CN102435645A

CN102435645A - 一种无土栽培基质含水量、电导率检测方法及其传感器

Info

Publication number: CN102435645A
Application number: CN2011104474107A
Authority: CN
Inventors: 张西良; 李萍萍; 赵丽娟; 吴凯; 路欣; 盛庆元; 胡永光
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: CN102435645B

Abstract

本发明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，该方法采用的信号采集和调理电路分时测量基质的电导率和含水量，并根据电导率的测量结果对含水量的测量值进行校正；该传感器由电源模块、电导率激励模块、极性传感器探针、含水量信号调理电路、电导率信号调理电路、无线单片机模块组成。两个极性传感器探针组成含水量和电导率电容传感器，无线单片机控制电导率激励模块产生激励信号，激励信号作用于极性探针，通过电导率信号调理模块进行信号调理，得到两路与基质电导率有关的电压信号，通过信号处理控制单元无线单片机进行数据采集、处理，得到电导率的值；高频工作频率下，无线单片机对含水量信号调理电路输出信号进行处理，并由电导率值对其补偿得到含水量值。本发明能准确测量基质的含水量和电导率，可广泛用的温室基质无土栽培中。

Description

一种无土栽培基质含水量、电导率检测方法及其传感器

技术领域

本发明涉及一种无土栽培基质含水量、电导率检测方法及其无线传感器，尤其涉及基于基质的介电特性和电容的电学性质的一种可分时测量基质含水量、电导率的检测方法及其无线传感器，主要用于对无土栽培过程中基质的含水量和电导率检测，也可用于对土壤、粮食等颗粒或粉末状物质的含水量检测。

背景技术

无土栽培中基质的水分和养分是植物生长的必须条件，决定着作物品质。基质的含水量和电导率可反映基质中水分和养分的含量，是对基质中盐分、有机含量、基质质地结构和孔隙率等基质信息的综合反映。因此有效获取基质含水量、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。

由于基质与土壤的物理、化学及生物性质存在很大差别，且各种基质的理化性状也存在很大的差异，目前普遍使用的土壤含水量、电导率检测传感器及其检测仪对基质适应性差，检测误差大，而专用基质含水量、电导率检测传感器及其检测仪缺乏，对其研究较少。发明人前期公开了一种基质湿度、电导原位检测仪(发明专利CN102072925A)，采用“电流-电压”四电极法测量电导率，同时采用其中两电极测量含水量，并依据盐分与含水量和电导的关系，得到基质盐分，结构简单，可同时实现含水量、电导和盐分的测量；前期公开了一种无土栽培基质水分、养分无线监控系统（发明专利CN101937221），基于基质湿度、电导原位检测复合传感器，构建基质无线传感器网络，其监控网络配置灵活，与无土栽培装置集成方便，监控自动化程度高。但是基于以上的测试仪器和系统对不同基质检测适应性差，检测稳定性和准确性有待提高。

目前较成熟的土壤含水量测量方法有时域反射仪法、频域反射仪法。他们根据介电理论测定土壤含水量，具有较高的精度。时域反射仪具有受土壤质地影响小、无辐射等特点，但是时域反射法最大的缺点是，电路复杂，价格昂贵。频域反射仪具有几何形状设计和工作频率的选择自由度大的特点，可在低频工作，测定土壤的含水量。但是频域反射仪法受土壤质地影响复杂，安装过程对测量结果有影响，传感器体积大。

