[发明专利]基于介电特性原理的垂直交叉平面式土壤含水量传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种土壤含水量测量仪，尤其是涉及一种基于介电特性原理的垂直交叉平面式土壤含水量传感器。

背景技术

我国山地丘陵地区滑坡、泥石流等突发地质灾害频发，对人民生命财产安全和经济建设造成严重危害。2008年1-5月，全国除北京、天津、内蒙古、黑龙江、上海、江苏、海南、西藏和宁夏外，其余22个省(自治区、直辖市)都发生了地质灾害，共发生14196起，其中滑坡6158起、崩塌5145起、泥石流399起、地面塌陷405起、地裂缝2038起、地面沉降51起。共造成287人死亡、7人失踪、571人受伤，直接经济损失157.7亿元。针对崩塌、滑坡、泥石流等突发性地质灾害的防治中，各种地质状况的监测是必须的。而土壤的含水量的监测就是其中一个重要部分，尤其是分布式土壤含水量的测量。监测的结果将是地质灾害预警的基本而重要的依据和数据，是对被监测地的地质状况历史和实时的记录和反映。

另外，在农业生产过程中，水资源浪费十分严重，尤其是占总用水量的80％以上的农业用水，其有效利用率极低。目前，我国年灌溉用水量约为3800亿立方米，有效利用率只有30％-40％，而先进国家已达70％-80％。因此节水重点在农业。大力发展节水农业势在必行。节水装备技术是保证节水农业实施的关键技术，而土壤含水量的快速、精确、方便的测定是其中首要问题。

传统的土壤含水量测量方法是烘干法，烘干法较为简单方便，但是它破坏了土壤结构且不能取得土壤的动态资料。从20世纪50年代开始，国内外就在研究使用电测法来替代传统的烘干法，典型的有：电阻法、电容法、红外检测法、中子法、γ射线透射法、TDR和FDR法等。不同的方法都有优点和缺点，电阻法受土壤类型的影响大；中子仪和γ射线透射法，虽通过室内外标定可得到较准确结果，但不安全；TDR和FDR法既安全又准确，但价格昂贵。

与上述方法相比，电容法具有在不破坏原土壤结构的条件下就能够测得土壤的动态含水量，安全、快速、经济等一系列优点，适合于地质灾害预警和农业科学生产等的监测。一般来说，电容法就是利用水的介电常数远大于干燥砂土本身的介电常数，实现对含水量的测量，介电常数与物质的特性有关，不同的物质的介电常数不一样。土壤、空气和水分的介电常数如下，水：ε＝80；土壤粒子：ε＝4；空气：ε＝1。电容传感器电容的变化就是由介电常数的变化而引起的。然而，普通的电容式传感器一般为平行板结构或者插针式结构，存在体积较大、电极结构不稳定等缺点，且不能测量不同深度不同分布点的土壤含水量，不能永久埋入土壤实时测量，受土壤类型的影响较大。

发明内容

为了克服现有土壤含水量传感器的上述不足，本发明的目的在于提供一种基于介电特性原理的垂直交叉平面式土壤含水量传感器，解决了插针式、平行板的电极体积大，结构不稳定，容易变形，影响测量精度的缺点；比同平面电极的感应范围大，插入土壤时与土壤接触更良好。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括垂直交叉平面式传感器探头，高频振荡激励源，隔离变压器，有效值检测电路，信号放大处理电路，单片机AD转换与数据处理电路，RS-485总线通讯接口；高频振荡激励源经过电阻和隔离变压器的初极线圈接地，隔离变压器的次极线圈的两端分别与垂直交叉平面式传感器探头的两个垂直平面电极板连接，初极线圈的非接地端输出信号经有效值检测电路、信号放大处理电路与单片机AD转换与数据处理电路连接，经处理后的信号由RS-485总线通讯接口输出给上位机。

所述的垂直交叉平面式传感器探头，是由两块长方形的双面覆铜印刷电路板经腐蚀出对称布置的覆铜板电极后，两块双面覆铜印刷电路板中心开槽后垂直相交，成“十字”型截面，两块垂直双面覆铜印刷电路板由固定焊盘固定构成；八个覆铜板电极组成四个象限的四对垂直平面，垂直相交后的双面覆铜印刷电路板一端磨有30～60度的斜角，另一段的覆铜板电极均设有信号线接头，四对电极构成垂直感应区域，等效为四个电容器并联。

所述的有效值检测电路和信号放大处理电路，包括AD8361集成电路和AD8041单电源运算放大电路；AD8361集成电路的RFIN脚通过电容的COUT端接隔离变压器初级信号U₀，AD8361集成电路VRMS脚接电阻后输出给DCOUT端，DCOUT端信号经电阻接入AD8041单电源运算放大电路IN-脚，AD8041单电源运算放大电路的OUT脚输出信号A₀给单片机AD转换与数据处理电路。