CN103743794B - 基于rc谐振原理的土壤水分传感器及含水量测量仪 - Google Patents
基于rc谐振原理的土壤水分传感器及含水量测量仪 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于RC谐振原理的土壤水分传感器，由自谐振电感和渗透膜构成，该传感器是利用渗透膜的介电常数变化，引起谐振电路的寄生电容变化来测量土壤中含水量。本发明解决现有土壤含水量检测设备用于泥石流监测存在的问题，专门针对用于对泥石流监测预警。本传感器利用渗透膜提取土壤水分，通过电路检测电感的RC谐振频率的大小就可以得到渗透膜的介电常数，最后得到土壤水分含量。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器，特别是一种用于泥石流预警监测的RC谐振原理的土壤水分传感器及利用该传感器的含水量测量仪。
背景技术
我国是个多地震多地质灾害的国家，近年来，在趋于增强的地震活动扰动下，加之全球气候变化导致的极端天气显著增加，泥石流活动异常活跃，重大泥石流灾害频繁发生，人民生命财产安全受到严重危害和威胁。特别是“5.12”汶川地震和四川省芦山县“4.20”地震发生后，地震次生灾害泥石流问题愈发突出。震后防不胜防的重大泥石流灾害已给灾区造成了严重的二次危害，成为震后恢复重建的重大障碍。近年来，我省连续发生大规模滑坡泥石流灾害，如2009年7.17都江堰虹口泥石流，2010年8.13汶川映秀，绵竹清平，都江堰虹口龙池泥石流，造成的人员伤亡失踪人数和直接经济损失也大幅度增加。
地震次生泥石流，最大规模的频发期一般在5-6年内，但是，其活动的历史可以长达数十年之久。鉴于地震次生灾害泥石流面积大，潜在灾害多，工程治理需要的周期较长，需要的经费极多，基于发展中国家的经济水平，我国中央、省和地方等各级政府的财力无法实现对各种潜在泥石流灾害进行全面治理。对于大量的泥石流，特别是超大规模的泥石流，监测预警是目前最经济有效的减灾手段，特别是可以避免大量的人员伤亡。2010年8月7－8日舟曲特大型泥石流灾害导致1765人死亡和失踪，其原因为工程治理失效，同时缺乏有效的监测预警。与其相比，2010年8月13－18日，四川清平文家沟等特大型泥石流暴发，泥石流携带600多万方松散固体物质威胁下游的村庄和河道，由于监测预警的有效应用，5000多人转移，死亡失踪仅12人。实践也证明所以监测预警是目前泥石流防灾减灾最有效的手段。
泥石流启动是指在降雨、渗透的作用下，土体因含水量增加、体积收缩、粘土颗粒膨胀而造成孔压上升导致其摩擦力降低，同时土体潜蚀导致粘滞力降低，最终促使土体强度降低并失稳液化产生泥石流的过程。土体强度的变化与土体含水量(土体饱和度)、土体颗粒级配(细颗粒含量)等密切相关。
现有泥石流监测手段有限，难以达到监测目的。目前国内对于泥石流预警方面主要手段有降雨量监测、水(泥)位监测和次声波监测，监测参数较为单一，难以达到理想效果。根据泥石流启动机理，目前国内学者开始尝试采用含水量监测泥石流的启动。土体含水量的监测主要是采用含水量传感器来实现，不过目前试验中采用的传感器均源于其他用途的传感器，测量精度不够、体积大、工作原理、达不动监测泥石流启动条件监测的效果。泥石流发生地的土体含水量检测，需要在同一地点同时检测不同深度土壤水分含量，以得到土壤垂直水分梯度分布，还要同时检测不同坡度、坡向和土地起伏(如凹处或凸出)引起的土壤水分变化。特别在暴雨期间和暴雨后几个小时，如果可以对各处地形和不同深度土壤水分变化进行连续准确测试，将对泥石流的形成条件和预警具有极大的指导意义。这就需要布置多个传感器，并且每个传感器都有自己的标号(代表自己的位置和深度)，同时还可以向一个数据处理终端发送采样回来的数据。
发明内容
本发明为了解决现有土壤含水量检测设备用于泥石流监测存在的问题，提出了一种土壤含水量传感器，专门针对用于对泥石流监测预警。本传感器利用渗透膜提取土壤水分，通过电路检测电感的RC谐振频率的大小就可以得到渗透膜的介电常数，最后得到土壤水分含量。
