專利名稱：不受雜質(zhì)影響的容性脈沖數(shù)字三端式土壤濕度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子信息技術(shù)領(lǐng)域中用以采集信息的傳感器類，它是一種土壤(包括粉狀物質(zhì))濕度(含水量)測量用的傳感器，土壤濕度傳感器有電阻型、電導(dǎo)型、電容型等。本傳感器采用電容式探頭，故屬電容型的。傳感器中的變送器有模擬電壓式和脈沖數(shù)字式多種，本傳感器中的變送器屬脈沖數(shù)字式。它可制成攜帶式手持儀表，亦可制成多點(diǎn)測量進(jìn)行循測的臺(tái)式儀表。
背景技術(shù)：
目前土壤濕度測量的方法有多種，如負(fù)壓法、電導(dǎo)法、電阻法、微波法、三點(diǎn)測量法、局部空間濕度測量法等。它們都存在一些不足之處，如負(fù)壓法只能用目測電阻、電導(dǎo)和微波法雖可用電測，但他們都不能排除土壤中金屬離子所起的干擾作用。而這些金屬離子和雜質(zhì)的電參數(shù)很難與濕度的變化相區(qū)別。因之精度不高；三點(diǎn)測量法計(jì)算復(fù)雜，局部空間法則因土壤中金屬鹽的飽和值不同和不穩(wěn)定而受到影響，所以在土壤中測量濕度與空氣中測量濕度的原理不同，它必須排除土壤(或粉末)中金屬等雜質(zhì)的影響，電容式土壤濕度傳感器是為此而設(shè)計(jì)出來的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)第一必須排除土壤中金屬雜質(zhì)的影響；第二必須要操作簡單、成本低廉、穩(wěn)定性好。有強(qiáng)的抗干擾能力和便于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)刃阅埽钥朔壳笆袌鲣N售土壤濕度傳感器的不足之處。為了實(shí)現(xiàn)第一項(xiàng)任務(wù)，本發(fā)明采用電容式傳感器探頭作為土壤中濕度(含水量)的敏感元件。因?yàn)殡娙萜饔蓛山饘倨M成。電容器的容量不僅與兩金屬片的大小和距離有關(guān)，而且與兩金屬片中所含物質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)。在土壤中一般含有金屬鹽、有機(jī)物雜質(zhì)和水分，在某具體環(huán)境下，金屬鹽和有機(jī)物雜質(zhì)的介電常數(shù)是比較固定不變的，而土壤中的濕度(水分)的介電常數(shù)卻因注水量和外界氣候中濕度與風(fēng)速不同而在不停的變化，因而影響電容值的變化，這樣就可從電容的變化值而探知土壤中濕度(含水量)的變化。為了完成第二個(gè)降低成本提高性能的任務(wù)而采用脈沖數(shù)字發(fā)生器作為變送器，使之直接輸出數(shù)字信息，從而能提高抗干擾能力和便于遠(yuǎn)距離傳輸。具體實(shí)施方案分述于下電容式脈沖數(shù)字三端式土壤濕度(含水量)傳感器的濕度(含水量)敏感部分是由兩金屬導(dǎo)電片組成，兩金屬片的一端由不吸水的絕緣材料粘牢，外加一高分子材料園管式護(hù)套，使兩片之間的距離為一恒定值，令其不發(fā)生位移和變形，兩金屬片在經(jīng)清潔處理后涂以陶瓷釉并經(jīng)高溫?zé)Y(jié)固化，使之具有很好的隔水性能。兩金屬片為長方形，下有園弧形鈍角，金屬片非固定端可插入土壤，設(shè)插入土壤部分的面積為A，兩金屬片間的距離為d，這就構(gòu)成一金屬電容器，外形如附

圖1所示。它的電容值C可用下式表示C＝(∑o*∑x*A)/d (1)式中∑o代表空氣中電容器的介電常數(shù)；∑x代表被測土壤中電容器的介電常數(shù)。在∑x介電常數(shù)中又可分為一般物質(zhì)的介電常數(shù)和含水量(濕度)的介電常數(shù)，前者用∑m表示，后者用∑w表示，那么(1)式可改寫為C＝(∑o*∑m*∑w*A)/d (2)在實(shí)際應(yīng)用中，在某個(gè)具體環(huán)境中，式中∑o、∑m，、A、d等都是固定值，其綜合值可看成是一個(gè)常數(shù)Ko令 Ko＝(∑o*∑m*A)/d故(2)式可改寫為C＝Ko∑w (3)因此可以認(rèn)為電容量的變化即可代表土壤濕度(含水量)之變化，將該電容值置于一阻容振蕩器回路中，如附圖2所示。其輸出頻率值f可用下式表示f＝1/(K*R*C) (4)式中K為常數(shù)，R為振蕩回路的電阻值，C為容性濕度傳感器的電容值。若取倒數(shù)便可得該振蕩器的脈沖周期TT＝1/f故 T＝K*R*C (5)K，R均為固定值 令Kc＝K*R則 T＝Kc*C (6)因此可用振蕩器的輸出脈沖周期來代表土壤中的濕度(含水量)值。用阻容振蕩器組成的變送器，前用兩線與電容傳感式探頭相聯(lián)接，后用三根線與計(jì)算機(jī)或儀表相聯(lián)接，其方框圖如附圖3所示。
