大；隔离变压器的次级的两端是等效的，两个电极板之间没有直流偏置电压，插入土壤时不会引起土壤中的带电离子的单方向运动，不与土壤中的电解质产生电化学反应。本发明可应用于地质灾害的监测和科学农业生产过程中。
文档编号G01N27/22GK102520025SQ20111042949
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月20日 优先权日2011年12月20日
发明者施阁, 李雄, 李青, 王燕杰, 童仁园 申请人:中国计量学院