本发明是这样实现的，构造一种基于RC谐振原理的土壤水分传感器，其特征在于：由自谐振电感和渗透膜构成，该传感器是利用渗透膜的介电常数变化，引起谐振电路的寄生电容变化来测量土壤中含水量；所述电感线之间有寄生电容Ct的存在，和本身的电感组成一个LC并联的电路；寄生电容Ct一端等效连接到Ls,一端等效连接到电感的寄生电阻Rs；寄生电阻Rs连接到Ls的一端，Ls的另外一端连接到Ct；电感和电容组成的LC震荡电路其中一个特征值是谐振频率，这个谐振频率叫做电感的RC谐振频率，其大小为
其中Ls为电感，Ct为寄生电容，寄生电容的大小由电感线之间材料的介电常数、电感线之间的距离和电感线之间的正对面积共同决定，其计算公式为
其中为电感线之间材料的介电常数，随着土壤含水量变化 而变化；S是电感线之间的正对面积，固定不变；d是电感线之间的距离，固定不变，k是为静电力常量；当土壤水分变化时，导致电感线直接渗透膜的介电常数发生变化，导致寄生电容大小变化，从而使得电感的RC谐振频率发生变化，通过电路检测电感的RC谐振频率的大小就可以得到渗透膜的介电常数，最后得到土壤水分含量，该方法利用电感的特征值进行土壤水分检测，其稳定性和重复性很高，而且检测速度很快。
根据本发明所述的一种基于RC谐振原理的土壤水分传感器，其特征在于：RC谐振频率在100MHz；选择L电感为10uH，C是电容为5pF时，传感器的尺寸合适；电感设计为方形螺旋电感；电感和寄生电容的计算为：
。
根据本发明所述基于RC谐振原理的土壤水分传感器，其特征在于：渗透膜的制作：（1）选用KE-1300T硅橡胶用来制作RC谐振电感的渗透膜；KE-1300T通过添加10 %的CAT-1600固化剂就可以实现固化，使用很方便；（2）完成硅橡胶制备之后，接着是涂膜，使用涂膜器来控制硅橡胶膜的厚度，膜的厚度控制在200um到500um范围内效果最好。
根据本发明所述基于RC谐振原理的土壤水分传感器，其特征在于：传感器的尺寸：电感的外形尺寸为32mm，里面尺寸为20mm，电感8圈，电感线宽度为2mm，电感线之间的距离为0.1mm；通过电路检测电感的自谐振频率的大小就可以得到渗透膜的介电常数。
一种利用上述传感器的含水量测量仪，其特征在于：包括传感器和读取电路；所述读取电路包括MCU微处理器电路，扫频信号发生器f1，读取电感线圈天线L1，有效值转换电路和电压采样电路A1构成；所述自谐振渗透膜水分传感器包括等效电感线圈L2，电感线间寄生电容Cp和Rs寄生电感构成，由此，组成一个LC并联的电路；微处理采样控制电路MCU的扫频信号发生器f1产生一个扫描频率信号，f1的输出1脚连接到串联在扫描频率信号输出端的电阻Rs1的1脚；扫频信号发生器f1的输出2脚连接到读取天线L1的2脚；读取天线的串联电阻Rs1的2脚连接到读取天线L1的1脚；MCU控制电路的1脚，连接到扫频电路f1的3脚；有效值转换电路A1的1脚连接到电阻Rs1的2脚和L1的1脚；有效值转换电路和电压采样电路A1的2脚连接到L1的2脚和f1的2脚；有效值转换电路和电压采样电路A1的输出端连接到MCU控制电路的2脚；传感器电路电感L2的1脚连接到RS2的2脚，RS2的1脚连接到电容Cp的2脚，电容Cp的1脚连接到L2的2脚。
本发明的优点在于：本发明的效果是通过采用RC谐振原理的传感器监测土壤含水量方法，使得传感器体积小、无源、无需供电、抗干扰能力强，适合在监测泥石流的启动条件下埋设。当降雨时，能够通过监测浅层土壤内的含水量变化来实现预警泥石流灾害和通过分析含水量数据预测和预警泥石流灾害发生。
附图说明
图1是本发明电路原理图
图2是本发明传感器读取电路及传感器原理图
图3电感模型示意图
图4电感简单的等效电路示意图
图5传感器数据读取电路原理
其中 ，读取电路包括：MCU采样控制电路，f1扫频电路，L1读取电感线圈天线，A1有效值转换电路构成。传感器电路包括：等效电感线圈L1，电感线间寄生电容Cp和Rs寄生电感构成，由此，组成一个LC并联的电路。
具体实施方式