目前电容式含水量传感器的研究有：胡建东(土样含水量快速测定传感器技术研究，仪器仪表学报，2003（02），142-145)等从低成本快速测试的目标出发提出了实现土壤含水量测试的电容传感器技术、传感器结构和原理。丁英丽（基于电容式传感器的粮食水分测量仪，传感器技术，2003（04）,54-56）研究了电容式传感器的原理和含水介质导电浴盆效应的基础上提出了用电容传感器来测量粮食含水量的原理。翟宝峰等（检测粮食水分用的电容式传感器，传感器技术，2003（02）,29-31）介绍了用于现场粮食含水量检测的电容传感器，并对传感器的结构进行了优化计算，分析了该电路的原理，对粮食样品得出具体检测数据。王晓雷（附加电阻高频电容法土壤含水量传感器的研究，河南农业大学学报，2008（06）,689-692）等分析高频电容土壤含水量传感机理，建立了附加电阻高频土壤含水量数学模型，消除了电导引起的误差，能够准确测定土壤含水量。施阁（基于边缘电场的电容式土壤含水量检测仪，农机化研究，2009（11），86-89）等研究了一种基于边缘电场的电容式土壤含水量检测仪，具有不破坏原土结构，电极稳定性好等优点，通过参数优化能够实现在线动态检测不同分布位置的土壤含水量，适合于地址灾害预警和农业科学生产等监测。综上，电容传感器在土壤含水量测量中已有研究与应用，但检测结果受土壤质地、容重、温度等影响，测量精度和准确性较低。

目前较成熟的土壤电导率的检测方法有“电流-电压”四电极法和电磁感应法，电流电压四电极法实现简单，但受温度和含水量的影响。实用新型专利一种土壤电导率实时检测仪（CN2627503），其体积大，便携性差。电磁感应法测量速度快，国外已研制出以磁感应为原理的电导率仪EM38。但在在实际使用中,测量结果受田间的土壤的温度、湿度、质地、含盐量等因素的影响。

土壤含水量、电导率复合式传感器有TDR分解法和FD定频分解法：TDR是利用高频电磁波沿波的传播和反射时间来确定土壤的含水量, 根据能量的衰减来测量介质的电导率。但在高电导率下，TDR方法因为信号衰减过大，无法测量土壤含水量。FD定频分解法：因为相角太小，无法准确得到含水量与电导率。发明专利一种基于介电理论、基于频域方法的同时测量土壤含水量和电导率的方法及传感器（CN1719245A）提出了一种同步实施测量土壤含水量、电导率的多频率导纳分解的方法，克服FD方法测量土壤含水量受电导率的影响与电导率测量受含水量影响的不足。这种方法建立在时域反射仪法测含水量与频域反射仪法测含水量基础上，电路复杂、价格昂贵，不适合推广应用。

综上所述，目前适合无土栽培的基质含水量、电导率在线检测传感器缺乏；较成熟的时域反射仪法和频域反射仪法测量土壤含水量，存在电路复杂、价格昂贵或者受土壤质地影响复杂等问题；普通的电容式土壤含水量传感器具有低成本和快速等优点，常用的“电流-电压”四电极法和电磁感应法检测土壤电导率的方法实现简单，但测量结果均易受测试对象和环境的因素影响，准确性不高；在含水量和电导率复合式传感器方面，往往检测范围有限，检测电路复杂、价格昂贵，不适合推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种适应性和准确性好，适合我国目前基质栽培现状、可用于构建无线传感器检测网络的基质含水量、电导率检测方法。

本发明的另一目的是提供一种体积较小、性价比高、测量误差小的基质含水量、电导率检测的传感器。

本发明的技术方案是：一种无土栽培基质含水量、电导率检测方法，将电容接入电路中，电容变化引起频率变化，通过测定频率的变化值得到基质含水量，通过低频激励频电容传感器测量其阻抗变化得到电导率，其具体步骤为：采用低频激励基质电容传感器，测量电容值，利用精密电阻分解介电常数的虚部，得到基质的电导率；采用高频工作频率，测量电容值，得到基质含水量；

复介电常数可表示为：，实部

表示理想情况下的等效介电常数，而虚部

Figure 2011104474107100002DEST_PATH_IMAGE003

表示电导等因素引起的电磁能量的损耗。

进一步，测量基质含水量时结合电导率的测量结果，对含水量测量值进行校正，其校正过程是用BP神经网络仿真函数，将电导率和含水量的检测值、含水量的真实值作为训练样本得到补偿函数。

