_基于真有效值检测的高频电容式土壤水分传感器

第27卷第8期农业工程学报Vol.27No.82162011年8月TransactionsoftheCSAEAug.2011基于真有效值检测的高频电容式土壤水分传感器李加念，洪添胜※，冯瑞珏，岳学军，罗瑜清（华南农业大学工程学院南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州510642）摘要：土壤水分的测量是精细农业中实施节水灌溉的基础。基于真有效值检测技术，利用土壤的介电特性，设计了一个高频电容式土壤水分传感器，主要由电源滤波电路、100MHz有源晶振、XC74UL14AA、探针电极和AD8361组成。其中，探针电极由印刷电路板制成并与主印刷电路板一体化成型。传感器以直流电压输出，分别在空气和去离子水中测得其输出范围为工作电压的20%～70%。通过2-异丙氧基乙醇、二氧六环和去离子水3种溶液配制了一系列不同等效土壤体积含水率的待测溶液，在不同工作电压下，对传感器进行了标定以及在5～40℃范围内以24.8℃基准进行了温度变异性试验。试验结果表明：传感器对工作电压有明显的依赖性，在特定含水率下传感器的输出电压随工作电压的升高而增加；特定工作电压下传感器的输出电压与土壤体积含水率呈线性负相关，其决定系数R2＞0.987；温差越大则传感器的测量偏差也越大，最大偏差为4.44%。并配制土样对传感器进行了验证，最大误差为4.95%。关键词：土壤，水分，传感器，真有效值，高频，电容doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.08.037中图分类号：S126文献标志码：A文章编号：1002-6819(2011)-08-0216-06李加念，洪添胜，冯瑞珏，等.基于真有效值检测的高频电容式土壤水分传感器[J].农业工程学报，2011，27(8)：216－221.LiJianian,HongTiansheng,FengRuijue,etal.High-frequencycapacitivesoilwatercontentsensorbasedondetectingoftruerootmeansquare[J].TransactionsoftheCSAE,2011,27(8):216－221.(inChinesewithEnglishabstract)0引言土壤水分是土壤的重要组成部分,是农作物生长状况与产量的重要影响因素之一[1]。土壤水分的测量是精细农业中实施节水灌溉的基础[2]，是实现农业灌溉自动化的关键环节。通过实时测量土壤水分可以及时地了解土壤墒情，对作物需水规律的研究也具有重要的现实意义[3]。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[4]。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电阻原理、基于电容原理、基于时域反射原理、基于频率反射原理和基于驻波原理的测量方法[5]。但每种实现方法有着各自的优势与不足，综合考虑技术难度、成本、精度和实时性等因素，当前土壤水分测量方法中，以基于电容原理的介电方法较为普遍，并在此方法的基础上研制了许多土壤水分传感器[6-10]。这些传感器的传感部件以插入式结构居多，几何结构简单，制作方便，但其感知的信号大多需要调理、放大等处理，电路实现相对有点收稿日期：2011-01-28修订日期：2011-04-12基金项目：现代农业产业技术体系建设专项资金资助（农科教发[2011]3号）；国家公益性行业（农业）科研专项经费项目资助(200903023)作者简介：李加念（1983－），男，湖南道县人，博士生，主要从事电子信息技术及测控技术应用研究。广州华南农业大学工程学院，510642。Email:[e-mail]※通信作者：洪添胜（1955－），男，广东梅县人，博士，教授，博士生导师，主要从事农业工程、机电一体化和信息技术应用研究。