專利名稱：一種稻田水分傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及農(nóng)田信息采集領(lǐng)域，尤其涉及一種稻田水分傳感器。
技術(shù)背景水稻生長期和成熟期對田間持水量有不同的要求，生長期田間不能缺 水，但是水層不能高過禾苗，成熟期要三次排水曬田，但又不能過度干旱。 目前這些操作都是由農(nóng)民憑經(jīng)驗決策的。在水稻精準(zhǔn)作業(yè)體系中，精準(zhǔn)灌 溉和曬田的決策要求一種科學(xué)的測量儀器自動完成田間持水量的監(jiān)測，主 要是監(jiān)測稻田的水層高低和土壤含水率。這就需要在稻田里安裝稻田水分 傳感器。目前成熟的土i裏含水率檢測方法有TDR (時域反射法)、FDR (頻域反射 法)和SWR (駐波率法)，其中TDR和FDR是國外的專利技術(shù)，測量精度比 較高，但是由于處理電路復(fù)雜導(dǎo)致成#高， 一臺TDR高達(dá)數(shù)萬美元，一 臺FDR高達(dá)數(shù)千美元；SWR 土壤含水率傳感器采用了精密信號源通過測量駐 波率的方法可使成本降低到600元人民幣。由于每畝水稻每年的平均收益 不到300元，所以TDR和FDR不可能在田間推廣應(yīng)用，即^f吏成本最低的SWR 也難以在田間推廣。中國專利號CN2422643公開一種新型土壤水分測量傳感器，該實(shí)用新 型使用高頻振蕩器產(chǎn)生高頻信號激勵中心探頭及與同軸電纜傳輸線的屏蔽 層相連接的外圍探頭，再通過檢波電路來測量土壤水分。CN1719245公開 了 一種同步實(shí)時測量土壤水分與電導(dǎo)率的方法及傳感器，該發(fā)明專利是一 種基于介電理論和頻域方法的同時測量土壤水分與電導(dǎo)率的方法及傳感 器。采用多頻率導(dǎo)納分解法直接測量探頭的導(dǎo)納，進(jìn)而分解探頭導(dǎo)納的實(shí)部與虛部，通過探頭導(dǎo)納實(shí)部與介電損耗的關(guān)系得出介質(zhì)電導(dǎo)率，探頭導(dǎo)納虛部與介電常數(shù)的關(guān)系得出介質(zhì)含水率。CN2 8 5 4 5 8 9公開了 一種基于邊緣 效應(yīng)以電容法測量水分含量的一種土壤水分測量傳感器。與以往的土壤水 分傳感器比，可以有效地測量不同深度土壤的水分含量。CN2641646公開了 一種基于介電方法的土i裏含水率傳感器，消除了因為振蕩幅度和輸出電阻 的不一致而造成的測量誤差，性能比較穩(wěn)定。CN1619301公開一種介電頻差 式土壤水分傳感器，包括土壤電極、振蕩電路、放大整形電路、多級分頻電 路、低通濾波電路和光電隔離電路組成，輸出與土壤水分有關(guān)的頻率信號。上述專利技術(shù)大都使用了高頻率震蕩和信號處理電路輸出與種于土壤 水分相關(guān)的電壓或頻率，要得到土壤水分的數(shù)字信號，還必須增加ADC采 集電路或頻率測量電路，由于硬件電路比較復(fù)雜，成本難以降低。CN101017133公開了 一種基于紅外輻射的土壤水分測量儀，主要由紅 外發(fā)射電路、光探測器、紅光發(fā)射電路和放置在光探測器和土壤樣品盒中 間聚光系統(tǒng)組成，利用 一定波長近紅外線照射,皮測物體時不同水分對其。及 收程度不同的原理制成的。CN200968934公開了一種名稱為一種基于光纖表 面等離子共振的土壤水分傳感器，由不銹鋼濾帽，水分敏感膜，Au膜，半 球型棱鏡，光纖和水分傳感器探頭組成，從光纖反射的光譜信息中獲得土 壤水分的含量。由于采用了純光學(xué)的方法，從而減小了土壤類型和土壤顆 粒大小對測量結(jié)果的影響，提高了水分測試的靈敏度和精確度，但是復(fù)雜 的光學(xué)系統(tǒng)和及其配套的信號處理電路難以降低成本。 發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種測量精準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)簡單 且成本較低的稻田水分傳感器。