一种无土栽培基质含水量、电导率检测传感器，包括电源模块、极性传感器探针、电导率激励模块、含水量信号调理电路、电导率信号调理电路和单片机模块，并绝缘封装在壳体中；所述电导率激励模块、含水量信号调理电路、电导率调理电路和单片机模块由电源模块供电；所述含水量信号调理电路和电导率信号调理电路的输入分别与所述极性传感器探针连接，其输出分别与所述单片机模块连接；所述电导率激励模块分别与单片机模块和电导率信号调理电路连接；所述单片机控制所述含水量信号调理电路和电导率信号调理电路采用不同工作频率分时工作。

进一步，所述单片机模块具有无线通讯功能，可进行无线收发数据，具有8路转换位可选的8-14位ADC，直接对信号调理电路的电压信号进行采集、处理和传输；所述单片机模块在含水量测量值信号处理过程中，根据检测到的电导率的值，依据线性补偿方法，对含水量测量值进行校正。

进一步，所述极性传感器探针由支架、螺母、第一探针、螺母、第二探针组成；所述第一探针、第二探针材料为不锈钢，长度为30mm-50mm，其之间留有间隔，组成为电容传感器的两个电极；所述第一探针、第二探针分别固定在支架上。

进一步，所述含水量的测量工作频率在20MHz，由LC振荡电路产生；基质电导率测量交流激励信号频率在200Hz 。

进一步，所述含水量信号调理包括前端振荡电路、频率发生器、乘法混频器、限幅放大器、鉴频器和低通滤波器；所述前端振荡电路为由基质含水量决定的电容和振荡器组成一个的调频电路，输出可变的频率信号，所述频率发生器产生固定的频率信号；所述前端振荡电路产生的可变频率信号通过乘法混频器与频率发生器产生的固定的频率信号进行差频，差频后的频率信号经过限幅放大器、鉴频器和低通滤波器输出到所述单片机模块的稳定电压信号。

进一步，所述电导率信号调理电路由低通滤波器、作为采样元件的精密电阻和检波电路组成；电导率激励模块提供的交流激励电源信号通过精密电阻接在电容的极性探针上，在精密电阻两端取样，取样信号经过全波整流平均值电路检波电路，将交流信号转化为可供所述单片机模块采集的直流信号。

本发明与现有土壤含水量、电导率检测方法及其传感器相比，有益效果为：基质含水量和电导率的测量过程中相互影响小、通过对不同基质标定后，测量精度高；测量时间短；采用无线单片机作为信号处理控制单元，可用于构建无线检测网络，在无土栽培生产方面具有广泛的应用前景。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1是无土栽培基质含水量、电导率无线传感器组成结构图；

图2是基质含水量、电导率检测极性探针结构图；

图3是含水量信号调理电路示意框图；

图4是电导率信号调理电路示意框图；

图5是CC2430无线单片机信号处理控制单元程序流程图；

图6是电导率检测处理程序流程图；

图7是含水量检测处理程序流程图；

图8是前端振荡电路的示意图。

具体实施方式

本发明所述的基质含水量、电导率检测方法，其实质是一种介电常数测定方法，基本原理是：由于基质介电常数与水的介电常数存在很大差异（水的介电常数为80，其他物质小于5），基质中含水量的变化将导致含水基质介电常数的变化，介电常数变化导致电容变化，将电容接入电路中，电容变化引起频率变化，通过测定频率的变化值得到基质含水量和电导率。在交变电场中，用复介电常数表示基质的介电性能，相对复介电常数可表示为：

，实部

Figure 2011104474107100002DEST_PATH_IMAGE005

表示理想情况下的等效介电常数，而虚部

表示电导等因素引起的电磁能量的损耗。由于低频时虚部损耗

Figure 2011104474107100002DEST_PATH_IMAGE007

主要由电导引起，因此采用低频激励基质电容传感器，测量电容容值，利用精密电阻分解介电常数的虚部，得到基质的电导率；高频时虚部影响较小，因此采用高频激励基质电容传感器，测量电容容值，得到基质含水量；在测量时由于虚部损耗的影响，将使含水量测量值产生偏差，为此结合电导率的测量结果，对含水量测量值进行校正，提高基质含水量测量结果的准确性。