广州华南农业大学工程学院，510642。Email：[e-mail]复杂，而且受传感部件外形尺寸及强度的限制，不易测量较深层土壤的含水量。为此，本文基于真有效值检测技术，设计了一个成本低、体积小、能埋入土壤中不同深度进行测量的高频电容式土壤水分传感器，并使之易于与各种自动灌溉系统及土壤墒情监控系统相连，实时地提供待测土壤的水分信息。1传感器的设计1.1传感器结构传感器主要由电源滤波电路、有源晶振、施密特触发器、信号衰减器、探针和真有效值检测器组成，如图1所示。电源滤波电路用于消除或减小地电位跳跃和电源噪声，为电路中各单元提供稳定、无纹波的工作电压；有源晶振用来产生一个单一频率的高频振荡信号，经施密特触发器整形成波形标准的方波信号，作为传感器测量时的激励信号；信号衰减器将方波激励信号的幅度衰减后再加至探针上；真有效值检测器用于将插入待测土壤中的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，作为整个传感器的输出信号。图1土壤水分传感器的原理框图Fig.1Functionalblockdiagramofsoilmoisturesensor第8期李加念等：基于真有效值检测的高频电容式土壤水分传感器217其中，探针电极为两针平行结构，由2个长条形印刷电路板（PCB,PrintedCircuitBoard）构成，并与安装有整个传感器电子电路的主PCB进行电气连接且为一体化成型结构，如图2所示。探针电极长5cm，宽0.5cm，厚1.6mm，两探针电极的内侧距离为0.5cm，探针末端设计为三角形便于插入待测土壤。主PCB与探针电极PCB均为双层板，但探针电极PCB只保留其中一个表面涂有敷铜层，并在敷铜层表面上涂覆有绝缘层，只裸露探针电极PCB敷铜层的四周，形成电接触区，以感知待测土壤的水分信息。为使传感器能埋入土壤中进行测量，采用专门的电路板防水胶水对传感器的电子电路区进行灌封处理后，再用橡胶外壳密封，只引出一条带屏蔽的三芯线作为外部接口，三芯线分别与传感器的电源输入端、地线及信号输出线相连。图2土壤水分传感器外观结构图Fig.2Structureprofileofsoilmoisturesensor1.2硬件电路传感器的电路原理如图3所示，电源滤波电路是由电感L1、电阻R1和电容C1组成的RLC滤波电路，并在电路布局上使其尽量靠近有源晶振的电源输入端，以最大程度减小射频环路电流，避免有源晶振可能引起与谐振频率有关的电流环路辐射；有源晶振U1输出的振荡信号经施密特触发器U2整形后变成标准的方波信号，作为传感器测量时的激励信号；探针置于待测土壤中感知信号时相当一个以土壤为介质的电容器，其容量与探针周围的介质及探针本身的寄生电容有关；电阻R2相当于信号衰减器，它串联在施密特触发器U2的输出端与真有效值检测器U3的输入端之间，用来将方波激励信号进行降幅，以使其适应真有效值检测器的输入信号的幅度要求，此外电阻R2与探针的等效电容组成一阶RC电路，根据激励信号周期性地充放电；真有效值检测器U3对探针上的周期性信号进行幅值的真有效值转换，以等效的直流电压形式进行输出。其中，施密特触发器U2的型号为XC74UL14AA，它是一个单通道、高速低功耗施密特触发器，其典型的传输延迟时间为2.3ns，可以将400MHz范围内的信号整形成方波信号，其工作电压为2～5V，最大消耗电流为1μA；真有效值检测器U3是型号为AD8361的真有效值功率检测器件，工作电压为2.7～6.5V，工作时只需要消耗1.1mA的电流，能将频率在2.5GHz范围内、最高幅值为390mV的任意波形信号转换成等效的直流电压输出，其输出值为输入波形信号真有效值的7.5倍；电容C2和电容C3是AD8361的去耦电容，用于进一步滤除电源的噪声和纹波，为AD8361提供一个干净的工作电压；电容C5用来降低AD8361输出信号的噪声；电阻R3和电容C4及AD8361本身的输入阻抗构成一个高通滤波电路，只允许高于某一频率的信号进入AD8361的信号输入端。