土壤水分检测转换电路的设计

土壤水分检测转换电路的设计!

白泽生

（延安大学物理与电子信息学院，陕西延安!"#$$$）

摘!要：在土壤水分检测的各种方法中，传感器法具有许多优点。设计了一种土壤水分检测转换电路，并阐述了电路组成和工作原理。试验表明：利用本电路测量土壤含水量的分辨力为59:;，与烘干称重法测量值的差值在7;以内，具有测量准确度高、测量速度快、显示直观、价格低廉、操作方便的特点。关键词：土壤水分；传感器；检测转换电路；设计

中图分类号："<4:4!!!文献标识码：=!!!文章编号：:555>8?@?（4556）58>556A>54

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$@引@言

水分是天然土壤的一个重要组成部分，它不仅影响到土壤的物理性质，制约着土壤中养分的溶解、转移和微生物的活动，而且，是构成土壤肥力的一个重要因素，更是一切植物赖以生存的基本条件。因此，测定土壤含水量，对实施精准农业，节水灌溉，提高农业生产效率有重要的意义。

目前，测定土壤水分的方法归纳起来有两大类，一类是变动位置取样测定（如烘干称重法等），另一类是原位取样测定（如，中子法、时域反射仪法、频域发射仪法、!射线法、传感器法等）。不同的方法各有优缺点，烘干称重法原理简单、精度高，但其操作烦琐，又不能在田间实时连续监测。中子法和!射线法虽可在室外快速准确监测，但存在放射性物质危害人体健康。时域反射仪法和频域发射仪法价格比较昂贵，而传感器法安全可靠，测定土壤水分快速直读，具有不必采土样，不破坏土壤结构，可连续监测并输出电信号，十分适合于监测田间土壤水分动态分布和变化情况，便于长期的观测和积累田间水势资料等，因此，被广泛应用在田间监测土壤水分。

本文设计采用传感器法，主要面向设施农业的应用，其使用对象主要是农业种植和管理者，所以，设计力求简单易用、快速直读、价格低廉。

收稿日期：4556>5M>44

陕西省教育厅专项科研计划资助项目（5ANOM::）!基金项目：

"@检测转换电路工作原理

:9:!土壤水吸力传感器的基本原理

目前，水分传感器多种多样，本设计选用土壤水吸力传感器，因其具有结构简单、使用方便、灵敏度较高等优点，可以定点定位连续测定土壤水分的运行，及时反映土壤水分的纵横变化。

土壤水吸力传感器是根据土壤水吸力的大小与土壤水分含量有关的原理制成的。一般来说，土壤含水量越小，吸

［:］

力越大；反之，吸力越小。其结构如图:所示。集气管上

有注水口，使用时，打开橡皮塞，注满水后再塞紧，当管中气体排出后，将陶土头埋入土中。陶土头是感应部件，具有许多微小的孔隙，陶土头被水浸润后，在孔隙中形成一层水膜，当充满水且密封的土壤水分传感器插入水分不饱和的土壤时，水膜就与土壤水连接起来，使仪器内部的水产生负压，此负压作用于固态压阻式传感器，传感器将负压转换成电信号，从而可获得5P:55Q<$范围内任意点土壤吸力的电信号，并且，二者有良好的线性关系。

固态压阻式传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的一种力敏器件，是以单晶硅为基体，用集成工艺技术扩散A个等值应变电阻，并组成惠斯登电桥。不受压力作用时，电桥处于平衡状态；受到压力作用时，一对桥臂电阻变大，另一

图!"土壤水吸力传感器

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图7"土壤水分检测转换电路图

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对则变小，从而达到测量气体、液体压力大小的目的。例如：一只#$%&’型压阻传感器在一定的电源电压激励下，当吸力为&时产生()*的电位差，在’&&+,-吸力时产生.()*的电位差。传感器供电源用直流，为了解决温度漂移问题，一般有恒压源和恒流源，在近距离测量时，用恒压源!*供电，可以同时供给多个传感器使用；若测量距离远，在精度要求高的情况下，可用恒流源/0’&)1供电，每只恒流源只供给一个传感器使用。