如图1所示，无土栽培基质含水量、电导率的无线传感器，主要由电源模块、极性传感器探针、电导率激励模块、含水量信号调理电路、电导率信号调理电路、CC2430无线单片机模块组成，并绝缘封装在壳体中。

电导率激励模块、含水量信号调理电路、电导率调理电路和CC2430无线单片机模块由电源模块供电；采用不同工作频率，通过不同的信号调理电路分时工作，测量基质的含水量和电导率。基质含水量的测量工作频率在20MHz左右，由LC振荡电路产生；基质电导率测量交流激励信号频率在200Hz左右，通过CC2430无线单片机模块控制，由精密函数发生器ICL8038芯片产生。

如图2所示，极性传感器探针由支架1、螺母2、第一探针3、螺母4、第二探针5等组成；第一探针3、第二探针5之间间隔约30mm(可变)，第一探针3、第二探针5分别作为电容传感器的两个电极，组成电容传感器；第一探针3、第二探针5的材料为不锈钢，长度为30mm-50mm，尾部有轴肩和螺纹；支架1与第一探针3、第二探针5分别通过第一螺母2、第二螺母4与第一探针3上的轴肩31、第二探针5上的轴肩51拧紧，使得第一探针3、第二探针5固定在支架1上。

如图3所示，含水量信号调理电路由前端振荡电路、频率发生器、乘法混频器、限幅放大器、鉴频器和低通滤波器组成；前端振荡电路为由基质含水量决定的电容和振荡器组成一个的调频电路，输出可变的频率信号，频率发生器产生固定的频率信号；前端振荡电路产生的可变频率信号通过乘法混频器与频率发生器产生的固定的频率信号进行差频，差频后的频率信号经过限幅放大器、鉴频器和低通滤波器输出可供具有ADC的信号处理单元处理的稳定电压信号。通过差频可降低频率信号的频率，以降低电路的设计要求。限幅放大器可使鉴频器的输入信号幅度恒定，消除鉴频器转换过程中信号幅值对测量结果的影响。鉴频器把频率信号转化为电压信号。

如图4所示，电导率信号调理电路由低通滤波器、作为采样元件的精密电阻和检波电路组成；电导率激励模块提供的交流激励电源信号通过精密电阻接在电容的极性探针上，在精密电阻两端取样，取样信号经过全波整流平均值电路检波电路，将交流信号转化为可供信号处理控制单元采集的直流信号。

信号处理控制单元采用CC2430无线单片机，该单片机具有无线通讯功能，可进行无线收发数据，具有8路转换位可选的8-14位ADC，直接对信号调理电路的信号进行采集。CC2430无线单片机模块与信号调理电路和电导率激励模块的连接关系为：含水量信号调理电路输出的一路电压信号、电导率信号调理电路输出的两路电压信号与配置成ADC输入的P0口相应位连接，作为CC2430的输入；CC2430的一位输出端口通过驱动电路与精密函数发生器ICL8038连接，控制ICL8038产生交流激励电源信号。

CC2430无线单片机测量电导率工作过程是：由CC2430无线单片机控制电导率激励模块产生激励信号，作用于极性探针；通过电导率信号调理模块进行信号调理，得到两路与基质电导率有关的电压信号；CC2430无线单片机通过ADC转换采集两路电压信号，并进行数据处理，得到电导率的值。

CC2430无线单片机测量含水量的工作过程是：通过含水量信号调理电路对电容传感器信号调理，测量其阻抗；CC2430无线单片机对含水量信号调理电路的输出电压进行采集，并进行含水量测量值的计算和电导率对含水量测量值的校正。