考慮到全國各地土壤的成分不同，如我國西北地區(qū)為黃土地帶，南方地區(qū)為紅土地帶，東北地區(qū)為黑土地帶，各地金屬離子的成分和含量各不相同，因而各地干燥土壤的介電常數(shù)不同，這樣就難以制定全國統(tǒng)一的土壤濕度標(biāo)準(zhǔn)，為了有一個(gè)明確而穩(wěn)定的數(shù)值，本傳感器出廠時(shí)以空氣中電容器探頭的介電常數(shù)為起始值，和在1％氯化鈉(NaCl)鹽水中的介電常數(shù)值作為兩標(biāo)定點(diǎn)，設(shè)定在空氣中傳感器輸出脈沖周期為500us，(相當(dāng)頻率值為2000Hz，)在1％NaCL溶液中傳感器輸出周期為1000us(相當(dāng)頻率為1000Hz)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)用戶可選取當(dāng)?shù)氐湫陀写硇缘耐寥雷鳛闃悠?。例如選1000克待測量干燥土壤除去石塊硬物碎后置于容器中，將該傳感器插入測得其輸出脈沖周期寬度，然后分別加入10克，20克直至飽和值之水，并測出各自的脈沖周期，為了減少測量誤差，可測數(shù)次取其平均值備用(若用頻率計(jì)作為顯示儀器必須取其倒數(shù))。
與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)或積極效果，本容性脈沖數(shù)字三端式土壤濕度(含水量)傳感器制成后，與傳統(tǒng)的用目測的負(fù)壓法土壤濕度計(jì)相比，它是電子數(shù)字式的；與電阻式、電導(dǎo)式、微波法諸種電子式土壤濕度計(jì)相比，它不受土壤中金屬離子等雜質(zhì)的干擾；與埋入土壤中形成局部空間測其相對(duì)濕度值的土壤濕度傳感器相比，它不受環(huán)境中金屬鹽飽和值不同的影響；與三點(diǎn)法土壤濕度計(jì)相比，它不需復(fù)雜的計(jì)算，能直接讀出數(shù)據(jù)。總起來說；本傳感器還具有下面一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)1)、本傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是采用容性傳感器探頭，能把土壤中的濕度(含水量)與金屬鹽和其他雜質(zhì)區(qū)分開來，因而具有好的測濕精度。
2)傳感器只有三根引出線，操作簡單，數(shù)字直讀并與被測濕度(含水量)直接對(duì)應(yīng)，只要把后面的儀表配備好，一般文化較低的農(nóng)民大眾和工人亦可操作使用。
3)本傳感器為脈沖數(shù)字輸出，在整個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程中，不經(jīng)過傳統(tǒng)的模擬電壓量的放大、整形、V/I、I/V和模數(shù)轉(zhuǎn)換這些環(huán)節(jié)，它不需任何外接器件能與計(jì)算機(jī)或數(shù)字儀表直接接口工作，使信息時(shí)代自動(dòng)測控和數(shù)據(jù)貯存變得簡單易行。它除成本低廉外，還具有強(qiáng)的抗干擾能力，且便于遠(yuǎn)距離傳輸。
4)本傳感器的探頭由優(yōu)質(zhì)陶瓷釉金屬片組成，具有很好的防潮抗水能力，因而具有好的測量精度和高穩(wěn)定性。
5)本傳感器在制成出廠時(shí)只標(biāo)明空氣中和1％氯化納鹽水中兩點(diǎn)的時(shí)間(或頻率)，實(shí)際使用時(shí)的干燥土壤和飽和水中的數(shù)字值由用戶自己選取有代表性的土壤和水質(zhì)確定，這樣就可避免全國各地因土質(zhì)和水質(zhì)不同而帶耒的誤差，因而有廣泛的使用性。
