一種土壤鹽水溫傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001 ]本發(fā)明涉及土壤信息采集領域，尤其涉及土壤鹽水溫傳感器。
【背景技術】
[0002] 土壤水分、鹽分及溫度等信息的檢測對農業(yè)生產的意義十分重大，WSN提供了一條 對土壤信息進行實時、長期檢測的智能化路線。然而，由于WSN需要在野外進行長期布網，所 以節(jié)點所配備的傳感器在滿足精度要求之外，還必須具備穩(wěn)定性高、可長期置于野外工作 的特點。因此，若想要WSN系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，一款合適的土壤傳感器至關重要。
[0003] 土壤水分的測定方法有烘干法、射線法、介電特性法、核磁共振法、分離示蹤劑法 和遙感法等。其中，介電特性法是利用土壤的介電特性進行間接測量的，能實現土壤水分的 快速無損測量，具體來說又可分為基于電阻原理、基于電容原理、基于時域反射原理、基于 頻率反射原理和基于駐波原理的測量方法。但每種實現方法有著各自的優(yōu)勢與不足，綜合 考慮技術難度、成本、精度和實時性等因素，當前土壤水分測量方法中，以基于電容原理的 介電方法較為普遍，并在此方法的基礎上研制了許多土壤水分傳感器。這些傳感器的傳感 部件以插入式結構居多，幾何結構簡單，制作方便。
[0004] 土壤電導率的測量大致可分為實驗室測量和現場測量兩大類，實驗室測量首先要 制備土壤浸提液，然后利用電極法測量土壤浸提液的電導率，利用土壤浸提液的測量值表 征土壤電導率的變化。這種傳統(tǒng)的實驗室方法作為標準測量方法具有較高的精度，也是評 價土壤電導率高低的基準，但測量過程繁瑣，且耗費較長時間，實時性差，不能滿足現代精 細農業(yè)要求在短時間內完成大批量測量的要求?，F場測量則主要是將地球物理勘探中的方 法引入到了農田土壤測量中，主要有兩種基本設計思路:接觸式和非接觸式。非接觸式土壤 電導率傳感器利用電磁感應現象檢測土壤電導率，接觸式土壤電導率傳感器則是一種電極 式傳感器，雖為接觸測量但卻不需要取樣，基本不用擾動土體，而且在作物生長前和生長期 間都可以設法實現實時測量，很適合現代精細農業(yè)對農田土壤信息獲取的要求。

【發(fā)明內容】

[0005] 針對相關技術中上述的問題，本發(fā)明提出一種土壤鹽水溫傳感器，包括:外殼、外 殼底部的探針、以及外殼內部的檢測電路，該檢測電路向探針發(fā)出脈沖方波激勵信號并接 受其兩端的電壓信號;所述檢測電路包括主控芯片、震蕩單元、信號提取單元、水分檢測單 元、鹽分檢測單元、溫度檢測單元；
[0006] 所述震蕩單元用于生成方波信號，輸出給水分檢測單元；
[0007] 所述水分檢測單元接收所述方波信號，并利用所述方波信號周期性的為所述探針 和土壤構成的第一等效電容充電；
[0008] 所述信號提取單元用于檢測所述第一等效電容的充放電過程中電壓信號的變化 值，所述主控芯片根據所述電壓信號的變化值得到土壤的濕度值；
[0009] 所述溫度檢測單元用于利用熱敏電阻檢測土壤的溫度變化；
[0010] 所述鹽分檢測單元用于檢測土壤電導率，在檢測土壤電導率時，通過探針對土壤 施加兩個高度和持續(xù)時間相等、極性相反的雙極性脈沖，通過測量第二個雙極性脈沖結束 的瞬間電流獲得土壤導電率，進而計算得到土壤鹽分含量。
[0011] 所述水分檢測單元包括一個第一異或門電路，所述第一異或門電路的兩個輸入端 A和B，振蕩單元產生的方波信號一方面接入所述第一異或門電路的輸入端A，另一方面經過 電阻R接入所述第一異或門電路的另一輸入端B和探針;所述探針和土壤構成等效電容，方 波信號周期性地對所述等效電容充放電，使所述第一異或門電路的輸入端B的電勢變化產 生延遲，進而導致輸入端A和B所探測到的邏輯電平的變化不同，進而輸出信號也不同。
[0012] 所述信號提取單元包括兩組積分電路和一組電壓跟隨器，所述兩組積分電路對輸 入的矩形波信號經過平滑處理，且處理后的矩形波信號的電壓值大小與矩形波占空比相對 應;所述電壓跟隨器包括運放電路，運放電路的正相輸入端接所述兩組積分電路的輸出，反 向輸入端經過反饋電阻接至所述運放電路的輸出，以將正相輸入端的電壓跟隨輸出。
[0013] 所述溫度檢測單元包括第一電阻、第二電阻、熱敏電阻和第一電容，其中，所述第 二電阻、熱敏電阻和第一電容并聯連接，且與第一電阻串聯連接;所述溫度檢測單元采用串 并聯電阻的方式對熱敏電阻的非線性誤差進行補償或者線性化處理。
[0014] 所述鹽分檢測單元通過雙脈沖電導法測量土壤鹽分，所述雙脈沖電導法利用土壤 等效電路測量土壤鹽分，所述土壤等效電路包括土壤等效電阻、雙電層電容和引線分布電 容，土壤等效電阻與雙電層電容串聯后再與所述引線分布電容并聯;所述雙極性脈沖信號 經過所述土壤等效電路后輸出流經土壤的瞬時電流信號，所述瞬時電流信號與土壤的電導 率成正比。
