專利名稱：基于介電特性原理的垂直交叉平面式土壤含水量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種土壤含水量測量儀，尤其是涉及一種基于介電特性原理的垂直交叉平面式土壤含水量傳感器。
背景技術(shù)：
我國山地丘陵地區(qū)滑坡、泥石流等突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，對人民生命財產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)建設(shè)造成嚴(yán)重危害。2008年1-5月，全國除北京、天津、內(nèi)蒙古、黑龍江、上海、江蘇、海南、 西藏和寧夏外，其余22個省(自治區(qū)、直轄市)都發(fā)生了地質(zhì)災(zāi)害，共發(fā)生14196起，其中滑坡6158起、崩塌5145起、泥石流399起、地面塌陷405起、地裂縫2038起、地面沉降51 起。共造成287人死亡、7人失蹤、571人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失157. 7億元。針對崩塌、滑坡、 泥石流等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的防治中，各種地質(zhì)狀況的監(jiān)測是必須的。而土壤的含水量的監(jiān)測就是其中一個重要部分，尤其是分布式土壤含水量的測量。監(jiān)測的結(jié)果將是地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警的基本而重要的依據(jù)和數(shù)據(jù)，是對被監(jiān)測地的地質(zhì)狀況歷史和實(shí)時的記錄和反映。另外，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，水資源浪費(fèi)十分嚴(yán)重，尤其是占總用水量的80%以上的農(nóng)業(yè)用水，其有效利用率極低。目前，我國年灌溉用水量約為3800億立方米，有效利用率只有30%-40%，而先進(jìn)國家已達(dá)70%-80%。因此節(jié)水重點(diǎn)在農(nóng)業(yè)。大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)勢在必行。節(jié)水裝備技術(shù)是保證節(jié)水農(nóng)業(yè)實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)，而土壤含水量的快速、精確、方便的測定是其中首要問題。傳統(tǒng)的土壤含水量測量方法是烘干法，烘干法較為簡單方便，但是它破壞了土壤結(jié)構(gòu)且不能取得土壤的動態(tài)資料。從20世紀(jì)50年代開始，國內(nèi)外就在研究使用電測法來替代傳統(tǒng)的烘干法，典型的有電阻法、電容法、紅外檢測法、中子法、Y射線透射法、TDR和 FDR法等。不同的方法都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，電阻法受土壤類型的影響大；中子儀和、射線透射法，雖通過室內(nèi)外標(biāo)定可得到較準(zhǔn)確結(jié)果，但不安全；TDR和FDR法既安全又準(zhǔn)確，但價格
曰蟲印貝。與上述方法相比，電容法具有在不破壞原土壤結(jié)構(gòu)的條件下就能夠測得土壤的動態(tài)含水量，安全、快速、經(jīng)濟(jì)等一系列優(yōu)點(diǎn)，適合于地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警和農(nóng)業(yè)科學(xué)生產(chǎn)等的監(jiān)測。 一般來說，電容法就是利用水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于干燥砂土本身的介電常數(shù)，實(shí)現(xiàn)對含水量的測量，介電常數(shù)與物質(zhì)的特性有關(guān)，不同的物質(zhì)的介電常數(shù)不一樣。土壤、空氣和水分的介電常數(shù)如下，水ε =80;土壤粒子ε =4;空氣ε =1。電容傳感器電容的變化就是由介電常數(shù)的變化而引起的。然而，普通的電容式傳感器一般為平行板結(jié)構(gòu)或者插針式結(jié)構(gòu)，存在體積較大、電極結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，且不能測量不同深度不同分布點(diǎn)的土壤含水量，不能永久埋入土壤實(shí)時測量，受土壤類型的影響較大。