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為 一種稻田水分傳感器，其包 括外殼、設(shè)置于外殼底部的土壤含水率探針、貼于外殼兩側(cè)的水層探針、及設(shè)于外殼內(nèi)部的檢測電路，該檢測電路向土壤含水率探針及水層探針發(fā) 出脈沖方波激勵信號并接收兩組探針的充電電壓的峰值信號。檢測電路包括處理器、兩個電容及兩個檢波電路，處理器分別通過電容Cl及電容C2與土壤含水率探針及水層探針的觸發(fā)端連接，并分別通過 檢波電路與土壤含水率探針及水層探針的觸發(fā)端連接，處理器還通過處理 器上的通訊口與外部的通訊裝置連接，土壤含水率探針及水層探針的接地 端接地。兩個檢波電路均包括檢波二極管及濾波電容，檢波二極管D1的正極與 水層探針的觸發(fā)端連接，負(fù)極通過濾波電容C3接地，4全波二極管D2的正 極與土壤含水率探針的觸發(fā)端連接，負(fù)極通過濾波電容C4接地。處理器包括以下功能模塊定時器，用于對土壤含水率探針和水層探針發(fā)出脈沖方波激勵信號； 數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用于分別將檢波電路輸出的土壤含水率探針和水層探針兩端的充電電壓的峰值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；計算模塊，根據(jù)試驗標(biāo)定的公式自動計算出土壤和水層的含水率； 通訊模塊，將計算所得出的土壤和水層的含水率數(shù)據(jù)信息發(fā)送至外部的通訊裝置。水層探針觸發(fā)端及接地端平行貼在外殼兩側(cè)，水層探針的底部與外殼 底部具有一小距離，水層探針測量時其底部與土壤表面相接觸，頂端高出 稻田水面，土壤含水率探針的觸發(fā)端與接地端平行間隔設(shè)置。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明中，當(dāng)水稻處于生長期時，利用貼于外殼兩 側(cè)的水層探針用于測量水層高度，并利用處理器產(chǎn)生的脈沖方波信號作為 該組探針的激勵信號，檢波電路用于測量該組探針的充電電壓峰值，經(jīng)計 算分析后得出水層的高度，此時土壤中的水分總是處于飽和狀態(tài)，不需要 檢測。當(dāng)?shù)咎锾幱诔墒炱跁r，稻田需要三次排水曬田，農(nóng)戶是憑經(jīng)驗曬田，但是，對于水稻精準(zhǔn)灌溉來說，需要測量土壤的含水率來判斷曬田的程度， 這時，就可以利用土:t裏含水率探針對其測量。該結(jié)構(gòu)用處理器產(chǎn)生脈沖信號的方法來代替復(fù)雜的高頻震蕩電路，只 需兩組探針及檢測電路即可采集到稻田在濕田及旱田兩種情況下的水分含 量，結(jié)構(gòu)簡單iW吏用方便，同時也大大降低了制作成本。


圖1為本發(fā)明稻田水分傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明檢測電路的工作原理圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。稻田中的水中有雜質(zhì)，既有電介質(zhì)也有導(dǎo)電樣吏粒，插入水中的電極可 以等效為一個RC并聯(lián)電路，在水質(zhì)差異不顯著的情況下，水分的電阻率和 介電系數(shù)是常數(shù)，插入水中的電極的等效電阻的阻值與電極在水中的深度 成反比，等效電容的容量與電極在水中的深度成正比。測量此電極的RC變 化就可以測量電極在水中的深度，如果電極下端接近土壤，就可以測量稻 田水層的高度。稻田土壤中含有水分和雜質(zhì)，其中水有重要的電介質(zhì)也有導(dǎo)電微粒， 插入土壤中的電極可以等效為一個RC并聯(lián)電路，當(dāng)電極插入深度不變得情 況下，土壤的電阻率和介電系數(shù)由土壤的含水率決定，插入土壤中的固定 長度的電極的等效電阻的阻值與土壤的含水率反比，由于等效電容的容量 與土壤的含水率成正比，測量此電極的RC變化就可以測量土壤中的含水率。根據(jù)以上原理，本發(fā)明公開了一種稻田水分傳感器，如圖1所示，其 包括外殼3、設(shè)置于外殼3底部的土i裏含水率探針1、貼于外殼3外部兩側(cè) 的水層探針2、及設(shè)于外殼3內(nèi)部的檢測電路4，該檢測電路4向土i裏含水 率探針1及水層探針2發(fā)出脈沖方波激勵信號并接收兩組探針的充電電壓的峰值信號。