如图5所示， CC2430无线单片机工作主程序为：程序初始化后，监听是否有无线检测的命令，如果有无线检测命令，先进行电导率检测，后进行含水量的检测，并通过电导率的检测结果对含水量测量值进行校正。

如图6所示，CC2430无线单片机的电导率检测处理子程序是：CC2430的电导率工作控制位为0，使其通过驱动电路控制精密函数发生器ICL8038工作，延时1秒钟使信号稳定，调用ADC采样程序采集两路与电导率有关的电压信号，最后通过计算得到电导率。

本发明所述的电导率测量值具体计算公式如下：

(1) 复介电常数可表示为：

(1)

因此电导率的测量可等效为测量与电容并联的电导的大小。虚部可表示为：

Figure 2011104474107100002DEST_PATH_IMAGE009

(2)

其中，

为电场频率即精密函数发生芯片产生的电压信号的频率，

Figure 2011104474107100002DEST_PATH_IMAGE011

为真空介电常数，

为介电损耗。选择低频测量电导率以降低介电损耗的影响。

(2) 电导率检测回路的电流值为：

Figure 2011104474107100002DEST_PATH_IMAGE013

(3)

其中，

，

Figure 2011104474107100002DEST_PATH_IMAGE015

为检波电路得到直流电压值，

为精密电阻的阻值。

(3) 基质的电导为：

Figure 2011104474107100002DEST_PATH_IMAGE017

(4)

其中，

为有精密函数发生芯片产生的交流电压信号的有效电压值。

(4)基质的电导率可表示为：

Figure 2011104474107100002DEST_PATH_IMAGE019

(5)

其中，

为与探针间距有关的常数。

综上可得到电导率计算公式为：

Figure 2011104474107100002DEST_PATH_IMAGE021

如图7所示，CC2430无线单片机的含水量检测处理子程序的特征在于：调用ADC采集程序，采集与含水量有关的一路电压信号，通过电导率补偿函数对含水量的测量值进行校正。

本发明所述的含水量检测值具体计算公式为：

(1) 基质与水的混合物的相对介电常数为：

(6)

其中，x为含水量的体积含量，

Figure 2011104474107100002DEST_PATH_IMAGE023

为含水量的相对介电常数，

的相对介电常数。

（2）传感器探针组成的电容值为：

Figure 2011104474107100002DEST_PATH_IMAGE025

(7)

其中，

为探针的长度，a 为探针的半径，b并为两探针间的轴心距离，

Figure 2011104474107100002DEST_PATH_IMAGE027

为真空介电常数，相对介电常数。

（3）如图8所示为本发明的前端振荡电路的示意图，振荡频率

由

Figure 2011104474107100002DEST_PATH_IMAGE029

，

，

决定，其中，

是与振荡电路有关的等效电容，作用是当传感器变化时，使传感器电容值变化量引起的振荡频率

的变化，

Figure 2011104474107100002DEST_PATH_IMAGE033

，

为频率发生器产生的固定的频率信号。

振荡电路的等效电容为：

Figure 2011104474107100002DEST_PATH_IMAGE035

(8)

振荡频率

为：

(9)

（4）利用频率电压转换芯片将小于1M的频率信号转化为与频率成正比的电压信号，电压信号的范围为可供无线单片机处理的0-1.8V电压信号。转化公式为：

Figure 2011104474107100002DEST_PATH_IMAGE037

(10)

综合上述可得含水量含量的计算公式为：

(11)

其中，A为与传感器几何参数有关的常数

Figure 2011104474107100002DEST_PATH_IMAGE039

。

本发明所述的无土栽培基质含水量、电导率无线传感器，其电导率对含水量补偿函数建立过程是：在补偿实验中得到训练样本，利用Matlab环境下神经网络工具箱提供的BP神经网络仿真函数，将电导率和含水量的检测值、含水量的真实值作为训练样本得到补偿函数。其具体补偿实验为：室温条件下（20℃），在5-8个烧杯中配置相同体积不同浓度的NaCl溶液，将烧杯中的溶液倒入相同的装有等量的相同烘干基质的实验桶内，并使其混合均匀；用所设计的基质-含水量、电导率无线传感器测量电导率的值和不同电导率下的含水量的值。

