CN2854589Y - 土壤水分测量传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了属于土壤水分测量技术领域的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。由传感器、电路板和绝缘套管组成。在传感器的绝缘圆筒外表面包裹两个双环铜片，接头固定在绝缘圆筒上盖上，操纵杆下端的接头螺纹通过过接头的内螺纹与绝缘圆筒相连；传感器的绝缘圆筒在套管中上下滑动。电路板固定于绝缘圆筒内，电路板与双环铜片相连，与电路板相连的输出信号线通过空心操纵杆引出。本实用新型与以往的土壤水分传感器比，结构简单，性能稳定，可以有效地测量不同深度土壤的水分含量；用于农田土壤或是温室栽培基质的水分含量测量，使用更加方便。

Description

土壤水分测量传感器

技术领域

本实用新型属于土壤水分测量技术领域，特别涉及基于边缘电容效应法测量水分含量的一种土壤水分测量传感器。

背景技术

农业生产活动中经常需要检测土壤域作物栽培基质水分，比如在农业气象检测，智能化灌溉控制系统等应用中，都需要有一种精确性，稳定性，实时性较高的土壤含水率传感器。时域反射技术TDR(Time Domain Reflectrometry)(TOPP，1980)，频域分解技术FD(Frequency Decomposition)(Hilhorst，1996)，传输线驻波法SWR(Standing Wave Ratio)(Daslin and Muller，1996)，电容传感器CS(Capacitance Sensor)(Tomas，1966，Dean，1987Gardiner，1991and 1998，Gaudu，1993)等测量手段都是基于介电原理发展起来的测量方法。TDR与FD的技术实非常复杂，因而导致商品化传感器价格昂贵。传输线驻波法不仅需要在传感器中内置一段相当长的高频传输线，而且目前的这种测量方法受振荡器输出参数的影响很大，因此对振荡器的输出幅度与输出阻抗匹配要求很高。

基于电容的传感器一般做成双探针与多探针形式，或者把探头做成标准的同轴线形式。双探针与多探针传感器由于探针不能做的太长，所以只能测量土壤表层土壤水分，深层土壤水分不能测量。如果探头为标准的同轴形式，虽然理论上他的精度很高，但是很难插入土壤层。若取出被测定的土样，装入同轴线探极之间，将会破坏被测土样本身的物理环境。

因此以上方法在我国的实际应用中存在一定的不实用性，很难做到大范围推广使用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种土壤水分测量传感器。由传感器、电路板和绝缘套管组成；其特征在于，所述传感器的绝缘圆筒1外表面包裹两个双环铜片2，电路板固定于绝缘圆筒1内，电路板与双环铜片2相连；绝缘圆筒上盖10中央有一圆孔，圆孔内放置与电路板相连的输出信号线4通过空心操纵杆3引出；圆孔边有四个规则放置的小孔9；用螺丝穿过小孔9，将接头6固定在绝缘圆筒上盖10上，操纵杆3下端接头螺纹7与绝缘圆筒上盖10的连接是通过接头6的内螺纹相连的。

所述电路板由一块压控振荡芯片E1648和调整电容C₆、C₇、C₈、C₆组成。

所述绝缘圆筒外表面的双环铜片2是平行的，并且每一环都有通过绝缘圆筒的一孔与电路板的电路相连。

所述套管为绝缘塑料材料。

所述套管5的内径等于绝缘圆筒1包裹双环铜片2后的外径；绝缘圆筒1在套管5内上下滑动。

所述操纵杆中心是空的。

本实用新型的有益效果是针对现有技术的不足提出一种实用的、价格低廉的的一种新型的土壤水分测量传感器。其特点主要有三点，(1)基于电容边缘效应的电路设计巧妙，使芯片在60MHZ～120MHZ之间振荡，在此振荡频率下，土壤含盐量对土壤水分测量影响很小。(2)传感器的结构设计独特，绝缘圆筒在套管内滑动，可以测量不同深度土壤的水分含量。(3)用于农田土壤或是温室栽培基质的水分含量测量，使用更加方便。

附图说明

图1为土壤水分测量传感器结构示意图。

图2为绝缘圆筒的俯视图。

图3为绝缘圆筒的结构和接头连接图。

图4为传感器的电路原理图。

具体实施方式

本实用新型提供一种土壤水分测量传感器，由传感器、电路板和绝缘套管组成。在图1所示土壤水分测量传感器结构示意图中，在传感器的绝缘圆筒1外表面包裹两个双环铜片2，电路板固定于绝缘圆筒1内，电路板与双环铜片2相连；绝缘圆筒上盖10中央有一圆孔，圆孔内放置与电路板相连的输出信号线4通过空心操纵杆3引出；圆孔边有四个规则放置的小孔9(如图2所示)；用螺丝穿过小孔9，将接头6固定在绝缘圆筒上盖10上，操纵杆3下端接头螺纹7与绝缘圆筒上盖10的连接是通过接头6的内螺纹相连的(如图3所示)，这样可以方便的使绝缘圆筒装在操纵杆上，也可以方便的取下来。

