CN201885993U

CN201885993U - 一种土壤湿度传感器

Info

Publication number: CN201885993U
Application number: CN2010206583862U
Authority: CN
Inventors: 王燕霞; 唐云建; 韩鹏; 孙怀义
Original assignee: Chongqing Academy of Science and Technology
Current assignee: Chongqing Academy of Science and Technology
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2020-12-14

Abstract

本实用新型提供了一种土壤湿度传感器，该土壤湿度传感器的探针按土壤的深度层次分为多组电极组，可由切换电路切换控制其中任一电极组检测其相应深度层次的土壤湿度值，并且不同深度层次的电极组之间相互绝缘，不会相互影响测量值，避免了浅层土壤湿度值影响深层土壤湿度检测等检测失真现象，实现了一支土壤湿度传感器检测不同深度层次的土壤湿度情况，在灌溉检测工程应用中有助于节省硬件成本。

Description

一种土壤湿度传感器

技术领域

本实用新型属于土壤水分测量技术领域，尤其涉及一种土壤湿度传感器。

背景技术

随着现代农业和智能灌溉系统的发展，土壤水分的检测控制要求不断提高，土壤湿度传感器是土壤水分检测中最常应用的检测设备。目前的土壤湿度传感器主要利用频域反射法、时域反射法或驻波法测量土壤的含水量，其中频域反射法因其技术简便安全、测量快速准确等特点应用最为普遍。

采用频域反射法的土壤湿度传感器，是利用不同含水量的土壤其介电常数的特性，通过探针检测土壤的电阻或电容，传感器高频振荡检测电路的振荡频率因探针检测的电阻值或电容值不同而改变，从而根据振荡频率换算得知土壤的含水量。传统电容式的土壤湿度传感器为例，主要包括作为电容电极的探针、高频振荡电路、放大电路、A/D转换电路、处理器和电源电路，探针、高频振荡电路、放大电路、A/D转换电路和处理器依次连接，电源电路为传感器各部分电路提供工作电压；根据测量应用环境的不同，探针通常设计为为两根、并行排列的三根、或星状排列的四根，探针数量和排列不同其形成的电容也不同。工作时，土壤湿度传感器的探针插入土壤中，土壤充当探针之间的电介质，从而由探针和土壤构成可变电容；土壤水分的改变会使探针之间的介质常数发生变化，使得探针和土壤构成的可变电容的容值改变，进而高频震荡电路受到可变电容的影响，其振荡频率相应地改变；高频震荡电路的频率信号由放大电路进行放大，然后经A/D转换电路将放大的频率信号转换为能够被处理器采集的数字信号，由处理器对该数字信号进行处理输出检测结果，这样就通过测量频率信号的变化间接测量到了土壤水分的含量。

但是，目前市场上采用频域反射法的土壤湿度传感器，其每根探针都是单级的，这样容易出现几个问题：1）由于一根探针整体作为一个电极，在对土壤进行灌溉时，灌溉水一旦进入土壤一定深度接达到探针的上层检测范围时，就会造成土壤湿度传感器输出检测信号的明显变化，甚至检测值已达到土壤理想湿度值，而此时深层土壤还并未获得水分灌溉，土壤整体上并不一定达到了理想湿度；2）用户无法使用一只传感器了解土壤不同深度层次的含水量情况。这些问题使得现有土壤湿度传感器的应用受到了一定的限制，例如在刚进行灌溉后土壤湿度测量不准确，测量土壤不同层次的含水量需要多支土壤湿度传感器以及多个传感器接口，等。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本实用新型提供一种能够检测不同深度层次土壤湿度的土壤湿度传感器。

为实现上述目的，本实用新型采用了如下技术手段：一种土壤湿度传感器，包括探针、高频振荡电路、放大电路、A/D转换电路、处理器和电源电路，所述探针至少有两根，每根探针均由多个电极段构成且各个电极段相互绝缘，各探针上位置相对应的电极段构成一组电极组；所述土壤湿度传感器还包括切换电路，用于实现探针上各组电极组中任意一组的选通切换；

所述探针上各组电极组通过所述切换电路与高频振荡电路连接，切换电路与处理器连接并由处理器控制切换状态；所述高频振荡电路、放大电路、A/D转换电路和处理器依次连接；所述电源电路为传感器各部分电路供电。

所述处理器设置有信号输入接口，处理器根据信号输入接口的信号状态控制所述切换电路的切换状态；此外，所述信号输入接口还可以连接有多路切换开关。

相比于现有技术，本实用新型具有如下有益效果：

1、本实用新型的土壤湿度传感器可以了解土壤不同深度的水分情况，并且不同深度层次的电极组之间相互绝缘，不会相互影响测量值，避免了浅层土壤湿度值影响深层土壤湿度检测等检测失真现象，从而为准确了解土壤墒情和精确控制灌溉水量奠定良好基础；