压阻式传感器将土壤水吸力转换为差动电压信号输出给双端输入单端输出差动放大器。此处，采用差动放大器是由于其具有较好的抑制零漂的作用，同时，可将双端输入信号转换为单端输出信号。由于差动放大器的输出与输入是反相的，故将此输出的信号再送给反相放大器，在放大信号的同时将输出再次反相，从而转变为与压阻式传感器的输出同相的电压信号。为了根据需要调节反相放大器的放大倍数，在其反馈电阻上串接一电位器，同时，对信号进行调零和校正。最后，将调理电路输出信号送给数字电压表，显示最终的输出电压值，根据测试数据标定情况制做一土壤含水量表头，由此可直接读出土壤含水量的数值。4"试"验

’23"土壤水分检测转换电路原理

土壤水分检测转换电路原理方框图如图3所示。

32’"土壤水分检测转换电路测试标定

图4"原理方框图#$%4"5($3*$62+,$-%(-.

首先，采用烘干称重法制备含水量!（!6

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""土壤水分检测转换电路由土壤水吸力传感器、信号调理电路、显示装置和供电电源等组成。设计的基本原理是土壤水吸力传感器将土壤含水量的大小转换电信号送给信号调理电路，调理电路对信号进行处理后送显示装置显示。

’&&"，!3为土壤干土质量，单位均其中，!’为水分质量，为9）为.5，’35，’(5，’.5，335，3(5，3.5，4&5，4:5，4/5，4.5，:45的土样若干组，用本装置测出其输出电压值，列表并作出土壤含水量与输出电压之间的曲线，据此对该电路装置进行标定，并制做土壤含水量表头。

’24"土壤水分检测转换电路设计

按照上述设计原理，设计的土壤水分检测转换电路如图4所示。

电路工作时，土壤水分传感器将土壤含水量的大小（转换为土壤水吸力的大小，并作用于压阻式传感器，!5）

323"结果对比

用本电路装置和烘干称重法测量土壤含水量，并进行对比，其结果如表’所示。

表!"测量数据对比8-;!"<+-1)($3%,-’-*/.6-(+

土样序号

测量参数

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烘干称重法!（’5）本电路装置!（35）差值率

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7"结"论

测量结果表明：本电路装置的分辨力为&2’5，与烘干称重法测量值的差值均在(5以内，说明本装置的分辨力和测量准确度是比较高的。特别是利用本装置测量土壤含水量速度快（测量一次仅需几秒钟）、数值显示、非常直观、体积小、便于携带，可随时测量含水量的情况，很适合在田间、温室大棚、草坪等场合使用。

参考文献：

［’］"陈木华2现代传感技术观测土壤水分［=］2农业系统科学与综

合研究，’!!(，’’（:）：4’(<4’.2

［3］"栗震宵2电阻式土壤含水率非扰动连续测量装置的研究［=］2

甘肃农业大学学报，’!!!，（:）：4/!<4;42

作者简介：

白泽生（’!/:<），男，陕西清涧人，副教授，硕士，硕士生导师，主要从事电子技术、传感与检测技术的教学与研究工作。

土壤水分检测转换电路的设计

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

白泽生， BAI Ze-sheng

延安大学,物理与电子信息学院,陕西,延安,716000传感器与微系统

TRANSDUCER AND MICROSYSTEM TECHNOLOGIES2006，25(9)3次

1.陈木华 现代传感技术观测土壤水分[期刊论文]-农业系统科学与综合研究 1995(04)2.栗震宵 电阻式土壤含水率非扰动连续测量装置的研究 1999(04)

1.期刊论文 卢启福.吴慕春.胡月明.薛月菊.陈联诚.李晴.LU Qifu.WU Muchuna.HU Yueming.XUE Yueju.CHENLiancheng.LI Qing 基于TDR-3的土壤水分传感器标定模型研究 -传感技术学报2009,22(7)

无线传感器网络为土壤水分实时采集提供了经济、方便的途径,对分析土壤含水量时空变异和作物生长气候变化意义重大.将无线传感器网络与TDR-3土壤水分传感器结合实现土壤水分实时监测.为了克服TDR-3土壤水分传感器的非线性缺陷,提出利用最小二乘法对土壤水分曲线进行分段线性标定的方法,并采用相关性系数进行精度验证.实验结果表明,分段线性法所建立模型的精确度较高,而且标定模型简单实用、可行.通过标定模型的研究,使得土壤水分的无线传感器网络能够较精确地进行土壤水分的实时监测.