當(dāng)水稻處于生長期時，需要利用水層探針2對稻田含有的水層的高度 進(jìn)行測量，此時檢測電路4向水層探針2發(fā)出脈沖方波激勵信號，再通過 接收并計算分析水層探針2兩端的充電電壓的峰值信號，從而得出稻田水 層的高度，此時土:t裏中的水分相對水層的水分來說，可忽略不計，此時只 需利用水層探針2測量水層高度即可得出稻田的含水率；當(dāng)?shù)咎锾幱诔墒?期時，稻田需要三次排水曬田，此時土壤的含水率就極為重要，需要利用 土壤含水率探針對其測量，此時檢測電路4向土壤含水率探針1發(fā)出脈沖 方波激勵信號，再通過接收并計算分析土i裏含水率探4十1兩端的充電電壓 的峰值信號，從而得出稻田土壤的含水率。該外殼3為中空的絕緣塑料管，且其直徑為5cm，下端密封防水，中間 的空間用于安裝檢測電路4及供檢測電路4用的電池，外殼3底部安裝土 壤含水率探針l的過線孔，并用防水膠密封。水層探針2的觸發(fā)端及接地端平行貼在外殼3兩側(cè)，且水層探針2由 不銹鋼材料制成，且其長度均為15~20cm，直徑為3mm，其底端與外殼3 底部具有一小距離，水層探針2測量時其底端與土壤表面相接觸，頂端高 出稻田水面。土壤含水率探針1的觸發(fā)端與接地端平行間隔設(shè)置，且其長 度均為10 15cm,直徑為6mm,其用于測量土:t裏的含水率。如圖2所示，檢測電路4包括處理器5、兩個電容C1、 C2及兩個檢波 電路，處理器5分別通過電容Cl及電容C2與土壤含水率探針1及水層探 針2的觸發(fā)端連接，并分別通過檢波電路與土壤含水率探針1及水層探針2 的觸發(fā)端連接，處理器5還通過處理器5上的通訊口與外部的通訊裝置連 接，土壤含水率探針1及水層探針2的接地端接地。該處理器5電源端連 接至一外接電源，且本實(shí)施例中，該處理器5為一單片機(jī)。兩個檢波電路均包括檢波二極管及濾波電容，檢波二極管D1的正極與水層探針2的觸發(fā)端連接，負(fù)極通過濾波電容C3接地，檢波二極管D2的 正極與土壤含水率探針1的觸發(fā)端連接，負(fù)極通過濾波電容C4接地。 處理器5包括以下功能模塊定時器，用于對土壤含水率探針1和水層探針2發(fā)出脈沖方波激勵信號；數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用于分別將檢波電路輸出的土壤含水率探針1和水層探 針2兩端的充電電壓的峰值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；計算模塊，根據(jù)試驗標(biāo)定的公式自動計算出土壤和7jC層的含水率；通訊模塊，將計算所得出的土壤和水層的含水率數(shù)據(jù)信息發(fā)送至外部 的通訊裝置。其中，定時器產(chǎn)生20kHz的脈沖方波信號，通過電容C1和C2分別輸 出至土i裏含水率探針1及水層探針2作為激勵信號。當(dāng)脈沖處于高電平時， 分別對兩組探針組成的等效電容充電，土壤含水率探針1的等效電容由土 i裏的電阻率和介電系數(shù)決定，水層探針2的等效電容由水層中水分的電阻 率和介電系數(shù)決定，當(dāng)脈沖為零電平時，探^"的等效電容通過自身的等效 電阻放電。對于固定的充電時間和放電時間，纟果針兩端的充電電壓由探針 的RC特性決定，所以測量探針的充電峰值電壓就可以計算出水層探針2的 水層高度和土壤含水率探針1的土壤含水率。檢波二極管Dl與濾波電容C3構(gòu)成水層探針2的第一4全波電路，用來 測量水層探針2的充電峰值電壓；檢波二極管D2與濾波電容C4構(gòu)成土壤 含水率探針1的第二檢波電路，用來測量土壤含水率探針1的充電峰值電 壓。處理器5內(nèi)部集成的數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADC對第一檢波電路輸出的直流電壓， 轉(zhuǎn)換成0- 1023的數(shù)字信號，利用計算模塊中的標(biāo)定公式就可計算出水層 的高度；數(shù)模轉(zhuǎn)換器也對第二^r波電路輸出的直流電壓，轉(zhuǎn)換成0-1023 的數(shù)字信號，并利用計算才莫塊中的標(biāo)定公式就可計算出土壤的含水率。
