CN102890104B - 一种栽培基质水分电容传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种栽培基质水分电容传感器，包括用于敏感栽培基质水分PCB制作的长条电容式探头、用于测量探头电容大小的C/V转换电路主板及密封橡胶外壳、输入输出接口电缆；电容式探头由两条等长长条印刷电路板构成，与C/V转换电路主板为一体结构。所述C/V转换主板由电源控制模块、C/V转换模块和差分电压转换模块组成。所述C/V转换模块还自带一路温度输出信号。本发明是一种结构简单、加工方便、尺寸小、成本低、精度高，可有效减小电导影响，便于插入栽培基质中并具有一路温度信号输出的测量栽培基质水分的电容式传感器。

Description

一种栽培基质水分电容传感器

技术领域

本发明涉及一种栽培基质水分电容传感器，尤其涉及一种基于固定频率下测量插入栽培基质中探头电容参数大小的水分电容传感器。

背景技术

我国是一个缺水的农业大国，高效用水受到人们越来越多的关注。随着我国无土基质栽培技术的迅速推广，在栽培基质中进行精确的灌溉控制也逐渐受到重视，而栽培基质的水分精确测量则是实现水分精确灌溉与控制的必要前提，因此设计一种适合我国国情的低成本、低功耗、高精度的适用于栽培基质水分测量的传感器具有现实意义。

目前科技工作者对栽培基质水分的测量一般都采用现有的测量土壤水分的商业化仪器或传感器进行。根据测量原理，能实现土壤水分实时测量方法主要有：TDR(时域反射法)、FDR（频域反射法)、SWR(驻波率法)和电容法。但他们都存在各自的不足之处：

测量精度较高的TDR法是由液体介电特性测定发展而成的，它是通过对高速电磁脉冲传输反射信号的解译来测定土壤的介电特性。由于这一技术涉及高速电信号分析，技术十分复杂，使采用这一技术的仪器成本也很高，约10万元人民币，这些都极大地限制了该方法的推广应用。FDR法是测量一定频率下插入含水土壤探头导纳来确定含水土壤的介电常数，进而估计土壤水分。严格地说属于电容式水分传感器的一种。此测量方法精度相对较低，成本较高，约1万元人民币，性能能满足大多数的应用需求。SWR原理的土壤水分测量方法也属于土壤水分介电常数的测量，与TDR方法不同的是这种测量方法不再利用高速延迟线测量入射-反射时间差，而是测量它的驻波比，试验表明三态混合物介电常数的改变能够引起传输线上驻波比的显著变化。利用驻波比原理研制出的传感器在成本上可降到几百元人民币，但对农业推广应用，特别是搭建分布式水分多点测量网络系统而言，成本还是比较高。另外，基于TDR、FDR、SWR原理的土壤水分传感器都是采用不锈钢针式结构，在较高电导率的土壤中测量时误差大。

电容法是测量插入土壤中的电极的等效电容来测量土壤水分的，具有技术相对简单的优点，很早就受到人们广泛注意。如中国专利号CN1504745A公开了一种电容式探头是由表面涂有一层经高温烧结的具有绝缘和不吸水性陶瓷釉薄膜的两金属片构成。专利CN101694475B和CN201034964都类似地公开了一种将两设有绝缘隔离环的铜环电极套在中空绝缘棒上并将其装入 PVC管中可用于土壤剖面水分测量的电容式水分敏感装置。上述3个专利的探头存在制作麻烦或不适用于插入栽培基质并与之良好接触等不足。再则，此3个专利的电路设计原理都是通过以土壤为介质的等效电容作为谐振电路的一部分来实现测量电容大小的。由于在不同频率下，一定水分的栽培基质表现出不同大小的等效电容，因此采用谐振法测栽培基质水分必然存在系统误差。

发明内容

本发明是为了克服现有土壤水分测量传感器的缺点，针对栽培基质相对土壤的不同的理化性质，提供了一种结构简单、加工方便、尺寸小、成本低、精度高，可有效减小电导影响，便于插入栽培基质中并带有一路温度信号输出测量栽培基质水分的电容式传感器。

