一种土壤传感器的制作方法

本实用新型属于土壤水分、电导率测量技术领域，具体涉及一种土壤传感器。

背景技术：

土壤水是保证农作物生长的命脉，在气象、水利、农业等行业，土壤水分的测量有着重要意义。土壤电导率是另一个重要的土壤物理参数，它是土壤盐分，水分，有机质含量，土壤质地结构等的综合反映，对于农田作业，环境污染等研究与应用有着相当重要的作用。

目前，针对土壤水分与电导率的同时测量方法主要分为以下两种：

(1)TDR(Time domain renectometer)分解法，即时域反射法，基本原理是通过发射的阶跃信号沿着插入土壤探头的传输过程来测量的，通过传输时间来测量土壤的水分，通过电磁波的幅度衰减来估计土壤的电导率。在高电导率的条件下，TDR分解法因为信号衰减过大，无法测量土壤水分。

(2)FDR(Frequeney domain reflectometer)分解法，即频域反射法，基本原理是在固定频率下利用同步检波技术测量探头端口导纳的幅值与相角进而同时获取土壤水分、电导率。使用该方法测量时，土壤中水分、盐分相互影响较大，使水分、盐分分离困难，无法准确测量出土壤中的水分与电导率。公布号CN1719245A的中国专利提供了一种测量土壤水分与电导率的传感器，用至少两种频率信号发生器实时发出信号，经过各自的取样元件与带通滤波器，在探头处混合，混合信号再经过各自的带通滤波器返回，该传感器电路复杂，需要至少发射两种频率的信号才能检测出土壤的水分和电导率。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种土壤传感器，用于解决至少发射两种频率的信号才能检测出土壤的水分和电导率的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提出一种土壤传感器，包括以下方案：

方案一，包括测量探头，该测量探头包括发射探针和接收探针，所述土壤传感器还包括一个高频信号发生单元，及与其连接的控制单元，所述高频信号发生单元依次串联第一精密取样元件、第二精密取样元件后连接所述发射探针，所述接收探针用于接收发射探针发射的信号，并与高频信号发生单元、第一精密取样元件、第二精密取样元件和发射探针形成回路；所述控制单元通过第一检波单元连接所述高频信号发生单元和第一精密取样元件之间的串联点，通过第二检波单元连接所述第一精密取样元件和第二精密取样元件之间的串联点，通过第三检波单元连接所述第二精密取样元件和发射探针之间的串联点。

方案二，在方案一的基础上，所述高频信号发生单元包括依次连接的电源、信号发生器及滤波单元，所述电源用于连接控制单元，所述滤波单元连接第一精密取样元件，用于对信号发生器的高频信号进行滤波。

方案三、四，分别在方案一、二的基础上，所述信号发生器的频率为50MHz。

方案五、六，分别在方案一、二的基础上，所述土壤传感器还包括温度探针，装设在所述接收探针内。

方案七、八，分别在方案五、六的基础上，所述测量探头设在土壤传感器的底盘上。

方案九、十，分别在方案七、八的基础上，所述接收探针周向等距设置在所述底盘上，所述发射探针通过绝缘环设置在底盘轴心处。

方案十一，在方案一的基础上，第一检波单元、第二检波单元和第三检波单元的结构相同，包括检波二极管，检波二极管通过并联的电容和电阻接地。

本实用新型的有益效果是：通过向传感器探头发送高频信号，然后采集第一检波单元的第一检波信号、第二检波单元的第二检波信号及第三检波单元的第三检波信号，计算出探头的等效电容、等效电阻，利用等效电容求出混合物质的相对介电常数，进而计算出土壤中的水分，检测原理简单、容易实现，且传感器成本低，仅通过向传感器探头发送一个高频信号就能实现土壤中水分、电导率的测量，测量的速度快、精度高。

附图说明

图1是本实用新型一种土壤传感器原理图；

图2是传感器中的一种检波器的检波电路图；

图3是本实用新型一种土壤传感器结构图；

图4是土壤传感器检测数据的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的说明。

本实用新型的一种土壤传感器的实施例：

本实用新型的土壤传感器包括测量探头和控制单元，其中测量探头设有发射探针和接收探针，控制单元用于信号接收、数据处理、数据通信、电路控制等；一个高频信号发生单元及与控制单元连接，该高频信号发生单元包括依次连接的电源、信号发生器S及滤波单元，其中信号发生器S设有与接收探针形成回路的接地端，电源连接控制单元，滤波单元依次串联第一精密取样元件R₁、第二精密取样元件R₂后连接发射探针，如图1所示，发射探针的信号经过土壤中混合介质等效的电阻和电容，被接收探针接收，最后与信号发生器S，滤波单元、第一精密取样元件、第二精密取样元件和发射探针形成回路。

上述电流回路设有三个采样点：第一采样点、第二采样点和第三采样点。第一采样点为滤波单元和R₁之间的串联点，第二采样点为R₁和R₂之间的串联点，第三采样点为R₂和发射探针之间的串联点。其中，第一检波单元对第一采样点进行采样后，记录采样电压，输出到控制单元进行AD转换，第二检波单元对第二采样点进行采样后记录采样电压，将其输出到控制单元进行AD转换，同样，第三检波单元对第三采样点进行采样，将记录的采样电压输出到控制单元，进行AD转换。

上述第一检波单元、第二检波单元、第三检波单元的电路结构如图2所示，包括检波二极管，检波二极管通过并联的电容和电阻接地，检波二极管的阳极作为检波单元电压采样的输入端，检波二极管的阴极用于连接控制单元的AD转换模块，进行AD转换。