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有土壤含水量傳感器的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于介電特性原理的垂直交叉平面式土壤含水量傳感器，解決了插針式、平行板的電極體積大，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，容易變形，影響測量精度的缺點(diǎn)；比同平面電極的感應(yīng)范圍大，插入土壤時與土壤接觸更良好。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是本發(fā)明包括垂直交叉平面式傳感器探頭，高頻振蕩激勵源，隔離變壓器，有效值檢測電路，信號放大處理電路，單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理電路，RS-485總線通訊接口 ；高頻振蕩激勵源經(jīng)過電阻和隔離變壓器的初極線圈接地，隔離變壓器的次極線圈的兩端分別與垂直交叉平面式傳感器探頭的兩個垂直平面電極板連接，初極線圈的非接地端輸出信號經(jīng)有效值檢測電路、信號放大處理電路與單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理電路連接，經(jīng)處理后的信號由RS-485總線通訊接口輸出給上位機(jī)。所述的垂直交叉平面式傳感器探頭，是由兩塊長方形的雙面覆銅印刷電路板經(jīng)腐蝕出對稱布置的覆銅板電極后，兩塊雙面覆銅印刷電路板中心開槽后垂直相交，成“十字” 型截面，兩塊垂直雙面覆銅印刷電路板由固定焊盤固定構(gòu)成；八個覆銅板電極組成四個象限的四對垂直平面，垂直相交后的雙面覆銅印刷電路板一端磨有30 60度的斜角，另一段的覆銅板電極均設(shè)有信號線接頭，四對電極構(gòu)成垂直感應(yīng)區(qū)域，等效為四個電容器并聯(lián)。所述的有效值檢測電路和信號放大處理電路，包括AD8361集成電路和AD8041單電源運(yùn)算放大電路；AD8361集成電路的RFIN腳通過電容的COUT端接隔離變壓器初級信號 U0,AD8361集成電路VRMS腳接電阻后輸出給DCOUT端，DCOUT端信號經(jīng)電阻接入AD8041單電源運(yùn)算放大電路IN-腳，AD8041單電源運(yùn)算放大電路的OUT腳輸出信號Atl給單片機(jī)AD 轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理電路。所述的單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理電路包括MSP430F1232單片機(jī)、SPX5205穩(wěn)壓電源和MAX3481驅(qū)動電路，MSP430F1232單片機(jī)的P2. 0/A0腳接信號放大處理電路的輸出信號 A。，MSP430F1232 單片機(jī)的 P3. 5/URXD0 腳接 MAX!3481 驅(qū)動電路的 RO 腳，MSP430F1232 單片機(jī)的P3. 4/UTXD0腳接MAX;3481驅(qū)動電路的RI腳，MSP430F1232單片機(jī)的P3. 6腳接MAX!3481 驅(qū)動電路的RE腳和DE腳。MAX3481驅(qū)動電路的A和B腳接RS485總線與上位機(jī)相連。本發(fā)明具有的有益效果是1)本傳感器探頭結(jié)構(gòu)在插入土壤時比探針式結(jié)構(gòu)和平行片面結(jié)構(gòu)更不容易變形， 比單平面式探頭的感應(yīng)范圍大。2)隔離變壓器的次級的兩端是等效的，兩個電極板之間沒有直流偏置電壓，所以當(dāng)兩個電極插入土壤的時候不會引起土壤中的帶電離子的單方向運(yùn)動，所以電極不會與土壤中的電解質(zhì)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。3)采用高頻振蕩器產(chǎn)生激勵信號，降低了土壤類型對土壤含水量測量的影響，而且降低了成本，采用隔離變壓器，減小了土壤中的電解質(zhì)液對電極的腐蝕，電極不會與土壤中的電解質(zhì)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。4)以數(shù)字信號輸出，可以接多個傳感器同時測量，實(shí)現(xiàn)多機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)分布式多點(diǎn)多深度的土壤含水量測量。本發(fā)明可以應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害(如滑坡、泥石流等)的監(jiān)測和科學(xué)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中。


圖1是本發(fā)明的傳感器的探頭的兩個電極板制版圖。
圖2是本發(fā)明的兩個極板安裝好后的垂直交叉平面式傳感器探頭立體結(jié)構(gòu)圖。圖3是本發(fā)明的土壤含水量傳感器的外形結(jié)構(gòu)圖。