为了实现上述目的，本发明公开的一种栽培基质水分电容传感器，包括电容式探头、用于测量探头电容大小的C/V转换电路主板、密封橡胶外壳和输入输出接口电缆。所述C/V转换电路主板设于密封橡胶外壳内，并与输入输出接口电缆连接；所述电容式探头与C/V转换电路主板为一体结构；电容式探头由两条等长长条印刷电路板构成。

所述长条印刷电路板的特征是由普通电路板加工技术制作而成的双面板，双面板的上下表面进行完全覆铜处理，同一条长条印刷电路板上、下底面的覆铜通过一个过孔导通。

为了兼顾电磁场的穿透深度和信号强度，所述两条等长长条印刷电路板的宽度与它们之间的间距的比值在2-3之间。

所述长条印刷电路板末端设计成三角形，便于插入栽培基质。

所述C/V转换电路主板由电源控制模块、C/V转换模块和差分电压转换模块组成。

所述电源控制模块是指采用稳压芯片用来将外部供电电源转换为5V的稳压电源，为C/V转换电路元器件提供稳压源。

所述的C/V转换模块的功能是把以栽培基质为介质，两条长条双面印刷电路板为极板，所形成的电容Cmois参数转化成差分电压信号输出。

所述C/V转换模块核心器件为德国AMG公司生产的型号为CAV424的芯片，它是具有信号采集处理、差分电压输出功能的C/V转换集成芯片。

所述C/V转换集成芯片CAV424还自带一路8mV/K温度输出信号。

所述C/V转换集成芯片CAV424测量端的特点是以栽培基质为介质，两条长条印刷电路板为极板，所形成的电容Cmois并联一个与参考电容一样大小的电容。

所述差分电压转换模块其作用是将CAV424芯片的差分电压输出转化为单端电压输出。

其中，测量探头电容大小的C/V转换电路主板依次涂有防水胶及密封有橡胶外壳，即整个栽培基质水分传感器的电子器件均经过防水防潮、绝缘及导热性能良好的电路板防水胶水灌封处理后，再用橡胶外壳绝缘密封，以便能将传感器埋入栽培基质中进行长时间测量工作。

本发明设计的有意效果：仅仅使用了简单的PCB加工技术、C/V转换CAV42芯片以及一些简单的元器件，没有使用传统的土壤电容式水分传感器的种种复杂电路，研制了一种适合栽培基质水分测量的电容传感器。其具有成本低，性能稳定，输入输出接口简单等优点，并且自带一路温度输出信号，便于二次仪器开发进行温度校正和补偿，可进一步提高测量精度。

附图说明

图1 是平面电容传感器的物理模型。

图2是平面电容电场分布示意图。

图3是传感器整体结构示意图。

图4是实施例电路原理图。

其中，1是电容式探头，2是C/V转换电路主板，3是密封橡胶外壳，4是输入输出接口电缆。

具体实施方式

以下结合具体的附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

本实施例的测量原理：电容法测量含水率主要是根据被测物相对介电常数变化引起电容值变化这一规律来实现的。栽培基质可以看做空气、干基质和水组成的多孔介质。在100MHz的电磁频率下，水的相对介电常数约为80，干基质的相对介电常数约为2-6，而空气的相对介电常数约为1。可见，含水土壤的介电常数主要应由水的含量来决定。通过测量土壤的相对介电常数即可达到测量土壤体积含水率的目的。

图1是平面电容传感器的物理模型。其中L为极板长，b为极板宽度, a为极板间距，理想情况下认为极板足够薄，厚度不计，足够长，忽略边缘效应。图2是同面散射场式电容传感器电场分布示意图。采用单元积分法计算同面散射场的电容，电容敏感元件之微小面积增量(ΔF= LΔx)上形成的电容值，按图2所示的电场线，用近似半圆弧形线代替(也可用近似椭圆形线代替)，电容计算公式是

                                                         (1)

式中:ε0为真空介电常数；εr 为介质的相对介电常数；A为极板面积；d为极板间距。

近似有                                 (2)

总电容量                         (3)

