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專利名稱：土壤水分測(cè)量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于土壤水分測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及基于邊緣電容效應(yīng)法測(cè)量水分含量的一種土壤水分測(cè)量傳感器。
背景技術(shù)：
農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中經(jīng)常需要檢測(cè)土壤域作物栽培基質(zhì)水分，比如在農(nóng)業(yè)氣象檢測(cè)，智能化灌溉控制系統(tǒng)等應(yīng)用中，都需要有一種精確性，穩(wěn)定性，實(shí)時(shí)性較高的土壤含水率傳感器。時(shí)域反射技術(shù)TDR(Time Domain Reflectrometry)(TOPP，1980)，頻域分解技術(shù)FD(Frequency Decomposition)(Hilhorst，1996)，傳輸線駐波法SWR(Standing Wave Ratio)(Daslin and Muller，1996)，電容傳感器CS(Capacitance Sensor)(Tomas，1966，Dean，1987Gardiner，1991and 1998，Gaudu，1993)等測(cè)量手段都是基于介電原理發(fā)展起來(lái)的測(cè)量方法。TDR與FD的技術(shù)實(shí)非常復(fù)雜，因而導(dǎo)致商品化傳感器價(jià)格昂貴。傳輸線駐波法不僅需要在傳感器中內(nèi)置一段相當(dāng)長(zhǎng)的高頻傳輸線，而且目前的這種測(cè)量方法受振蕩器輸出參數(shù)的影響很大，因此對(duì)振蕩器的輸出幅度與輸出阻抗匹配要求很高。
基于電容的傳感器一般做成雙探針與多探針形式，或者把探頭做成標(biāo)準(zhǔn)的同軸線形式。雙探針與多探針傳感器由于探針不能做的太長(zhǎng)，所以只能測(cè)量土壤表層土壤水分，深層土壤水分不能測(cè)量。如果探頭為標(biāo)準(zhǔn)的同軸形式，雖然理論上他的精度很高，但是很難插入土壤層。若取出被測(cè)定的土樣，裝入同軸線探極之間，將會(huì)破壞被測(cè)土樣本身的物理環(huán)境。
因此以上方法在我國(guó)的實(shí)際應(yīng)用中存在一定的不實(shí)用性，很難做到大范圍推廣使用。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種土壤水分測(cè)量傳感器。由傳感器、電路板和絕緣套管組成；其特征在于，所述傳感器的絕緣圓筒1外表面包裹兩個(gè)雙環(huán)銅片2，電路板固定于絕緣圓筒1內(nèi)，電路板與雙環(huán)銅片2相連；絕緣圓筒上蓋10中央有一圓孔，圓孔內(nèi)放置與電路板相連的輸出信號(hào)線4通過空心操縱桿3引出；圓孔邊有四個(gè)規(guī)則放置的小孔9；用螺絲穿過小孔9，將接頭6固定在絕緣圓筒上蓋10上，操縱桿3下端接頭螺紋7與絕緣圓筒上蓋10的連接是通過接頭6的內(nèi)螺紋相連的。
所述電路板由一塊壓控振蕩芯片E1648和調(diào)整電容C6、C7、C8、C6組成。
所述絕緣圓筒外表面的雙環(huán)銅片2是平行的，并且每一環(huán)都有通過絕緣圓筒的一孔與電路板的電路相連。
所述套管為絕緣塑料材料。
所述套管5的內(nèi)徑等于絕緣圓筒1包裹雙環(huán)銅片2后的外徑；絕緣圓筒1在套管5內(nèi)上下滑動(dòng)。
所述操縱桿中心是空的。
本實(shí)用新型的有益效果是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足提出一種實(shí)用的、價(jià)格低廉的的一種新型的土壤水分測(cè)量傳感器。其特點(diǎn)主要有三點(diǎn)，(1)基于電容邊緣效應(yīng)的電路設(shè)計(jì)巧妙，使芯片在60MHZ～120MHZ之間振蕩，在此振蕩頻率下，土壤含鹽量對(duì)土壤水分測(cè)量影響很小。(2)傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)特，絕緣圓筒在套管內(nèi)滑動(dòng)，可以測(cè)量不同深度土壤的水分含量。(3)用于農(nóng)田土壤或是溫室栽培基質(zhì)的水分含量測(cè)量，使用更加方便。


圖1為土壤水分測(cè)量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為絕緣圓筒的俯視圖。
圖3為絕緣圓筒的結(jié)構(gòu)和接頭連接圖。
圖4為傳感器的電路原理圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型提供一種土壤水分測(cè)量傳感器，由傳感器、電路板和絕緣套管組成。在圖1所示土壤水分測(cè)量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖中，在傳感器的絕緣圓筒1外表面包裹兩個(gè)雙環(huán)銅片2，電路板固定于絕緣圓筒1內(nèi)，電路板與雙環(huán)銅片2相連；絕緣圓筒上蓋10中央有一圓孔，圓孔內(nèi)放置與電路板相連的輸出信號(hào)線4通過空心操縱桿3引出；圓孔邊有四個(gè)規(guī)則放置的小孔9(如圖2所示)；用螺絲穿過小孔9，將接頭6固定在絕緣圓筒上蓋10上，操縱桿3下端接頭螺紋7與絕緣圓筒上蓋10的連接是通過接頭6的內(nèi)螺紋相連的(如圖3所示)，這樣可以方便的使絕緣圓筒裝在操縱桿上，也可以方便的取下來(lái)。
套管5也是絕緣材料做的，套管的底部是密封的，套管5的內(nèi)徑等于絕緣圓筒1包裹雙環(huán)銅片2后的外徑。這樣測(cè)量時(shí)操縱桿可以控制絕緣圓筒在套管內(nèi)上下滑動(dòng)，又可以把套管與銅環(huán)之間的空氣間隙減小到最小。
