CN204165927U - 电容式土壤水分传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用哈特莱三点式振荡电路的新型电容式土壤水分传感器，包括探测模块、参考频率信号产生电路、频率转换电路、频率运算电路、电源，探测模块和参考频率信号产生电路分别与频率转换电路相连，频率转换电路与频率运算电路相连，所述探测模块包括探针和哈特莱振荡模块，所述探针与哈特莱振荡模块相连，哈特莱振荡模块包括哈特莱振荡电路和温度补偿电路，频率转换电路用于接收哈特莱振荡模块和参考频率信号产生电路传输的信号，所述电源为上述各部件供电。本实用新型结构简单，信号传输可靠，避免干扰，采用哈特莱三点式振荡电路和温度补偿设计，实现了稳定的起振，插针式探测模块对土壤破坏性小，插入土壤后测量结果较为精确。

Description

电容式土壤水分传感器

技术领域

    本实用新型属于土壤水分测量技术领域，具体涉及一种电容式土壤水分传感器，能够应用于农田（粘土除外）等区域的土壤体积含水量的监测。

背景技术

土壤水分传感器能够监测土壤中的水分空间分布信息，在科学试验、节水灌溉、温室大棚、花卉蔬菜、草地牧场、土壤速测、植物培养、污水处理等领域中广泛应用。例如，在精细农业生产中，如果要做到科学精准地灌溉就要求能够长期监测田间的土壤水分数据，这就需要在田间安装土壤水分传感器。

土壤水分的测定方法有烘干法、射线法、介电特性法、核磁共振法、分离示踪剂法和遥感法等等。其中，介电特性法是利用土壤的介电特性进行间接测量的，能实现土壤水分的快速无损测量，具体来说又可分为基于时域反射TDR原理、基于频率反射FDR原理和基于驻波SWR原理的测量方法。其中时域反射和频率反射技术的测量精度比较高，但是由于处理电路复杂从而导致成本极高；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，其成本也很高。电容式土壤水分传感器本身基于介电常数法的测量方法，早期国内大量的电容式土壤水分传感器研究都是围绕搭建桥式电路或者LC振荡电路展开的，但是我们在实际田块应用中发现，现有的电容式土壤水分传感器总出现干扰影响太大或起振困难等问题，导致测量结果并不准确。

行业内技术人员也试图寻求各种方式来解决上述问题，例如公开号为CN2422643的中国实用新型专利中提供的土壤水分测量传感器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。公开号为CN1719245的中国实用新型专利公开的土壤含水量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。公开号CN2854589的实用新型专利中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。公开号CN2641646的实用新型专利公开了一种基于介电方法的土壤含水率检测装置，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。公开号CN1619301的实用新型专利公开了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。

上述这些专利技术都应用了高频信号，因为国内外的理论研究都表明高频信号（100MHz以上）在土壤上传输时土壤电导影响作用较低，可忽略（Max A.Hilhorst，Peter M.Johnson等分别在1998年和2002年结合实验数据分析表明振荡信号在10MHz以上对沙土、壤土有可忽略的介电常数衰减效应。）。但这些过分追求高普适性的土壤水分传感器的硬件电路都比较复杂，成本也难以降低。

从结构上来看，现有的水分传感器多为管式非接触式结构，一般由PVC骨架和铜环构成，测得的介质为土壤、骨架或空气、测管的综合，该结构整体假设骨架、测管固定不变，所以理想状态下测得的信号和土壤含水量有良好的关系，但是实际田间监测过程中，骨架、测管处水蒸气很容易冷凝液化，很难保证固定不变，所以最终导致数据异常，因此管式土壤水分传感器测得结果并不理想。

发明内容

为解决上述问题，本实用新型公开了一种采用哈特莱三点式振荡电路的新型电容式土壤水分传感器，有效克服了传统土壤水分传感器起振困难、干扰因子复杂造成测量结果不准确等问题。

为了达到以上目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种电容式土壤水分传感器，包括探测模块、参考频率信号产生电路、频率转换电路、频率运算电路、电源，探测模块和参考频率信号产生电路分别与频率转换电路相连，频率转换电路与频率运算电路相连，所述探测模块包括探针和哈特莱振荡模块，所述探针与哈特莱振荡模块相连，哈特莱振荡模块包括哈特莱振荡电路和温度补偿电路，频率转换电路用于接收哈特莱振荡模块和参考频率信号产生电路传输的信号，所述电源为上述各部件供电。

