CN101281183B - 一种稻田水分传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稻田水分传感器，其包括外壳(3)、设置于外壳(3)底部的土壤含水率探针(1)、贴于外壳(3)两侧的水层探针(2)、及设于外壳(3)内部的检测电路(4)，该检测电路(4)向土壤含水率探针(1)及水层探针(2)发出脉冲方波激励信号并接收两组探针的充电电压的峰值信号。本发明测量精准、结构简单且成本较低。

Description

一种稻田水分传感器

技术领域

本发明涉及农田信息采集领域，尤其涉及一种稻田水分传感器。

背景技术

水稻生长期和成熟期对田间持水量有不同的要求，生长期田间不能缺水，但是水层不能高过禾苗，成熟期要三次排水晒田，但又不能过度干旱。目前这些操作都是由农民凭经验决策的。在水稻精准作业体系中，精准灌溉和晒田的决策要求一种科学的测量仪器自动完成田间持水量的监测，主要是监测稻田的水层高低和土壤含水率。这就需要在稻田里安装稻田水分传感器。

目前成熟的土壤含水率检测方法有TDR(时域反射法)、FDR(频域反射法)和SWR(驻波率法)，其中TDR和FDR是国外的专利技术，测量精度比较高，但是由于处理电路复杂导致成本极高，一台TDR高达数万美元，一台FDR高达数千美元；SWR土壤含水率传感器采用了精密信号源通过测量驻波率的方法可使成本降低到600元人民币。由于每亩水稻每年的平均收益不到300元，所以TDR和FDR不可能在田间推广应用，即使成本最低的SWR也难以在田间推广。

中国专利号CN2422643公开一种新型土壤水分测量传感器，该实用新型使用高频振荡器产生高频信号激励中心探头及与同轴电缆传输线的屏蔽层相连接的外围探头，再通过检波电路来测量土壤水分。CN1719245公开了一种同步实时测量土壤水分与电导率的方法及传感器，该发明专利是一种基于介电理论和频域方法的同时测量土壤水分与电导率的方法及传感器。采用多频率导纳分解法直接测量探头的导纳，进而分解探头导纳的实部与虚部，通过探头导纳实部与介电损耗的关系得出介质电导率，探头导纳虚部与介电常数的关系得出介质含水率。CN2854589公开了一种基于边缘效应以电容法测量水分含量的一种土壤水分测量传感器。与以往的土壤水分传感器比，可以有效地测量不同深度土壤的水分含量。CN2641646公开了一种基于介电方法的土壤含水率传感器，消除了因为振荡幅度和输出电阻的不一致而造成的测量误差，性能比较稳定。CN1619301公开一种介电频差式土壤水分传感器，包括土壤电极、振荡电路、放大整形电路、多级分频电路、低通滤波电路和光电隔离电路组成，输出与土壤水分有关的频率信号。

上述专利技术大都使用了高频率震荡和信号处理电路输出与种于土壤水分相关的电压或频率，要得到土壤水分的数字信号，还必须增加ADC采集电路或频率测量电路，由于硬件电路比较复杂，成本难以降低。

CN101017133公开了一种基于红外辐射的土壤水分测量仪，主要由红外发射电路、光探测器、红光发射电路和放置在光探测器和土壤样品盒中间聚光系统组成，利用一定波长近红外线照射被测物体时不同水分对其吸收程度不同的原理制成的。CN200968934公开了一种名称为一种基于光纤表面等离子共振的土壤水分传感器，由不锈钢滤帽，水分敏感膜，Au膜，半球型棱镜，光纤和水分传感器探头组成，从光纤反射的光谱信息中获得土壤水分的含量。由于采用了纯光学的方法，从而减小了土壤类型和土壤颗粒大小对测量结果的影响，提高了水分测试的灵敏度和精确度，但是复杂的光学系统和及其配套的信号处理电路难以降低成本。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种测量精准、结构简单且成本较低的稻田水分传感器。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种稻田水分传感器，其包括外壳、设置于外壳底部的土壤含水率探针、贴于外壳两侧的水层探针、及设于外壳内部的检测电路，该检测电路向土壤含水率探针及水层探针发出脉冲方波激励信号并接收两组探针的充电电压的峰值信号。