由式(3)看出，在L一定的情况下,灵敏度主要决定于极板宽度和间隙的比值b/a，比值越大，探测灵敏度越高，但是还要兼顾探测深度。由理论分析得知，极板间的电场穿透深度与相邻极板的中心距离成正比。当沿极板法向深度超过2/3极板中心距a +b时，可认为有效电场强度为零。电容器两极板的中心距离越大，其电场辐射范围越大，测深越大，但间距增大，其灵敏度下降，这就需要在L一定时，选择合适的b/a，在探测灵敏度较高的情况下获得满足要求的探测深度。为了能设计出具有理想测深和信号强度的传感器探头，在上述理论分析的基础上，用Maxwell建模仿真，仿真结果表明b/a在2-3之间效果最好。

如图3所示，为本发明栽培基质水分电容传感器整体结构示意图。从结构示意图看，本发明包括用于敏感栽培基质水分的电容式探头1、测量电容式探头电容大小的C/V转换电路主板2、密封橡胶外壳3和输入输出接口电缆4。

所述的电容式探头1由两条等长的长条印刷电路板组成。

所述两条等长的长条印刷电路板与C/V转换电路主板2为一体结构。

所述两条等长的长条印刷电路板的特征是由普通电路板加工技术制作而成的双面板，双面板的上下表面进行完全覆铜处理，同一条长条印刷电路板上下底面的覆铜通过一个过孔导通。

为了兼顾电磁场的穿透深度和信号强度，所述两条长条印刷电路板的宽度与它们之间的间距的比值在2-3之间。

所述长条印刷电路板1末端设计成三角形，便于插入栽培基质。

所述C/V转换电路主板2由电源控制模块、C/V转换模块和差分电压转换模块组成。

所述电源控制模块是指采用稳压芯片用来将外部供电电源转换为5V的稳压电源，为C/V转换电路元器件提供稳压源。

所述的C/V转换模块的功能是把以栽培基质为介质，两条长条印刷电路板为极板，所形成的电容Cmois参数转化成差分电压信号输出。

所述C/V转换模块核心器件为德国AMG公司生产的型号为CAV424的 C/V转换集成芯片。CAV424具有较大的应用灵活性，是一个多用途的处理各种电容式传感器信号的完整的转换接口集成电路，它同时具有信号采集(相对电容量变化)处理和差分电压输出的功能。CAV424能够测量出一个被测电容和参考电容的差值。它可以检测10pF到2nF的电容值(即参考电容值的5%到100%的变化范围)。它的电压输出级是一个可达Vmax=±1.4V的差分信号，可以较方便地进行后续处理。

CAV424的工作原理是:一个通过电容COSC频率可调的参考振荡器驱动二个构造对称的积分器并使它们在时间和相位上同步。二个被控制的积分器的振幅是由电容Cr 和Cm来决定，这里Cr 作参考电容而Cm 作为测量电容。由于积分器具有很高的共模抑制比和分辨率，所以二个振幅的差值所提供的信号就反映出二个电容Cr 和Cm的差值。这个电压差值通过后面的有源滤波器滤波为直流电源信号（整流效应），然后送到可调的放大器，调整Rl端外接电阻的值，可得到所需要的输出电压值。如果二个电容Cr 和Cm值相同，那么经过整流和滤波得到的一个直流电压信号就是零。如果测量电容Cm 改变了ΔCm，那么得到的输出电压与之是成正比的。如果二个电容Cr 和Cm 值不相同，那么当ΔCm=0时，在输出端得到的是一个偏置值，它始终是叠加在直流电压信号上的。

CAV424的频率可调的参考振荡器的振荡频率如下式所示:

其中振荡器电容取值应尽量满足:Cosc= 1.6Cr，ΔVosc 是参考振荡器的输出电压峰谷值之差，它是由内置电阻定义并且有一个固定电压值2.1V。从上式可见，CAV424的振荡频率是由参考电容、外接电路等因素确定，在测量过程中是个恒定值。因此，可以解决稳频的问题，保证了测量过程中栽培基质介电常数的恒定性。

所述C/V转换集成芯片测量端即以栽培基质为介质，两条长条印刷电路板为极板，所形成的电容Cmois并联一个与参考电容一样大小的电容，使得Cm等于Cmois和Cr之和。

