[实用新型]电容式土壤水分传感器

说明书

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：