2、仅利用一支本实用新型土壤湿度传感器的就可以检测不同深度层次的土壤湿度情况，在灌溉检测工程应用中有助于节省硬件成本；

3、本实用新型的土壤湿度传感器通过设置多路切换开关，可以让传感器不同电极组的切换操作更加方便。

附图说明

图1为本实用新型土壤湿度传感器的外观结构示意图；

图2为本实用新型土壤湿度传感器的检测电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步的说明。

实施例：

本实施例的土壤湿度传感器的外观结构如图1所示，主要由三根并行排列的探针10和检测电路20两部分构成。其探针结构与传统土壤湿度传感器有明显的差别，每根探针10均采用分段电极结构，由多个电极段11构成，电极段可采用不锈钢等耐腐蚀的导电材料；每一探针上的各个电极段相互绝缘，可采用聚四氟乙烯等绝缘材料制成的绝缘环12隔离；电极段11和绝缘环12可设计为空心结构，便于内部导线连接各个电极段；此外，电极段11和绝缘环12还可采用螺纹结构连接，方便拆卸和组成不同分段数量的探针，本实施例的每根探针均为三电极段结构；探针10最末端的一个电极段，其末端部可设计为锥形，或者在其末端部连接一个锥形绝缘针头，便于将探针插入土壤。在连接至检测电路时，各探针上位置相对应的三个电极段构成一组电极组11a，用于检测某一深度层次的土壤湿度；此处所述的位置相对应的三个电极段，是指三根探针上沿探针径向位置相当的电极段；各探针所设置的电极段数量最好相等，以避免有多余电极段无法构成电极组而落单的情况。

土壤湿度传感器的检测电路部分主要包括切换电路、高频振荡电路、放大电路、A/D转换电路、处理器和电源电路，如图2所示。其中，切换电路与各探针连接，用于实现探针上各组电极组中任意一组的选通切换，可采用继电器选通阵列或者多路选通芯片。高频振荡电路与切换电路连接，用于根据切换电路选通的电极组的电容量产生不同的频率信号，可采用LC振荡电路，从而切换电路选通的电极组形成LC振荡电路中的一个可变电容；实验表明，当振荡电路的振荡频率超过30MHz时，振荡频率主要受土壤水分含量的影响，而受土壤盐分的影响很小，当频率超过100MHz时，土壤水分受土壤种类的影响也比较小，因此高频震荡电路的振荡频率最好设计为100~150MHz之间。放大电路与高频振荡电路连接，用于将高频振荡电路输出的频率信号放大，可采用三极管放大电路。A/D转换电路与放大电路连接，用于将放大的频率信号转换为能够被处理器采集的数字信号，可采用TLC0831、ADC0832等市购的常用A/D转换芯片。处理器分别与切换电路和A/D转换电路连接，用于控制切换电路的切换状态，并对A/D转换电路输出地数字信号进行处理，输出土壤湿度检测结果，可采用单片机编程实现；处理器的检测运算原理在北京技术中已作介绍，属于现有技术，在此不再赘述。

使用时，将土壤湿度传感器的探针插入土壤内，探针上沿探针径向位置不同的电极组位于土壤内的不同深度层次中。可通过预设定程序，让处理器控制切换电路每隔数秒钟进行一次选通切换操作，从而依次切换选通各个电极组。当切换到某一组电极组时，电极组以其相应深度层次的土壤充当电介质，构成一个可变电容，土壤的含水量改变此可变电容的容值，导致LC振荡电路的振荡频率发生相应的变化，频率信号再经过放大、A/D转化后，由处理器计算出相应的土壤湿度检测结果，即为该电极组所在土壤深度层次的土壤湿度值。由此，可分别检测到探针上各组电极组所在土壤深度层次的土壤湿度值，将其应用到灌溉系统中，管理人员便可根据具体需要检测的深度层次的土壤湿度值来进行相应的灌溉控制操作，从而让土壤湿度的检测和灌溉控制更加灵活；并且，位于不同深度层次的电极组是相互绝缘独立的，土壤浅层的水分湿度并不会对土壤深层的土壤湿度检测造成影响，从而让检测结果更加真实、客观。

作为改进方案，在处理器编程时，可设置一个或多个处理器I/O阵脚作为信号输入接口，让处理器根据信号输入接口的信号状态控制所述切换电路的切换状态。信号输入接口可用于连接一个多路切换开关，多路切换开关上的不同开关状态对应控制一个切换电路的切换状态，从而用户可通过设置多路切换开关的状态，来控制土壤湿度传感器选通任一组电极组，从而对指定深度层次的土壤湿度进行检测。

本事实例虽然仅针对三根探针并行排列的土壤湿度传感器进行了举例说明，实际上，本实用新型对于两根探针、四根探针或者更多根探针的土壤湿度传感器都适用，只需要按照本实用新型方案将每根探针处理为多个电极段，各探针上位置相对应的电极段构成一组电极组，分组切换测量，即可实现本实用新型的目的。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims

1.一种土壤湿度传感器，包括探针、高频振荡电路、放大电路、A/D转换电路、处理器和电源电路，其特征在于，所述探针至少有两根，每根探针均由多个电极段构成且各个电极段相互绝缘，各探针上位置相对应的电极段构成一组电极组；所述土壤湿度传感器还包括切换电路，用于实现探针上各组电极组中任意一组的选通切换；

2.根据权利要求1所述的土壤湿度传感器，其特征在于，所述处理器设置有信号输入接口，处理器根据信号输入接口的信号状态控制所述切换电路的切换状态。

3.根据权利要求2所述的土壤湿度传感器，其特征在于，所述信号输入接口连接有多路切换开关。