电容式土壤水分传感器受土壤电导的影响程度与其测量频率有关，频率越高受土壤电导的影响越小，但频率越高趋肤效应越明显，检测电路的设计越困难[11]，综合考虑选取有源晶振的频率为100MHz。注：VCC为电源经过滤波电路后的输出端，RFIN为施密特触发器的输出信号，Vout为真有效值检测器AD8361的输出信号，C1、C2、C3、C4、C5为电容，R1、R2、R3为电阻，L1为电感，U1为有源晶振，U2为施密特触发器，U3为真有效值检测器。图3土壤水分传感器电路原理图Fig.3Schematiccircuitdiagramofsoilmoisturesensor1.3测量原理土壤水分传感器的测量原理是：当传感器置于待测土壤进行测量时，100MHz方波激励信号加在由电阻R2和探针的等效电容组成的一阶RC电路上，进行周期性地充放电，同时探针上会出现相应的周期性波形信号，然后利用真有效值检测器对此波形信号进行真有效值转换，以等效的直流电压输出，作为传感器的测量结果。当土壤的含水量不同时，其介电常数发生变化，从而探针的等效电容也随之变化，导致探针等效电容上的充放电曲线发生变化，即探针上的周期性波形发生变化，最终使传感器输出的直流电压发生改变。在方波信号的激励下，探针等效电容C上的充电电压可用下式计算()tRCciUVVVe−=+−（1）式中，Uc为探针等效电容C两端的电压，V；V与Vi分别为方波信号的高、低电压，V；t为充电时间，s，其大小由方波激励信号的频率决定；C为探针等效电容，F；R为图3中的电阻R2，Ω。探针等效电容C的容量与探针周围的介质及探针本身的寄生电容有关[12]，是介质的介电常数ε和几何因子ξ的函数，其中几何因子ξ与探针电极的配置及渗透到介质中的电磁场的形状相关[13]。探针等效电容C的容量可用下式计算Cξε=（2）式中，C同式（1），ξ是探针的几何因子，ε是待测介质的介电常数。由式（1）（2）知农业工程学报2011年2181lnictVVRUVεξ=−⋅−−（3）式中，Uc、Vi、V、R和t同式（1），ξ和ε同式（2）。由方波激励信号的特性知Vi=0，式（3）可简化为1lnctVURVεξ=⋅−（4）式中，Uc、V、R和t同式（1），ξ和ε同式（2）。由上述分析知，当探针电极插入某种待测土壤进行测量时，电阻R、几何因子ξ、时间t及方波激励信号的高电平V均为常量，因此土壤介电常数ε与探针上的电压Uc成一一对应关系。2试验材料与方法土壤是一种由土壤颗粒固体、空气和水组成的3相混合物。空气的介电常数约为1，水的介电常数约为80，因而土壤的介电常数随其含水量的不同在1～80间变化，因此可以将所设计的土壤水分传感器置于空气及纯水2种介质进行测试，以获得传感器的电气特性范围。由前文分析知，传感器的输出电压随介电常数ε的增加而减小，从而在空气中测试可得到传感器的最大输出电压，在水中测试可获得传感器的最小输出电压，相应地在空气与水这2种介质测试可以得出传感器的电流特性范围。由于通过土壤和水的混合来配制待测土样，费时费力，难以控制土样的均匀性和一致性，以及传感器探针插入土样进行测量时会存在接触不良的现象，因此可采用配制介电常数ε为已知的溶液的方法，并利用如公式（5）所示的Topp经验公式[14]计算出介电常数为ε的溶液的等效土壤体积含水率，标定传感器及评价传感器的性能[15]。2224365.3102.92105.5104.310vεεε−−−−Θ=−×+××−××+××（5）式中，Θv为溶液的等效土壤体积含水率，ε同（2）。本文利用2-异丙氧基乙醇（2-isoproxyethanol）和去离子水2种溶液混合，以及二氧六环（Dioxane）和去离子水2种溶液混合，配制一系列ε不同即等效体积含水率不同的待测溶液，如表1所示[13]，进行传感器的标定及性能评价试验。然后，配制一系列不同含水率的土样对标定的传感器进行验证。表1不同ε的待测溶液的配制比例及其等效土壤体积含水率Table1Preparationratioandequi