2.学位论文 何权 一种基于边缘场效应土壤水分传感器研究 2006

一种基于边缘场效应土壤水分传感器研究课题是国家自然科学研究基金“非饱和土壤介电特性测量理论与方法的研究”的子课题。本文针对我国目前田间水分传感器只能测量表层土壤水分的现状，以介电理论应用于土壤水分测量机理为切入点，研制出一种可以实时测量剖面土壤含水量的管式土壤水分传感器。

本文设计的管式水分传感器主要包括两部分，基于边缘场效应土壤水分传感器和基于霍尔开关原理深度传感器。土壤水分传感器由竖直埋入土壤中的PVC套管和放置于套管中的探头两部分组成。利用超高频网络分析仪研究传感器的阻抗特性，优化土壤水分传感器电路，并进一步分析了套筒壁厚度及传感器几何结构对测量结果的影响，从而得出结论：套筒壁厚应尽可能限定在3mm以内，金属环的环距限制在15mm之内。深度传感器的最大量程为120cm，精度为10cm。

本文还设计了与传感器配套使用的智能型土壤水分手持仪表。该仪表通过读取传感器数据并进行相应运算，从而得到土壤含水量。

为了验证传感器的性能，本文设计了三个试验：有机标定液体试验、不同容积含水量土样试验以及穿层试验。第一个试验表明，传感器满足土壤从干质到饱和的测量需要；第二个试验证明，本文所定义的归一化频偏指数与容积含水量之间满足线性变换关系，相关指数R2=0.9538；第三个试验验证了传感器测量土壤水分含量纵向分布的能力。

3.期刊论文 王吉星.丘宗书.WANG Ji-xing.QIU Zong-shu 土壤水分传感器无线网络化设计 -水利水文自动化2009,""(1)

为实现多点土壤水分传感器和现地监测终端的多点无线连接,在介绍MP-406土壤水分传感器结构原理的基础上,分析了将增强型ZigBee技术通过微功耗PIC微处理器桥接整合到MP-406土壤水分传感器中,实现土壤水分传感器的无线网络化的具体设计.利用无线网络化技术能组成实用的土壤墒情在线监测系统,且组网简单灵活.

4.学位论文 冯磊 基于驻波率原理的土壤水分测量技术的研究 2005

本文首先通过对土壤介电特性的理论分析，论证了利用高频段或微波段的土壤介电特性(介电常数实部)来测量土壤水分是一种灵敏度高、适应面宽、受土壤理化特性空间变异影响较小的快速测量方法。在此前提下，用微波技术的驻波和传输线理论的分析方法对基于驻波率原理的土壤水分传感器工作原理进行了深入的理论分析，同时建立了等长四针结构的传感器探针的特征阻抗模型，为SWR型土壤水分传感器的研制提供了理论依据。本文为了研究SWR型土壤水分传感器的特性设计了土柱试验，对SWR型土壤水分传感器进行了试验建模和性能分析。

从土壤水分测量实际要求出发，本文研制出与传感器配套使用基于P89LPC925微控制器的TSC-1型便携式土壤水分快速测试仪，该仪表不仅可以快速地测量土壤容积含水量，还具有数据存储、数据通信和快速智能充电等功能。此外，为满足传感器在土壤墒情监测和灌溉控制中的智能化、数字化、网络化的要求，本文还设计了基于RS-485总线应用信息融合技术的智能土壤水分传感器，不仅提高了土壤水分传感器的精度和抗干扰能力，同时大幅降低了现场的安装成本。

5.期刊论文 赵燕东.王一鸣 基于驻波率原理的土壤水分传感器的测量敏感度分析 -农业工程学报2002,18(2)

土壤水分测量方法中,有效测量范围(即测量敏感区域)是一个重要问题.该文运用探针的静电场分布,分析由基于驻波率(SWR)原理的快速土壤水分传感器的测量敏感度,分析了SWR型土壤水分传感器的有效测量土体,输出电压与土壤体积含水率之间的最大线形区域,得出了SWR型土壤水分传感器的最佳结构.