下面将结合附图1-5对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决现有土壤含水量检测设备用于泥石流监测存在的问题，提出了一种土壤含水量传感器，专门针对用于对泥石流监测预警。本发明专利提供一种用于泥石流监测的RC原理的土壤水分传感器。本传感器利用渗透膜提取土壤水分，通过电路检测电感的RC谐振频率的大小就可以得到渗透膜的介电常数，最后得到土壤水分含量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种RC谐振原理的土壤水分传感器是由RC谐振电感和渗透膜构成。利用渗透膜提取土壤中水分，再由RC谐振电感测出渗透膜介电常数，从而得到土壤中水分含量。
其原理为：电感线之间有寄生电容的存在，和本身的电感组成一个LC并联的电路。Ct是电感线之间的寄生电容，一端等效连接到Ls,一端等效连接到Rs。Rs是电感的寄生电阻，连接到Ls的一端，Ls的另外一端连接到Ct， Ls是等效电感。电感和电容组成的LC震荡电路其中一个特征值是谐振频率，这个谐振频率叫做电感的RC谐振频率，其大小为
其中Ls为电感，Ct为寄生电容，寄生电容的大小由电感线之间材料的介电常数、电感线之间的距离和电感线之间的正对面积共同决定，其计算公式为
其中为电感线之间材料的介电常数，随着土壤含水量变化 而变化；S是电感线之间的正对面积，固定不变；d是电感线之间的距离，固定不变，k是为静电力常量。当土壤水分变化时，导致电感线直接渗透膜的介电常数发生变化，导致寄生电容大小变化，从而使得电感的RC谐振频率发生变化，通过电路检测电感的RC谐振频率的大小就可以得到渗透膜的介电常数，最后得到土壤水分含量，该方法利用电感的特征值进行土壤水分检测，其稳定性和重复性很高，而且检测速度很快。
考虑到RC谐振电感的RC谐振频率如果太高，则频偏检测电路设计难度大；如果RC谐振频率太低，则谐振元件尺寸太大，不方便埋设到浅层土壤中。所以选定RC谐振频率在100MHz左右。
通过计算和对比，选择L为10uH，C为5pF时，传感器的尺寸合适。电感设计为方形螺旋电感。
电感和寄生电容的计算：
。
传感器电感的实际制作：通过计算得到实际设计的传感器，电感的外形尺寸为32mm，里面尺寸为20mm，电感8圈，电感线宽度为2mm，电感线之间的距离为0.1mm。
在计算好电感参数后，首先在Protel软件里画好电感的PCB图形，将其送到印制板加工厂，使用覆铜板，加工成PCB板。
渗透膜的制作：渗透膜主要要求具有很强的亲水性，并且吸水之后渗透膜的介电常数要有很大变化，其次需要有足够的耐腐蚀性，对温度不敏感，有一定的强度性，容易制备和化学特性稳定等特点。硅橡胶具有无味无毒，不怕高温和抵御严寒的特点，在三百摄氏度和零下九十摄氏度时不失原有的强度和弹性。硅橡胶还有良好的电绝缘性、耐氧抗老化性、耐光抗老化性以及防霉性、化学稳定性等。由于具有这些优异的性能，硅橡胶在很多领域发挥了广泛的作用。
硅橡胶主要分为室温硫化硅橡胶,高温硫化硅橡胶。因此，室温硫化硅橡胶按成分、硫化机理和使用工艺不同可分为三大类型，即单组分室温硫化硅橡胶、双组分缩合型室温硫化硅橡胶和双组分加成型室温硫化硅橡胶。这三种系列的室温硫化硅橡胶各有其特点：单组分室温硫化硅橡胶的优点是使用方便，但深部固化速度较困难；双组分室温硫化硅橡胶的优点是固化时不放热,收缩率很小，不膨胀，无内应力，固化可在内部和表面同时进行，可以深部硫化；加成型室温硫化硅橡胶的硫化时间主要决定于温度。
选用了日本的KE-1300T硅橡胶，KE-1300T是透明的双组份硅胶，具有高强度、高透明、高撕裂性、手感柔软、粘接力强、收缩率小、可操作时间达5小时等特点，而且固化时不会产生反应副产物，以及固化时的线形收缩率小(仅为O.1%以下)的特性使得KE-1300T很适合用来制作RC谐振电感的渗透膜。KE-1300T通过添加10 %的CAT-1600固化剂就可以实现固化，使用很方便。
完成硅橡胶制备之后，接着是涂膜，使用涂膜器来控制硅橡胶膜的厚度，经过多次实验，膜的厚度控制在200um到500um范围内效果最好。
