[发明专利]基于真有效值检测的土壤水分传感器

说明书

技术领域

本发明涉及土壤水分测量技术领域，特别是涉及一种基于介电方法和高频信号真有效值检测的土壤水分传感器。

背景技术

土壤水分是影响农作物生长的重要因素之一，它与农作物的生长状况密切相关。在精细农业生产中，需要长期监测和及时获取土壤中的水分含量信息，以实现精准灌溉，从而达到既能满足农作物的生理需水要求，又不造成水资源的浪费，这就需要一种土壤水分测试装置。

土壤水分的测量方法有：烘干法、中子法、电阻法、电容法、TDR(时域反射法)、FDR(频域反射法)和SWR(驻波法)。烘干法测量精度高，但需取样测量，而且测量周期长，不适合实时测量；中子法是氢原子对中子源发射的射线的吸收作用进行测量的，精度高且实时性强，但技术复杂而且中子射线会对环境和人类造成伤害；电阻法和电容法是利用土壤的介电特性来间接测量的，速度快，但对土壤的适应性较差；TDR和FDR是国外的专利技术，测量精度很高，但是电路复杂、技术难度大，导致成本极高，达到数千甚至上万美元；SWR法采用精密信号源，通过测量驻皮率的方法，可使成本降至几百元，但对于在农业推广应用而言，成本还是偏高。综合考虑技术难度、成本、精度、实时性等因素，当前土壤水分测量方法中，以介电方法较为普遍。但目前各种商品化介电法土壤水分传感器以针式结构居多，该结构具有几何结构简单，制作方便等特点，但受探针强度的影响，探针的长度不能太长，从而限制了测量的土层深度的范围；此外，由于传感器的外形尺寸等原因，不便将其埋入土壤深层进行测量。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种成本低、尺寸小、结构简单、输出接口简单、能实时测量且能埋入土壤中不同深度进行测量的基于真有效值检测的土壤水分传感器。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于真有效值检测的土壤水分传感器，包括：电源滤波电路及依次连接的方波激励信号产生单元、信号衰减器、探针、真有效值检测器；

所述电源滤波电路，用于减小地电位跳跃和电源噪声，并为电路中各单元提供稳定、无纹波工作电压；

所述方波激励信号产生单元，用于产生方波信号；

所述信号衰减器，用于降低方波激励信号产生单元输出的方波信号的幅度，并将处理后的信号发送至探针；

所述探针为两针平行结构，置于待测土壤中进行测量；

所述真有效值检测器，用于将探针上的信号进行真有效值转换，以将探针上的波形信号以等效的直流电压输出，并作为整个传感器的输出信号。

土壤水分传感器通过一接线电缆作为其输入输出的接口，该接线电缆为互相屏蔽的三芯线，分别与传感器电路的电源输入端、信号输出端及地线相连，用于为传感器提供电源输入接口和测量结果的信号输出接口。

其中，所述方波激励信号产生单元包括有源晶振及施密特触发器；所述有源晶振，用于产生单一频率的正弦波或方波高频信号；所述施密特触发器，用于将有源晶振的输出信号整形成一标准方波信号。

进一步地，所述电源滤波电路是由电阻R1、电容C1和电感L1组成的RLC滤波电路，电阻R1和电感L1并联，并联电路的一端与电源相连，并联电路的另一端与电容C1相连，电容C1的另一端接地。

其中，所述有源晶振的输出频率为10～100MHz。

其中，所述施密特触发器选用集成电路XC74UL14AA，它具有高速低功耗的特点，典型转换时间为2.3ns，最大消耗电流1μA，而且为单通道转换，体积小，只有5只引脚。

其中，所述信号衰减器为一只电阻，它串联在施密特触发器的输出端与真有效值检测器输入端之间。

其中，所述电源滤波电路、方波激励信号产生单元、信号衰减器及真有效值检测器均设于一主印刷电路板上，该探针由两个长条印刷电路板构成，长条印刷电路板上设有电接触区，长条印刷电路板与主印刷电路板电连接且为一体成型结构，探针通过电接触区采集信号并传至真有效值检测器。

所述探针长大于或等于1cm，宽大于或等于0.2cm，厚为0.8-2mm，两只探针的距离大于或等于0.2cm，且探针末端设计成三角形。

所述主印刷电路板与长条印刷电路板均为双层印刷电路板，长条印刷电路板上、下表面均涂覆有绝缘层，其至少其中一表面与绝缘层之间涂覆有铜层，该电接触区位于长条印刷电路板涂覆有铜层的表面的四周及长条印刷电路板的侧面，该铜层延伸至四周及侧面处。

探针末端设计成三角形是为能容易插入土壤，探针只让电接触区的敷铜裸露与待测土壤接触进行测量。