6.学位论文 董亚峰 基于驻波率原理的管式土壤水分传感器的研究与开发 2006

本文研究了一种基于驻波率原理的管式土壤水分测量方法。利用高频段或微波段的土壤介电特性(介电常数实部)来测量土壤水分是一种灵敏度高、适应面宽、受土壤理化特性空间变异影响较小的快速测量方法，文章首先分析了土壤的介电特性，在此前提下，用微波技术的驻波分析方法对基于驻波率原理的管式土壤水分传感器的工作原理进行了理论分析。

在理论分析的基础上，建立了双圆环结构的管式土壤水分传感器的特征阻抗模型，通过经典电磁场理论的验证，为管式土壤水分传感器的研制提供了理论依据。经过试验分析，对管式土壤水分传感器进行了试验建模，对传感器的准确度、重复性、稳定性和一致性等性能指标进行了分析。

为了满足传感器测量的智能化、数字化和标准化的要求，本文研制了基于P89LPC938微控制器的管式土壤水分传感器的智能化模块，输出纠正的测量数据，提高了测量精度和抗干扰能力；开发基于掌上电脑(PDA)的上位机软件，接收测量数据，进行数据显示、数据存储、数据处理，并能与桌面机实时通讯。

7.期刊论文 李云开.杨培岭.刘洪禄 SMP-01型土壤水分传感器性能测试 -农业工程学报2002,18(4)

通过对SMP-01型土壤水分传感器在3种土壤质地(砂土、壤土、粘土)在不同土壤水分含量下对应的传感器输出的测试,分析比较研究其对应的拟合曲线,进行率定,并同时研究了传感器对酸性土、盐碱土的测试情况.实验结果表明SMP-01土壤水分传感器在各种性能上都能满足农业上对于测定土壤水分的精度要求,具有较好的应用前景.

8.期刊论文 邓英春.付奔.马绍雄.王凤侠 关于介电法土壤水分传感器参数律定问题的商榷 -江淮水利科技2007,""(1)

本文通过对介电法土壤水分传感器参数率定方法进行研究,说明了介电法土壤水分传感器直接测量的结果并不是通常所说的仅是土壤的容积含水量,而也可以是质量含水量.介电法土壤水分传感器可以用质量含水量与输出电压拟合成一个一元三次多项式,建立静态数学模型,并且还可以消除因将土壤质量含水量换算成容积含水量而必须测定土壤密度所带来的误差分量,所得测量结果会更准确.

9.学位论文 蒋毅 基于微波测量原理的单点土壤水分传感器的开发与应用研究 2009

本文研究了一种基于驻波率原理的单点土壤水分传感器。首先阐述了微波传输线理论以及利用驻波率测量介质介电常数的原理，结合土壤的介电特性论证了基于驻波率原理测量土壤含水率的可行性。

在理论分析的基础上，设计了一种单点土壤水分传感器，较多针式探头结构的传感器有着能定点不同深度测量、多点长期观察的优点。主要研究了传输线的阻抗匹配问题，并通过TDR测量仪对传感器进行了标定。试验结果分析表明，单点土壤水分传感器有着良好的精确度、稳定性和一致性。

在实验室长期试验观测的基础上，为了验证传感器的实际价值，在奥运工程“民族大道”园林改造项目中得到了实际应用。通过数据分析，单点土壤水分传感器能够稳定运行并且精度较高，能够满足精准灌溉的要求。

10.期刊论文 史岩.李帆.孙凯.王中存.董永辉.SHI Yan.LI Fan.SUN Kai.WANG Zhong-cun.DONG Yong-hui 墒情监测中土壤水分传感器埋设位置研究 -莱阳农学院学报2006,23(3)

将土壤水分传感器固定的埋入地表以下不同深度,实时监测土壤墒情变化,可以为墒情(旱情)的预测预报提供依据.自2003年11月11日开始,在北京大兴芦城北京水利水电中心基地内安装了8个土壤水分传感器,每天间隔4个小时测量表层下10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、80cm、100cm的土壤体积含水率.本文通过对墒情数据的相关分析、方差分析等,认为土壤水分传感器的合适埋设位置是地表下10cm、30cm、60cm、100cm处.

1.田思庆.史庆武.程佳生 基于单片机的土壤湿度测试仪的研究[期刊论文]-农机化研究 2008(9)2.王俊.贺智涛 土壤含水量检测电路的研制[期刊论文]-节水灌溉 2008(7)

3.白泽生.薛占海 传感器在设施农业中的应用及其环境测控系统方案的设计[期刊论文]-延安大学学报（自然科学版） 2007(1)

本文链接：/Periodical_cgqjs200609021.aspx授权使用：湖州师范学院(hzsf)，授权号：4e87f110-c8ac-4c6f-b1c1-9e1001128a86

下载时间：2010年10月15日

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6r8j.html