一种土壤传感器的结构如图3所示，测量探头包括四个探针，其中发射探针1作为高频电磁波的发射极，第一接收探针2、第二接收探针3和第三接收探针4作为接收极，四个探针安装在底盘5上，发射探针通过绝缘环6设在底盘轴心处，接收探针围绕发射探针呈120度角周向等距设置在底盘上，四个探针之间作为待测介质空间。传感器内部设有处理板，处理板上焊接引线9。引线9穿过外壳7和PG头8引出，外壳7和底盘5螺装，从外壳7出线孔注入环氧树脂灌封。使用PG头8封住出线口并卡住引线，最后在恒温箱中加热24小时，使环氧树脂固化。本实施例的发射探针发射高频电磁波，分布其周围的三个探针接收电磁波，在探针之间形成电场，探针之间的介电变化直接反馈到测量电路中。

本实用新型的土壤传感器检测土壤水分、盐分的方法如下：

将传感器测量探头(包括发射探针、第一接收探针、第二接收探针和第三接收探针)完全插入待测量介质中，给传感器上电，并通过通信接口向控制单元发送测量命令，控制单元接收命令后，控制信号发生器S向传感器发射探针发送高频信号，该高频信号为50MHz的电磁波，能在探针之间产生稳定的电磁场，将介质空间内介电特性的变化转化成电信号，并通过第一接收探针、第二接收探针和第三接收探针进行接收，然后采集第一检波单元输出的第一检波信号，第二检波单元输出的第二检波信号，及第三检波单元输出的第三检波信号。

根据第一检波信号、第二检波信号、第三检波信号与测量探头的等效电容、等效电阻的关系，确定等效电容的大小，如图1所示，第一检波单元测量的第一检波信号电压为V₁，第二检波单元测量的第二检波信号电压为V₂，第三检波单元测量的第三检波信号电压为V₃，根据这些电压值列取以下节点基尔霍夫定律方程组：

式中，C_x为待求测量探头的等效电容，R_x为待求等效电阻，dV₃/dt第三检波信号电压微分，R₁为第一精密取样元件电阻，R₂为第二精密取样元件电阻。

根据上述方程组，求解出的测量探头等效电容C_x，及等效电阻R_x，能分别得到土壤水分和电导率。具体过程为：根据等效电容C_x和测定空气电容C_o的比值，得到土壤中混合物质的相对介电常数ε_r：

然后根据混合物质的相对介电常数ε_r和土壤水分的关系通过试验数据做线性回归求出土壤水分：

θ＝a×ε_r³+b×ε_r²+c×ε_r+d

式中，θ为土壤水分，a、b、c、d为通过线性回归算法求出的标定系数。

由于土壤介质的相对介电常数在3-5，水的相对介电常数在80左右，所以在忽略土壤相对介电常数的情况下，可认为土壤水分和其相对介电常数直接相关，而相对介电常数与电容大小直接线性相关，所以求出等效电容即可求出上述土壤水分。

上述等效电阻求出后，根据等效电阻和电阻率的关系求出电阻率，然后根据土壤电导率和电阻率呈倒数的关系，求出电导率：

式中，ρ为电阻率，L为等效电阻长度，S为等效电阻面积(L/S整体作为电极常数，可通过标定试验测得)，σ为电导率。

本实施例中的高频信号采用50MHz频率，该频率能使传感器能水分、电导率同步准确测量，而且水分、电导率相互影响较小。测量电路通过极简单的串联阻抗实现，通过同样简单的检波单元完成数据采样，再由控制单元的AD转化成数字信号，最终计算出相应的水分和电导率值。

本实施例中的测量探头采用不锈钢针(四个探针)、不锈钢底盘、绝缘环、温度探针。圆形底盘中心打孔，通过绝缘环安装发射探针，为了获取土壤中的温度参数，以便对土壤水分进行温度校正，本实施例中的控制单元还连接有温度探针，实现土壤温度值的检测，同样由AD采集数据，控制单元计算相应温度值。温度测量有以下三个目的：

(1)检测当前土壤温度；

(2)通过温度值校正电导率值到25摄氏度的电导率(不同温度下电导率是不一样的)；

(3)对土壤水分进行温度校正。

在结构上，温度探针封装位置设计在接收探针的中心，这样既能够减少温度测量时间延迟，又能够精确反映测量土壤部分的真实温度。

本实施例的控制单元，使用32位嵌入式处理器，实现了数据采集、数据计算处理、质量控制、数据交换、参数设置、远程控制升级等功能。

本实用新型的土壤传感器，成本低，使用单一频率信号发生电路，二极管检波电路，相比TDR、FDR等方法中复杂的测量或者信号发生电路，简单稳定；使用单一频率信号发生电路，二极管检波电路(如图2所示，用于检测传感器的电磁波反馈)，相比TDR、FDR等方法中复杂的测量或者信号发生电路，本实用新型的电路原理更简单稳定，且所有电路封装在结构小巧的传感器中，防水防腐蚀，可长期稳定工作在地下环境当中；通过增设用于温度探测的温度探针，使温度、电导率对土壤水分进行复合标定，增大了传感器使用范围，在温差大、盐分大的地域仍能正常使用。

为了增加传感器的传输数据的可用性，传感器设有工作状态检测功能，能够对传感器状态进行现场或者远程检测。

本实用新型的土壤传感器检测土壤的原理简单、容易实现，仅通过向传感器探头发送一路高频信号就能实现土壤中水分的测量，与传统的FDR分解法相比，测量的速度快、精度高。