圖4為傳感器的電路原理圖。所述電路板包括一塊壓控振蕩芯片E1648和調(diào)整電容C6、C7、C8組成，能保證在沒有接入Cp時(shí)壓控芯片能起振在100MHz左右。C7、C8能隔直流。芯片輸出頻率主要由Cs和L1決定。但C6，C7、C8是已知不變的，Cs主要受Cp影響。電路圖中的芯片為E1648，是一塊壓控振蕩芯片。它的最大輸出頻率為225MHZ。其輸出頻率可以下面的公式算出f=12πL1CS...(1)]]>根據(jù)以前的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)振蕩頻率超過30MHZ時(shí)，振蕩頻率主要受土壤的水分含量的影響，而受土壤的鹽分影響很小。所以為使振蕩頻率在30MHZ以上，本電路加了C6、C7、C8。C6與Cp并聯(lián)，這樣可以控制壓控芯片的振蕩初始頻率；C7、C8與Cp串聯(lián)，這樣還可以使電路更加穩(wěn)定。Cs可以由下式算出Cs=11Cp+1C7+1C8+C6=CpC7C8C7C8+C7Cp+C8Cp+C6...(2)]]>根據(jù)以上所述原理及通過(1)、(2)式可知，當(dāng)土壤水分含量變化時(shí)，金屬雙環(huán)之間的電介質(zhì)發(fā)生變化，于是使金屬雙環(huán)兩級(jí)所決定的電容(Cp)。公式(2)得出Cs得變化，公式(1)得出輸出頻率得變化。從而測(cè)出土壤水分得含量。
傳感器的工作原理是套管5埋在土壤8里(如圖1所示)。套管四周為被測(cè)土壤8，雙環(huán)銅片2平行的裹在絕緣圓筒上，分別看作一個(gè)電容的兩極，雙環(huán)銅片2外邊的套管5和土壤8相當(dāng)于電容之間的電介質(zhì)；土壤的水分含量改變，會(huì)使銅環(huán)之間的整個(gè)電介質(zhì)發(fā)生變化，于是電容Cp的大小會(huì)改變，電容的改變會(huì)使電路的輸出頻率改變，因此套管5周圍的土壤水分變化會(huì)使信號(hào)引出線4的輸出頻率改變。當(dāng)絕緣圓筒1在套管5中上下滑動(dòng)時(shí)，不同深度的土壤水分含量將會(huì)測(cè)量出來(lái)。
由上述可知本實(shí)用新型與以往的土壤水分傳感器比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，可以有效地測(cè)量不同深度土壤的水分含量。最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本新型送的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，仍屬于本實(shí)用新型的權(quán)利要求保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種土壤水分測(cè)量傳感器，由傳感器、電路板和絕緣套管組成；其特征在于，所述傳感器的絕緣圓筒(1)外表面包裹兩個(gè)平行的雙環(huán)銅片(2)，電路板固定于絕緣圓筒(1)內(nèi)，電路板與雙環(huán)銅片(2)相連；絕緣圓筒上蓋(10)中央有一圓孔，圓孔內(nèi)放置與電路板相連的輸出信號(hào)線(4)通過空心操縱桿(3)引出；圓孔邊有四個(gè)規(guī)則放置的小孔(9)；用螺絲穿過小孔(9)，將接頭(6)固定在絕緣圓筒上蓋(10)上，操縱桿(3)下端接頭螺紋(7)與絕緣圓筒上蓋(10)的連接是通過接頭(6)的內(nèi)螺紋相連的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述土壤水分測(cè)量傳感器，其特征在于，所述電路板由一塊壓控振蕩芯片E1648和調(diào)整電容C6、C7、C8。C6組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述土壤水分測(cè)量傳感器，其特征在于，所述絕緣圓筒外表面的雙環(huán)銅片(2)是平行的，并且每一環(huán)都有通過絕緣圓筒上的孔與電路板的芯片相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述土壤水分測(cè)量傳感器，其特征在于，所述套管為絕緣塑料材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述土壤水分測(cè)量傳感器，其特征在于，所述套管(5)的內(nèi)徑等于絕緣圓筒(1)包裹雙環(huán)銅片(2)后的外徑；絕緣圓筒(1)在套管(5)內(nèi)上下滑動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述土壤水分測(cè)量傳感器，其特征在于，所述操縱桿中心是空的。
專利摘要本實(shí)用新型公開了屬于土壤水分測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域的基于邊緣效應(yīng)以電容法測(cè)量水分含量的一種土壤水分測(cè)量傳感器。由傳感器、電路板和絕緣套管組成。在傳感器的絕緣圓筒外表面包裹兩個(gè)雙環(huán)銅片，接頭固定在絕緣圓筒上蓋上，操縱桿下端的接頭螺紋通過過接頭的內(nèi)螺紋與絕緣圓筒相連；傳感器的絕緣圓筒在套管中上下滑動(dòng)。電路板固定于絕緣圓筒內(nèi)，電路板與雙環(huán)銅片相連，與電路板相連的輸出信號(hào)線通過空心操縱桿引出。本實(shí)用新型與以往的土壤水分傳感器比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，可以有效地測(cè)量不同深度土壤的水分含量；用于農(nóng)田土壤或是溫室栽培基質(zhì)的水分含量測(cè)量，使用更加方便。
文檔編號(hào)G01N27/00GK2854589SQ200520005689
公開日2007年1月3日 申請(qǐng)日期2005年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月16日
發(fā)明者孫宇瑞, 馬道坤, 何權(quán) 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)