[0015] 所述外殼采用環(huán)氧樹脂膠密封，能夠達到IP68的防塵防水等級。
[0016] 所用探針為四根不銹鋼探針；其中兩根探針用于測量土壤含水量，兩根探針用于 測量土壤鹽分。
[0017] 構成所述檢測電路的單片機為STC12C5A60S2。
[0018]所述溫度檢測單元利用NTC熱敏電阻的溫度敏感特性來測量溫度數據。
[0019]本發(fā)明通過測量土壤等效電容來計算土壤的水分，土壤傳感器通過發(fā)出高頻信 號，由檢波電路將介電常數轉換為電壓輸出，進而確定與土壤含水量的關系;通過熱敏電阻 的阻值變化計算溫度，NTC熱敏電阻是一種具有負溫度系數的溫度敏感元件，其構成成分為 氧化物的燒結體。此種電阻的靈敏度較高，金屬熱敏電阻的靈敏度只有它的十分之一，應用 廣泛。但是，也存在比較嚴重的熱電非線性。熱敏電阻存在的非線性化缺點，會影響其測量 范圍和測量精度，為了削弱此缺點的影響，須要對其非線性誤差進行補償或者線性化處理。 本傳感器采用串并聯電阻的方式;通過雙脈沖法測量土壤鹽分，電導率測量時，對土壤施加 兩個持續(xù)時間很短的脈沖，兩脈沖要求高度和持續(xù)時間相等，極性相反。流經土壤的電流在 第二個脈沖結束的瞬間測量，此處電導池模型考慮了引線分布電容和雙電層電容。檢測電 路包括震蕩單元、信號提取單元、靜電保護單元，水分檢測單元、鹽分檢測單元、溫度檢測單 元等幾部分，所用探針為四根不銹鋼探針工作穩(wěn)定性好，可靠，測量精度高，價格低廉，可以 供人們實時監(jiān)控土壤信息。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明中土壤鹽水溫傳感器的結構框圖。
[0021 ]圖2為本發(fā)明中震蕩單元的電路結構示意圖。
[0022] 圖3為本發(fā)明中水分檢測單元的電路結構示意圖。
[0023] 圖4為本發(fā)明中信號提取單元的電路結構示意圖。
[0024] 圖5為本發(fā)明中溫度檢測單元的電路結構示意圖。
[0025] 圖6為本發(fā)明中鹽分檢測單元的電路結構示意圖。
[0026]圖7為本發(fā)明中土壤鹽水溫的檢測方法流程圖。
[0027]圖8為本發(fā)明中土壤鹽水溫傳感器的硬件結構示意圖。
【具體實施方式】
[0028]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0029]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步的說明。
[0030] 實施例：
[0031] 本實施例的土壤傳感器的結構如圖8所示，主要包括四根并排的不銹鋼探針4、外 殼2以及檢測電路3。其中兩根探針用于測量土壤含水量，兩根探針用于測量土壤鹽分，優(yōu)選 地，探針的有效長度約為72mm，外徑約為3mm，通過螺絲固定在電路板上。四根探針處于同一 水平面，且相互平行并排固定。
[0032] 檢測電路3包括電源模塊、主控芯片、震蕩單元、信號提取單元、靜電保護單元、水 分檢測單元、鹽分檢測單元、溫度檢測單元等幾部分。
[0033]震蕩單元用于產生固定頻率的方波信號，信號經過水分檢測單元，對傳感器探針 和土壤組成的電容進行充放電，信號提取單元能夠檢測電容的充放電過程，并將其轉化為 電壓信號，它帶有土壤水分的含量信息。將其送入主控芯片處理后得到土壤濕度值，然后經 過信號輸出電路輸出。
[0034] 本發(fā)明中的土壤傳感器探針的材質為金屬，且裸露在外。外界中有較多帶電物，有 些靜電甚至可以高達數千伏特。為了保護傳感器內部電路不受超高電壓的破壞，本發(fā)明的 傳感器內部設有專用于靜電防護的靜電泄放(electrostatic discharge，ESD)芯片。該靜 電防護芯片支持高速差分信號，對地有非常低的寄生電容，因此不會影響到原來電路。其靜 電防護標準達到了 IEC61000-4-2標準的第四等級。
[0035] 溫度檢測單元的主要部件是一個熱敏電阻，此熱敏電阻具有負溫度系數，隨溫度 值的升高而阻值變小。溫度變化導致電阻阻值改變，進而導致其在電路中的分壓改變，根據 其電壓即可推算出土壤溫度的變化。溫度敏感元件放置在不銹鋼探針內部。探針是空心的， 而且探針的導熱性能良好，將熱敏電阻放在其中可以快速與土壤溫度達到熱平衡。
[0036] 本傳感器采用串并聯電阻的方式;通過雙脈沖法測量土壤鹽分，電導率測量時，通 過其中兩個探針對土壤施加兩個持續(xù)時間很短的脈沖，兩脈沖要求高度和持續(xù)時間相等， 極性相反。流經土壤的電流在第二個脈沖結束的瞬間測量，此處電導池模型考慮了引線分 布電容和雙電層電容。
[0037]由