套管5也是绝缘材料做的，套管的底部是密封的，套管5的内径等于绝缘圆筒1包裹双环铜片2后的外径。这样测量时操纵杆可以控制绝缘圆筒在套管内上下滑动，又可以把套管与铜环之间的空气间隙减小到最小。

图4为传感器的电路原理图。所述电路板包括一块压控振荡芯片E1648和调整电容C₆、C₇、C₈组成，能保证在没有接入Cp时压控芯片能起振在100MHz左右。C₇、C₈能隔直流。芯片输出频率主要由Cs和L₁决定。但C₆，C₇、C₈是已知不变的，Cs主要受Cp影响。电路图中的芯片为E1648，是一块压控振荡芯片。它的最大输出频率为225MHZ。其输出频率可以下面的公式算出：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_1{C}_S}}...\left(1\right)$

根据以前的实验，当振荡频率超过30MHZ时，振荡频率主要受土壤的水分含量的影响，而受土壤的盐分影响很小。所以为使振荡频率在30MHZ以上，本电路加了C₆、C₇、C₈。C₆与Cp并联，这样可以控制压控芯片的振荡初始频率；C₇、C₈与Cp串联，这样还可以使电路更加稳定。Cs可以由下式算出：

$C_s=\frac{1}{\frac{1}{C_p}+\frac{1}{C_7}+\frac{1}{C_8}}+C_6=\frac{C_p{C}_7{C}_8}{C_7{C}_8+C_7{C}_p+C_8{C}_p}+C_6...\left(2\right)$

根据以上所述原理及通过(1)、(2)式可知，当土壤水分含量变化时，金属双环之间的电介质发生变化，于是使金属双环两级所决定的电容(Cp)。公式(2)得出Cs得变化，公式(1)得出输出频率得变化。从而测出土壤水分得含量。

传感器的工作原理是套管5埋在土壤8里(如图1所示)。套管四周为被测土壤8，双环铜片2平行的裹在绝缘圆筒上，分别看作一个电容的两极，双环铜片2外边的套管5和土壤8相当于电容之间的电介质；土壤的水分含量改变，会使铜环之间的整个电介质发生变化，于是电容Cp的大小会改变，电容的改变会使电路的输出频率改变，因此套管5周围的土壤水分变化会使信号引出线4的输出频率改变。当绝缘圆筒1在套管5中上下滑动时，不同深度的土壤水分含量将会测量出来。

由上述可知：本实用新型与以往的土壤水分传感器比，结构简单，性能稳定，可以有效地测量不同深度土壤的水分含量。最后所应说明的是，以上实施例仅说明本实用新型的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本新型送的技术方案进行修改或者等同替换，仍属于本实用新型的权利要求保护范围。

Claims (6)

1.一种土壤水分测量传感器，由传感器、电路板和绝缘套管组成；其特征在于，所述传感器的绝缘圆筒(1)外表面包裹两个平行的双环铜片(2)，电路板固定于绝缘圆筒(1)内，电路板与双环铜片(2)相连；绝缘圆筒上盖(10)中央有一圆孔，圆孔内放置与电路板相连的输出信号线(4)通过空心操纵杆(3)引出；圆孔边有四个规则放置的小孔(9)；用螺丝穿过小孔(9)，将接头(6)固定在绝缘圆筒上盖(10)上，操纵杆(3)下端接头螺纹(7)与绝缘圆筒上盖(10)的连接是通过接头(6)的内螺纹相连的。

2.根据权利要求1所述土壤水分测量传感器，其特征在于，所述电路板由一块压控振荡芯片E1648和调整电容C₆、C₇、C₈。C6组成。

3.根据权利要求1所述土壤水分测量传感器，其特征在于，所述绝缘圆筒外表面的双环铜片(2)是平行的，并且每一环都有通过绝缘圆筒上的孔与电路板的芯片相连。

4.根据权利要求1所述土壤水分测量传感器，其特征在于，所述套管为绝缘塑料材料。

5.根据权利要求1或4所述土壤水分测量传感器，其特征在于，所述套管(5)的内径等于绝缘圆筒(1)包裹双环铜片(2)后的外径；绝缘圆筒(1)在套管(5)内上下滑动。

6.根据权利要求1所述土壤水分测量传感器，其特征在于，所述操纵杆中心是空的。

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