检测电路包括处理器、两个电容及两个检波电路，处理器分别通过电容C1及电容C2与土壤含水率探针及水层探针的触发端连接，并分别通过检波电路与土壤含水率探针及水层探针的触发端连接，处理器还通过处理器上的通讯口与外部的通讯装置连接，土壤含水率探针及水层探针的接地端接地。

两个检波电路均包括检波二极管及滤波电容，检波二极管D1的正极与水层探针的触发端连接，负极通过滤波电容C3接地，检波二极管D2的正极与土壤含水率探针的触发端连接，负极通过滤波电容C4接地。

处理器包括以下功能模块：

定时器，用于对土壤含水率探针和水层探针发出脉冲方波激励信号；

数模转换器，用于分别将检波电路输出的土壤含水率探针和水层探针两端的充电电压的峰值转换成数字信号；

计算模块，根据试验标定的公式自动计算出土壤和水层的含水率；

通讯模块，将计算所得出的土壤和水层的含水率数据信息发送至外部的通讯装置。

水层探针触发端及接地端平行贴在外壳两侧，水层探针的底部与外壳底部具有一小距离，水层探针测量时其底部与土壤表面相接触，顶端高出稻田水面，土壤含水率探针的触发端与接地端平行间隔设置。

与现有技术相比，本发明中，当水稻处于生长期时，利用贴于外壳两侧的水层探针用于测量水层高度，并利用处理器产生的脉冲方波信号作为该组探针的激励信号，检波电路用于测量该组探针的充电电压峰值，经计算分析后得出水层的高度，此时土壤中的水分总是处于饱和状态，不需要检测。当稻田处于成熟期时，稻田需要三次排水晒田，农户是凭经验晒田，但是，对于水稻精准灌溉来说，需要测量土壤的含水率来判断晒田的程度，这时，就可以利用土壤含水率探针对其测量。

该结构用处理器产生脉冲信号的方法来代替复杂的高频震荡电路，只需两组探针及检测电路即可采集到稻田在湿田及旱田两种情况下的水分含量，结构简单且使用方便，同时也大大降低了制作成本。

附图说明

图1为本发明稻田水分传感器的结构示意图；

图2为本发明检测电路的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

稻田中的水中有杂质，既有电介质也有导电微粒，插入水中的电极可以等效为一个RC并联电路，在水质差异不显著的情况下，水分的电阻率和介电系数是常数，插入水中的电极的等效电阻的阻值与电极在水中的深度成反比，等效电容的容量与电极在水中的深度成正比。测量此电极的RC变化就可以测量电极在水中的深度，如果电极下端接近土壤，就可以测量稻田水层的高度。

稻田土壤中含有水分和杂质，其中水有重要的电介质也有导电微粒，插入土壤中的电极可以等效为一个RC并联电路，当电极插入深度不变得情况下，土壤的电阻率和介电系数由土壤的含水率决定，插入土壤中的固定长度的电极的等效电阻的阻值与土壤的含水率反比，由于等效电容的容量与土壤的含水率成正比，测量此电极的RC变化就可以测量土壤中的含水率。

根据以上原理，本发明公开了一种稻田水分传感器，如图1所示，其包括外壳3、设置于外壳3底部的土壤含水率探针1、贴于外壳3外部两侧的水层探针2、及设于外壳3内部的检测电路4，该检测电路4向土壤含水率探针1及水层探针2发出脉冲方波激励信号并接收两组探针的充电电压的峰值信号。

当水稻处于生长期时，需要利用水层探针2对稻田含有的水层的高度进行测量，此时检测电路4向水层探针2发出脉冲方波激励信号，再通过接收并计算分析水层探针2两端的充电电压的峰值信号，从而得出稻田水层的高度，此时土壤中的水分相对水层的水分来说，可忽略不计，此时只需利用水层探针2测量水层高度即可得出稻田的含水率；当稻田处于成熟期时，稻田需要三次排水晒田，此时土壤的含水率就极为重要，需要利用土壤含水率探针对其测量，此时检测电路4向土壤含水率探针1发出脉冲方波激励信号，再通过接收并计算分析土壤含水率探针1两端的充电电压的峰值信号，从而得出稻田土壤的含水率。