附圖簡要說明圖1是容性土壤濕度敏感探頭外形示意圖(a)正視圖(b)側(cè)視圖1導(dǎo)線 2襯墊物3金屬片圖2是脈沖數(shù)字信號(hào)發(fā)生器電路圖1運(yùn)算放大器 3土壤電容器2振蕩電阻 4變送器輸出圖3是三端式土壤濕度傳感器接線圖1變送器 2土壤濕度敏感探頭3電源線 4信號(hào)輸出5地線實(shí)施本發(fā)明方式 本發(fā)明的具體實(shí)施方案大體上可分兩類，一類是便攜式，將電容式探頭和變送器裝接在一起，變送器裝在園管之中，園管可供操作人員手持之用。每次操作前，先清除被測土壤中的石塊和其他硬物，再將傳感器的長方形電容器片探頭插入一定深度的土壤(或粉末材料)中。本傳感器還須與通用的數(shù)字頻率計(jì)和時(shí)間測量儀配合使用，以便能現(xiàn)場直接讀取數(shù)值。另一類實(shí)施方案是將電容傳感探頭與變送器分開，中間用雙線聯(lián)接。傳感探頭埋在土壤中，變送器放在桌面或架子上以與計(jì)算機(jī)或臺(tái)式儀器接通，以進(jìn)行多點(diǎn)土壤濕度的循回檢測。
傳感器已應(yīng)用在溫室大棚、花卉種植、水利灌溉系統(tǒng)和混凝土攪拌諸多場合，收到很好效果。
權(quán)利要求
1.一種土壤濕度傳感器的特征在于是一種不受土壤中雜質(zhì)干擾的脈沖數(shù)字輸出的電容型三端式土壤濕度傳感器，它有強(qiáng)的抗干擾能力、便于遠(yuǎn)距離傳輸和易于與計(jì)算機(jī)接口。該傳感器包括一個(gè)土壤濕度(含水量)敏感探頭和一個(gè)數(shù)字變送器，兩者可組裝在一起成為手持式土壤濕度傳感器，也可以兩者分開用導(dǎo)線連接以成為多點(diǎn)測量的臺(tái)式儀器的組成部分。
2.如權(quán)利要求1的土壤濕度傳感器，其中所用土壤濕度敏感探頭特征在于有由兩長方形金屬片組成的電容器作為檢測探頭，兩金屬片的表面涂有一層經(jīng)高溫?zé)Y(jié)的陶瓷釉薄膜，該薄膜具有不吸水和不導(dǎo)電的絕緣性能。兩金屬片一端之間牢固地隔有一段不吸水的絕緣材料，以使兩金屬片之間的空間距離尺寸不受外力或環(huán)境溫度參數(shù)變化的影響，其厚度應(yīng)根據(jù)用戶需求來確定。金屬片固定端外加有一用高分子材料制成的園管形護(hù)套，并用膠粘劑加以固定，以保證電容器兩金屬片及其距離不形變。電容器的兩金屬片的固定端分別有導(dǎo)線引出以與變送器連接。兩金屬片的另一端磨有鈍角，以便易于插入土壤。
3.如權(quán)利要求1的土壤濕度傳感器，其中變送器特征在于它是一個(gè)脈沖數(shù)字發(fā)生器，檢測濕度的電容性敏感探頭作為脈沖數(shù)字發(fā)生器的電容參數(shù)組成部分，所以變送器的輸出脈沖周期(頻率的倒數(shù))輿被測濕度(含水量)呈直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，也即是土壤中濕度愈大，輸出脈沖的周期愈長。如在干燥空氣中傳感器輸出脈沖的周期為500μs(相當(dāng)重復(fù)頻率2000Hs)，在1％的食鹽(NaCl)水中傳感器輸出脈沖的周期為1000μs(相當(dāng)重復(fù)頻率1000Hs)。傳感器輸出不需再接任何器件能與計(jì)算機(jī)或頻率、時(shí)間測量儀接口和配合工作。變送器有5根引出線，其中兩根與土壤濕度敏感探頭相連，另三根與主機(jī)相連其中一根為電源供電線、一根為接地線、另一根為信號(hào)輸出線，操作簡便，故稱三端式。
全文摘要
一種不受雜質(zhì)影響的電容式脈沖數(shù)字三端式土壤(或粉狀物)濕度(含水量)傳感器，是采用計(jì)算機(jī)脈沖數(shù)字技術(shù)來測量土壤或粉末材料中的濕度(含水量)值。與傳統(tǒng)的土壤濕度傳感器相比，它是電容式的，可將土壤中的導(dǎo)電金屬離子和雜質(zhì)都看成一固定常數(shù)，使傳感器的輸出值僅與其中濕度大小(水份含量)有關(guān)，它的變送器是三端式，結(jié)構(gòu)簡單無需外接任何器件能與計(jì)算機(jī)接口。它的輸出是脈沖數(shù)字信息，無直流電壓成分，故有強(qiáng)的抗干擾能力，且利于遠(yuǎn)距離傳輸。
文檔編號(hào)G01N27/22GK1504745SQ0215375
公開日2004年6月16日 申請(qǐng)日期2002年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月4日
發(fā)明者王桂芬 申請(qǐng)人:王桂芬