传感器数据读取电路：传感器使用RC谐振电感的谐振频率来得到土壤的含水量，还需要设计一种传感器数据的读取方法和读取天线才能将收集传感器的监测数据：RC谐振渗透膜土壤水分传感器输出的数据是频率信号，这样有个很大的好处是信号不容易受到干扰，即使信号线很长，也只会造成信号的衰减，不会对频率造成影响，抗干扰能力强，特别适合在泥石流监测中的土壤浅埋和长距离传输。
因为全部是无源器件，整个电路可以等效为一个两端网络，从左边看进去，等效阻抗为：
其中L1为读取天线，M为读取天线和RC谐振电感的互感，R2为RC谐振电感的寄生电阻，C2为RC谐振电感的寄生电容，L2为等效电感。RC谐振电路传感器的RC谐振频率为：
最后得到：
从这个式子中可以看出，读取天线的阻抗在RC电感RC谐振频率附近有个最小值，所以只要设计一个阻抗测试电路，测试读取天线在不同频率的阻抗值，就可以得到RC谐振电感的RC谐振频率，从而得到土壤的含水量。传感器数据读取电路框图和原理图。
微处理采样控制电路MCU的扫频信号发生器f1产生一个扫描频率信号，f1的1脚连接到串联在扫描频率信号输出端的电阻Rs1的1脚。f1的2脚连接到读取天线L1的2脚。读取天线的串联电阻Rs1的2脚连接到读取天线L1的1脚。MCU控制电路的1脚，连接到扫频电路f1的3脚。有效值转换电路A1的1脚连接到电阻Rs1的2脚和L1的1脚。A1的2脚连接到L1的2脚和f1的2脚。A1的输出端连接到MCU控制电路的2脚。
传感器电路电感L2的1脚连接到RS2的2脚，RS2的1脚连接到电容Cp的2脚，电容Cp的1脚连接到L2的2脚，这样就构成了RC谐振传感器。
扫频电路，即扫频信号发生器产生一个扫描频率信号，扫描频率信号串联一个电阻然后加在读取天线的两端，读取天线的阻抗随着频率不一样而不一样，在RC谐振电感的谐振频率附近，读取天线的阻抗有最小值。通过读取天线的阻抗读取就得到传感器的RC谐振频率。因为扫频信号是交流信号，不能直接测得它的电压值，因此加一个有效值转化电路，把读取天线的上的交流信号转化成直流电压信号，就可以通过MCU微处理器直接读取，从而得到土壤的含水量。
图1是本发明读取电路和传感器电路原理图；其中 ，读取电路包括：MCU微处理器电路，f1扫频电路，即扫频信号发生器，L1读取电感线圈天线，A1有效值转换电路和电压采样电路构成。自谐振渗透膜水分传感器包括：等效电感线圈L1，电感线间寄生电容Cp和Rs寄生电感构成，由此，组成一个LC并联的电路。
图2是本发明读取电路和传感器电路原理图；微处理采样控制电路MCU的扫频信号发生器f1产生一个扫描频率信号，f1的1脚连接到串联在扫描频率信号输出端的电阻Rs1的1脚。f1的2脚连接到读取天线L1的2脚。读取天线的串联电阻Rs1的2脚连接到读取天线L1的1脚。MCU控制电路的1脚，连接到扫频电路f1的3脚。有效值转换电路A1的1脚连接到电阻Rs1的2脚和L1的1脚。A1的2脚连接到L1的2脚和f1的2脚。A1的输出端连接到MCU控制电路的2脚。
传感器电路电感L2的1脚连接到RS2的2脚，RS2的1脚连接到电容Cp的2脚，电容Cp的1脚连接到L2的2脚，这样就构成了RC谐振传感器。
本发明的传感器，是一个电感线圈，就是在一块PCB板上按照一定长度、宽度和间距的覆铜线条构成的电感。电感线之间有寄生电容的存在，和本身的电感组成一个LC并联的电路。Cp是电感线之间的寄生电容，Rs2是电感的寄生电阻，L2是等效电感。电感和电容组成的LC震荡电路其中一个特征值是谐振频率，这个谐振频率叫做电感的自谐振频率，其大小为
其中L为电感，C为寄生电容，寄生电容的大小由电感线之间材料的介电常数、电感线之间的距离和电感线之间的正对面积共同决定，其计算公式为
其中为电感线之间材料的介电常数，随着土壤含水量变化 而变化；S是电感线之间的正对面积，固定不变；d是电感线之间的距离，固定不变，k是为静电力常量。当土壤水分变化时，导致电感线直接渗透膜的介电常数发生变化，导致寄生电容大小变化，从而使得电感的自谐振频率发生变化，通过电路检测电感的自谐振频率的大小就可以得到渗透膜的介电常数，最后得到土壤水分含量。