Claims

1.一种无土栽培基质含水量、电导率检测方法，其特征在于，将电容接入电路中，电容变化引起频率变化，通过测定频率的变化值得到基质含水量，测量低频激励频电容传感器测量其阻抗变化得到电导率，其具体步骤为：采用低频激励基质电容传感器，测量电容值，利用精密电阻分解介电常数的虚部，得到基质的电导率；采用高频工作频率，测量电容值，得到基质含水量；

复介电常数表示为：

，实部

表示理想情况下的等效介电常数，虚部

表示电导等因素引起的电磁能量的损耗。

2.根据权利要求1所述的一种无土栽培基质含水量、电导率检测方法，其特征在于，测量基质含水量时结合电导率的测量结果，对含水量测量值进行校正，其校正过程是用BP神经网络仿真函数，将电导率和含水量的检测值、含水量的真实值作为训练样本得到补偿函数。

3.一种无土栽培基质含水量、电导率检测传感器，其特征在于，包括电源模块、极性传感器探针、电导率激励模块、含水量信号调理电路、电导率信号调理电路和单片机模块，并绝缘封装在壳体中；所述电导率激励模块、含水量信号调理电路、电导率调理电路和单片机模块由电源模块供电；所述含水量信号调理电路和电导率信号调理电路的输入分别与所述极性传感器探针连接，其输出分别与所述单片机模块连接；所述电导率激励模块分别与单片机模块和电导率信号调理电路连接；所述单片机控制所述含水量信号调理电路和电导率信号调理电路采用不同工作频率分时工作。

4.根据权利要求3所述的一种无土栽培基质含水量、电导率检测传感器，其特征在于，所述单片机模块具有无线通讯功能，可进行无线收发数据，具有8路转换位可选的8-14位ADC，直接对信号调理电路的电压信号进行采集、处理和传输；所述单片机模块在含水量测量值信号处理过程中，根据检测到的电导率的值，依据线性补偿方法，对含水量测量值进行校正。

5.根据权利要求3所述的一种无土栽培基质含水量、电导率检测传感器，其特征在于，所述极性传感器探针由支架（1）、螺母（2）、第一探针（3）、螺母（4）、第二探针（5）组成；所述第一探针（3）、第二探针（5）材料为不锈钢，长度为30mm-50mm，其之间留有间隔，组成为电容传感器的两个电极；所述第一探针（3）、第二探针（5）分别固定在支架（1）上。

6.根据权利要求3所述的一种无土栽培基质含水量、电导率检测传感器，其特征在于，所述含水量的测量工作频率在20MHz，由LC振荡电路产生；基质电导率测量交流激励信号频率在200Hz 。

7.根据权利要求3所述的一种无土栽培基质含水量、电导率检测传感器，其特征在于，所述含水量信号调理包括前端振荡电路、频率发生器、乘法混频器、限幅放大器、鉴频器和低通滤波器；所述前端振荡电路为由基质含水量决定的电容和振荡器组成一个的调频电路，输出可变的频率信号，所述频率发生器产生固定的频率信号；所述前端振荡电路产生的可变频率信号通过乘法混频器与频率发生器产生的固定的频率信号进行差频，差频后的频率信号经过限幅放大器、鉴频器和低通滤波器输出到所述单片机模块的稳定电压信号。

8.根据权利要求3所述的一种无土栽培基质含水量、电导率检测传感器，其特征在于，所述电导率信号调理电路由低通滤波器、作为采样元件的精密电阻和检波电路组成；电导率激励模块提供的交流激励电源信号通过精密电阻接在电容的极性探针上，在精密电阻两端取样，取样信号经过全波整流平均值电路检波电路，将交流信号转化为可供所述单片机模块采集的直流信号。