權(quán)利要求
1. 一種稻田水分傳感器，其特征在于包括外殼(3)、設(shè)置于外殼(3)底部的土壤含水率探針(1)、貼于外殼(3)兩側(cè)的水層探針(2)、及設(shè)于外殼(3)內(nèi)部的檢測電路(4)，該檢測電路(4)向土壤含水率探針(1)及水層探針(2)發(fā)出脈沖方波激勵信號并接收兩組探針的充電電壓的峰值信號。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的稻田水分傳感器，其特征在于檢測電路(4) 包括處理器(5)、兩個電容(Cl)、 (C2)及兩個檢波電路，處理器(5)分別通 過電容(Cl)及電容(C2 )與土壤含氷率探針(1)及水層探針(2 )的觸發(fā)端 連接，并分別通過檢波電路與土壤含水率探針(1)及水層探針(2)的觸發(fā)端 連接，處理器(5)還通過處理器(5)上的通訊口與外部的通訊裝置連接，土 壤含水率探針(1)及水層探針(2 )的接地端接地。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的稻田水分傳感器，其特征在于兩個檢波電路均 包括檢波二極管及濾波電容，檢波二極管(Dl)的正極與水層探針(2)的觸發(fā) 端連接，負(fù)極通過濾波電容(C3)接地，檢波二極管(D2)的正極與土壤含水 率探針(1 )的觸發(fā)端連接，負(fù)極通過濾波電容((M )接地。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的稻田水分傳感器，其特征在于處理器(5)包 括以下功能模塊定時器，用于對土壤含水率探針(1)和水層探針(2)發(fā)出脈沖方波激勵 信號；數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用于分別將檢波電路輸出的土壤含水率探針(1)和水層探針 (2)兩端的充電電壓的峰值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；計算模塊，根據(jù)試驗標(biāo)定的公式自動計算出土壤和水層的含水率； 通訊模塊，將計算所得出的土壤和水層的含水率數(shù)據(jù)信息發(fā)送至外部的通 訊裝置。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項所述的稻田水分傳感器，其特征在于水層 探針(2 )的觸發(fā)端及接地端平行貼在外殼(3 )兩側(cè)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的稻田水分傳感器，其特征在于水層探針(2) 的底部與外殼(3)底部具有一小距離。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的稻田水分傳感器，其特征在于水層探針(2) 測量時其底部與土壤表面相接觸，頂端高出稻田水面。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的稻田水分傳感器，其特征在于土壤含水率探針 (1)的觸發(fā)端與接地端平行間隔設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種稻田水分傳感器，其包括外殼(3)、設(shè)置于外殼(3)底部的土壤含水率探針(1)、貼于外殼(3)兩側(cè)的水層探針(2)、及設(shè)于外殼(3)內(nèi)部的檢測電路(4)，該檢測電路(4)向土壤含水率探針(1)及水層探針(2)發(fā)出脈沖方波激勵信號并接收兩組探針的充電電壓的峰值信號。本發(fā)明測量精準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)簡單且成本較低。
文檔編號G01N27/00GK101281183SQ20081002849
公開日2008年10月8日 申請日期2008年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月3日
發(fā)明者周志艷, 羅錫文, 胡均萬, 歡 阮 申請人:華南農(nóng)業(yè)大學(xué)