选定RC谐振频率在100MHz左右，通过计算和对比，选择L为10uH，C为5pF时，传感器的尺寸合适。
电感和寄生电容的计算公式如下：
通过计算得到电感的外形尺寸为32mm，里面尺寸为20mm，电感8圈，电感线宽度为2mm，电感线之间的距离为0.1mm。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (2)
1.一种基于RC谐振原理的土壤水分传感器，其特征在于：由自谐振电感和渗透膜构成，该传感器是利用渗透膜的介电常数变化，引起谐振电路的寄生电容变化来测量土壤中含水量；电感线之间有寄生电容Ct的存在，和本身的电感组成一个LC并联的电路；寄生电容Ct一端等效连接到Ls,一端等效连接到电感的寄生电阻Rs；寄生电阻Rs连接到Ls的一端，Ls的另外一端连接到Ct；电感和电容组成的LC震荡电路其中一个特征值是谐振频率，这个谐振频率叫做电感的RC谐振频率，其大小为
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其中Ls为电感，Ct为寄生电容，寄生电容的大小由电感线之间材料的介电常数、电感线之间的距离和电感线之间的正对面积共同决定，其计算公式为
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其中ε为电感线之间材料的介电常数，随着土壤含水量变化而变化；S是电感线之间的正对面积，固定不变；d是电感线之间的距离，固定不变，k是为静电力常量；当土壤水分变化时，渗透膜的介电常数发生变化，导致寄生电容大小变化，从而使得电感的RC谐振频率发生变化，通过电路检测电感的RC谐振频率的大小就可以得到渗透膜的介电常数，最后得到土壤水分含量，利用电感的特征值进行土壤水分检测，其稳定性和重复性很高，而且检测速度很快；
RC谐振频率在100MHz；选择Ls三电感为10μH，Ct是电容为5pF时，传感器的尺寸合适；电感设计为方形螺旋电感；电感和寄生电容的计算为：
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其中，dout和din为电感之间的距离，dout为电感外圈之间的距离，din为电感内圈之间的距离；s代表电感线间距离，w代表电感线宽度；h为渗透膜的厚度；ε0是实际制作的电感线之间材料的介电常数；μ是磁导率；
所述渗透膜的制作如下：
(1)选用KE-1300T硅橡胶用来制作RC谐振电感的渗透膜；KE-1300T通过添加10％的CAT-1600固化剂就可以实现固化，使用很方便；
(2)完成硅橡胶制备之后，接着是涂膜，使用涂膜器来控制硅橡胶膜的厚度，膜的厚度控制在200μm到500μm范围内效果最好；
通过电路检测电感的自谐振频率的大小就可以得到渗透膜的介电常数。
2.一种利用权利要求1所述传感器的含水量测量仪，其特征在于：
包括自谐振渗透膜水分传感器和读取电路；
所述读取电路包括MCU微处理器电路、扫频信号发生器f1、读取电感线圈天线L1、有效值转换电路和电压采样电路A1；
自谐振渗透膜水分传感器包括等效电感Ls、电感线间的寄生电容Ct和寄生电阻Rs，由此，组成一个LC并联的电路；
扫频信号发生器f1产生一个扫描频率信号，f1的输出1脚连接到串联在扫描频率信号输出端的电阻Rs1的1脚；扫频信号发生器f1的输出2脚连接到读取天线L1的2脚；读取天线的串联电阻Rs1的2脚连接到读取天线L1的1脚；MCU微处理器电路的1脚，连接到扫频信号发生器f1的3脚；有效值转换电路和电压采样电路A1的1脚连接到电阻Rs1的2脚和L1的1脚；有效值转换电路和电压采样电路A1的2脚连接到L1的2脚和f1的2脚；有效值转换电路和电压采样电路A1的输出端连接到MCU微处理器电路的2脚；
等效电感Ls的1脚连接到RS的2脚，RS的1脚连接到寄生电容Ct的2脚，寄生电容Ct的1脚连接到等效电感Ls的2脚。
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