进一步的，所述电源包括3个电压滤波模块。

进一步的，所述探针包括两根，所述两针之间距离为2cm。

进一步的，所述探针为不锈钢制探针。

进一步的，电容式土壤水分传感器中各个电路模块封装在PCB板上，所述探针露出PCB板封装表面。

有益效果：

本实用新型通过采用哈特莱三点式振荡电路和温度补偿设计，实现了稳定的起振，插针式探测模块对土壤破坏性小，插入土壤后测量结果较为精确。本传感器结构简单，信号传输可靠，避免干扰，能够直接向单片机输出稳定可靠的数据，可插入土壤内连续使用，具有较高的安全性能，利于推广和应用。

附图说明

图1为本实用新型提供的电容式土壤水分传感器结构框图；

图2为探测模块电路结构图；

图3为参考频率信号产生电路结构图；

图4为频率转换电路结构图；

图5为频率运算电路结构图；

图6为电源电路结构图；

图7为PCB板整体示意图。

附图标记列表：

1-探针，2-PCB板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本实用新型，应理解下述具体实施方式仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1所示，本实用新型提供的电容式土壤水分传感器包括如下组成部件：探测模块、参考频率信号产生电路、频率转换电路、频率运算电路、电源，其中，探测模块包括探针和哈特莱振荡模块，探测模块和参考频率信号产生电路分别与频率转换电路相连，频率转换电路与频率运算电路相连，频率运算电路输出的信号接入单片机，电源为上述部件供电。

探测模块电路图如图2所示，其中，探针与哈特莱振荡模块相连，哈特莱振荡模块中包括经典哈特莱振荡电路和温度补偿电路，哈特莱振荡电路包括串并联电容、抽头电感及三极管，易于起振，温度补偿电路能够保证哈特莱振荡电路在一定的温度变化范围内正常稳定地工作。经过测定电容式土壤水分传感器在干土和饱和湿土范围内其振荡频率始终保持在16MHz-18MHz之间。参考频率信号产生电路由有源晶振组成，其电路图如图3所示，用于产生正弦信号。频率转换电路结构图如图4所示，该电路用于对哈特莱式振荡电路产生的频率信号和有源晶振电路端产生的参比频率进行差频比较。频率运算电路结构图如图5所示，其用于将正弦频率信号转化为方波信号输出，从而使得本传感器能够向单片机稳定输出信号。

此外，电源模块特别设计3个电压滤波模块分别向各个模块提供电能，各个模块之间电源线独立，在设计时考虑各自分开接地，以稳定整个模拟电路。电源模块如图6所示，能够分别输出5V、8V、10V电压，其中8V供探测模块，5V供频率转换电路，10V供频率运算电路。有源晶振模块接5V电压后产生16MHz的标准信号。

上述各个模块电路印制在PCB板2中，整个电路外部全部封装，做到防水等级IP68，探针1露出PCB板表面，如图7所示。

本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种电容式土壤水分传感器，其特征在于：包括探测模块、参考频率信号产生电路、频率转换电路、频率运算电路、电源，探测模块和参考频率信号产生电路分别与频率转换电路相连，频率转换电路与频率运算电路相连，所述探测模块包括探针和哈特莱振荡模块，所述探针与哈特莱振荡模块相连，哈特莱振荡模块包括哈特莱振荡电路和温度补偿电路，频率转换电路用于接收哈特莱振荡模块和参考频率信号产生电路传输的信号，所述电源为上述各部件供电。

2.根据权利要求1所述的电容式土壤水分传感器，其特征在于：所述电源包括3个电压滤波模块。

3.根据权利要求1或2所述的电容式土壤水分传感器，其特征在于：所述探针包括两根，所述两针之间距离为2cm。

4.根据权利要求3所述的电容式土壤水分传感器，其特征在于：所述探针为不锈钢制探针。

5.根据权利要求1所述的电容式土壤水分传感器，其特征在于：电容式土壤水分传感器中各个电路模块封装在PCB板上，所述探针露出PCB板封装表面。