该外壳3为中空的绝缘塑料管，且其直径为5cm，下端密封防水，中间的空间用于安装检测电路4及供检测电路4用的电池，外壳3底部安装土壤含水率探针1的过线孔，并用防水胶密封。

水层探针2的触发端及接地端平行贴在外壳3两侧，且水层探针2由不锈钢材料制成，且其长度均为15～20cm，直径为3mm，其底端与外壳3底部具有一小距离，水层探针2测量时其底端与土壤表面相接触，顶端高出稻田水面。土壤含水率探针1的触发端与接地端平行间隔设置，且其长度均为10～15cm，直径为6mm，其用于测量土壤的含水率。

如图2所示，检测电路4包括处理器5、两个电容C1、C2及两个检波电路，处理器5分别通过电容C1及电容C2与土壤含水率探针1及水层探针2的触发端连接，并分别通过检波电路与土壤含水率探针1及水层探针2的触发端连接，处理器5还通过处理器5上的通讯口与外部的通讯装置连接，土壤含水率探针1及水层探针2的接地端接地。该处理器5电源端连接至一外接电源，且本实施例中，该处理器5为一单片机。

两个检波电路均包括检波二极管及滤波电容，检波二极管D1的正极与水层探针2的触发端连接，负极通过滤波电容C3接地，检波二极管D2的正极与土壤含水率探针1的触发端连接，负极通过滤波电容C4接地。

处理器5包括以下功能模块：

定时器，用于对土壤含水率探针1和水层探针2发出脉冲方波激励信号；

数模转换器，用于分别将检波电路输出的土壤含水率探针1和水层探针2两端的充电电压的峰值转换成数字信号；

计算模块，根据试验标定的公式自动计算出土壤和水层的含水率；

通讯模块，将计算所得出的土壤和水层的含水率数据信息发送至外部的通讯装置。

其中，定时器产生20kHz的脉冲方波信号，通过电容C1和C2分别输出至土壤含水率探针1及水层探针2作为激励信号。当脉冲处于高电平时，分别对两组探针组成的等效电容充电，土壤含水率探针1的等效电容由土壤的电阻率和介电系数决定，水层探针2的等效电容由水层中水分的电阻率和介电系数决定，当脉冲为零电平时，探针的等效电容通过自身的等效电阻放电。对于固定的充电时间和放电时间，探针两端的充电电压由探针的RC特性决定，所以测量探针的充电峰值电压就可以计算出水层探针2的水层高度和土壤含水率探针1的土壤含水率。

检波二极管D1与滤波电容C3构成水层探针2的第一检波电路，用来测量水层探针2的充电峰值电压；检波二极管D2与滤波电容C4构成土壤含水率探针1的第二检波电路，用来测量土壤含水率探针1的充电峰值电压。处理器5内部集成的数模转换器ADC对第一检波电路输出的直流电压，转换成0～1023的数字信号，利用计算模块中的标定公式就可计算出水层的高度；数模转换器也对第二检波电路输出的直流电压，转换成0～1023的数字信号，并利用计算模块中的标定公式就可计算出土壤的含水率。

Claims (5)

1.一种稻田水分传感器，其特征在于包括外壳(3)、设置于外壳(3)底部的土壤含水率探针(1)、贴于外壳(3)两侧的水层探针(2)、及设于外壳(3)内部的检测电路(4)，该检测电路(4)向土壤含水率探针(1)及水层探针(2)发出脉冲方波激励信号并接收土壤含水率探针(1)和水层探针(2)的充电电压的峰值信号；

所述水层探针测量水层高度。

2.根据权利要求1所述的稻田水分传感器，其特征在于：水层探针(2)的触发端及接地端平行贴在外壳(3)两侧。

3.根据权利要求2所述的稻田水分传感器，其特征在于：水层探针(2)的底部与外壳(3)底部具有一小距离。

4.根据权利要求3所述的稻田水分传感器，其特征在于：水层探针(2)测量时其底部与土壤表面相接触，顶端高出稻田水面。

5.根据权利要求4所述的稻田水分传感器，其特征在于：土壤含水率探针(1)的触发端与接地端平行间隔设置。

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