所述差分放大输出电路是指具有差动放大功能的集成运放及外围电路，经差分放大电路将CAV424 差动输出转化为单端电压输出。

所述C/V转换集成芯片CAV424自带温度传感器器，端口7为一路8mV/K温度输出信号，可用于温度校正。

所述C/V转换集成芯片CAV424测量端的特征是以栽培基质为介质，两条长条印刷电路板为极板，所形成的电容Cmois并联一个与参考电容一样大小的电容，使得CAV424端口5和端口6的差分输出电压恒为正。

所述差分电压转换模块其作用是将CAV424芯片的端口5和端口6的差分电压输出转化为单端电压输出。

其中，测量探头电容大小的C/V转换电路主板依次涂有防水胶及密封有橡胶外壳，即整个栽培基质水分传感器的电子器件均经过防水防潮、绝缘及导热性能良好的电路板防水胶水灌封处理后，再用橡胶外壳绝缘密封，以便能将传感器埋入栽培基质中进行测量工作。

接线电缆4为相互屏蔽的四芯线，分别为电源输入线、地线、C/V转换信号输出线和温度信号输出线，用于为传感器提供电源输入接口和测量信号输出接口。

实施例

采用protel99se软件设计栽培基质水分传感器电路原理和PCB板结构。实施例电路板尺寸如图3所示。

其中长条印刷电路板有效覆铜长为90mm，间距为5mm，两条长条印刷电路板的宽度与它们之间的间距的比值约2，长条印刷电路板末端设计成等腰之间三角形。根据栽培干基质到饱和介电常数在3-80范围内，可以估算出两长条印刷电路板之间的电容大小范围在3-65pF之间。

图4为实施例电路原理图,也即所述的C/V转换电路。LM7805为电源控制模块，为C/V转换电路元器件提供稳压源。CAV424芯片为C/V转换模块的核心器件，电容Cmois为以栽培基质为介质，两条长条印刷电路板为极板，所形成的电容，也就是本电路要测量的量；Cr为参考电容器；Cfix为一固定的电容，其值与Cr相等，与Cmois之和构成测量电容器Cm，即可通过电路测量出相对参考电容值5%―100%的变化电容值；Cosc为确定频率的参考振荡器电容；Cl1、Cl2为芯片外接的以组成滤波器的电容；Rl1、Rl2为调节输出差分电压增益的电阻；Rcxl、Rcx2、Rosc分别为调节芯片积分器电流的电阻；Cvm为负载电容，以稳定一固定2.5V电压的输出；5脚输出电压Vout与6脚固定的2.5V电压输出构成输出，其差分大小与被测电容量Cmois成线性对应关系。AD623芯片及外围元器件构成了差分电压转换模块。AD623是一款集成式单电源、轨到轨、低成本仪表放大器，具有差分电压放大功能的集成运放。R1,R2为限流电阻，R3为增益调节电阻，它将CAV424 差分输出转化为合适的单端电压输出。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本实发明技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种栽培基质水分电容传感器，包括电容式探头（1）、用于测量探头电容大小的C/V转换电路主板（2），其特征在于所述C/V转换电路主板设于密封橡胶外壳（3）内，并与输入输出接口电缆（4）连接；所述电容式探头（1）与C/V转换电路主板（2）为一体结构；电容式探头（1）由两条等长长条印刷电路板构成,所述两条等长长条印刷电路板在同一个平面内,两条长条印刷电路板的宽度与它们之间的间距的比值位于2-3之间。

2.根据权利要求1所述的栽培基质水分电容传感器，其特征在于所述两条等长长条印刷电路板是上下表面完全覆铜的双面板，同一条长条印刷电路板上下双面的覆铜通过一个过孔导通。

3.根据权利要求1所述的栽培基质水分电容传感器，其特征在于所述C/V转换电路主板（2）由电源控制模块、C/V转换模块和差分电压转换模块组成。

4.根据权利要求3所述的栽培基质水分电容传感器，其特征在于所述C/V转换模块自带一路温度输出信号。

5.根据权利要求3或4所述的栽培基质水分电容传感器，其特征在于所述C/V转换模块是把以栽培基质为介质，两条长条双面印刷电路板为极板，所形成的电容Cmois参数转化成差分电压信号输出。

6.根据权利要求5所述的栽培基质水分电容传感器，其特征在于所述差分电压转换模块是用于将差分电压输出转化为单端电压输出。