圖4是本發(fā)明的兩垂直平面電極的電力線近似分布圖。圖5是本發(fā)明的檢測電路系統(tǒng)框圖。圖6是有效值檢測與信號放大電路。圖7是單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理電路圖。圖中1、雙面覆銅印刷電路板，2、覆銅板電極，3、槽，4、固定焊盤，5、信號線接頭， 6、垂直交叉平面式傳感器探頭，7、密封結(jié)構(gòu)外殼，8、電源和信號線接口。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖5所示，本發(fā)明包括垂直交叉平面式傳感器探頭，高頻振蕩激勵源，隔離變壓器，有效值檢測電路，信號放大處理電路，單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理電路，RS-485總線通訊接口 ；高頻振蕩激勵源經(jīng)過電阻和隔離變壓器的初極線圈接地，隔離變壓器的次極線圈的兩端分別與垂直交叉平面式傳感器探頭的兩個垂直平面電極板連接，初極線圈的非接地端輸出信號經(jīng)有效值檢測電路、信號放大處理電路與單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理電路連接，經(jīng)處理后的信號由RS-485總線通訊接口輸出給上位機(jī)。如圖1、圖2、圖3所示，所述的垂直交叉平面式傳感器探頭6，是由兩塊長方形的雙面覆銅印刷電路板1 (本發(fā)明采用環(huán)氧樹脂-玻璃纖維布基雙面覆銅印刷電路板)經(jīng)腐蝕出對稱布置的覆銅板電極2后，兩塊雙面覆銅印刷電路板1中心開槽3后垂直相交，成“十字”型截面，兩塊垂直雙面覆銅印刷電路板由固定焊盤4固定構(gòu)成；八個覆銅板電極2組成四個象限的四對垂直平面，垂直相交后的雙面覆銅印刷電路板1 一端磨有30 60度的斜角，另一段的覆銅板電極2均設(shè)有信號線接頭5，四對電極構(gòu)成垂直感應(yīng)區(qū)域，等效為四個電容器并聯(lián)。作為傳感器插入土壤的一端磨有30度的斜角，以便插入土壤。本傳感器探頭結(jié)構(gòu)在插入土壤時比探針式結(jié)構(gòu)和平行片面結(jié)構(gòu)更不容易變形，比單平面式探頭的感應(yīng)范圍大。采用IOOMHz的有源晶振作為其高頻振蕩激勵源，其供電電壓為直流5V，輸出為帶 2. 5V的直流偏置的，峰峰值為4V的IOOMHz的方波信號，經(jīng)過一個電阻和一個隔離變壓器的初極線圈接地。所述隔離變壓器的初級、次級線圈比為1 1。初級的電壓和次級的電壓相等。初級線圈一端串聯(lián)一個分壓電阻后接高頻振蕩激勵源，另一端接地。次級線圈的兩端分別接到傳感器的兩個垂直平面電極板。隔離變壓器的次級的兩端是等效的，兩個電極板之間沒有直流偏置電壓，所以當(dāng)兩個電極插入土壤的時候不會引起土壤中的帶電離子的單方向運(yùn)動，所以電極不會與土壤中的電解質(zhì)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。其中，土壤的含水量變化的時候，電極板間的土壤的介電常數(shù)會產(chǎn)生變化，則其容抗也會因此產(chǎn)生變化，容抗變化會引起隔離變壓器的初級電流產(chǎn)生變化，為此隔離變壓器的初級線圈的電壓也會變化，有效值電路就連接在分壓電阻與初級線圈的輸入端上。如圖6所示，所述的有效值檢測電路和信號放大處理電路，包括AD8361集成電路和AD8041單電源運(yùn)算放大電路；AD8361集成電路的RFIN腳通過電容的COUT端接隔離變壓器初級信號U0，AD8361集成電路VRMS腳接電阻后輸出給DCOUT端，DCOUT端信號經(jīng)電阻接入AD8041單電源運(yùn)算放大電路IN-腳，AD8041單電源運(yùn)算放大電路的OUT腳輸出信號 A0給單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理電路。如圖7所示，所述的單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理電路包括MSP430F1232單片機(jī)、 SPX5205穩(wěn)壓電源和MAX3481驅(qū)動電路，MSP430F1232單片機(jī)的P2. 0/A0腳接信號放大處理電路的輸出信號Atl，MSP430F1232單片機(jī)的P3. 5/URXD0腳接MAX3481驅(qū)動電路的RO腳， MSP430F1232單片機(jī)的P3. 4/UTXD0腳接MAX!3481驅(qū)動電路的RI腳，MSP430F1232單片機(jī)的 P3. 6腳接MAX;3481驅(qū)動電路的RE腳和DE腳。MAX!M81驅(qū)動電路的A和B腳接RS485總線與上位機(jī)相連。圖1是發(fā)明的傳感器的探頭的兩個電極板制版圖，該探頭采用雙面覆銅印刷電路板(PCB)制作，正反兩面都是一樣的，基板的材料為一般的環(huán)氧樹脂-玻璃纖維布基覆銅板(通稱FR-4)，電極的材料為表面的覆銅片。其結(jié)構(gòu)為兩塊中心開槽的長方形PCB板，一端設(shè)計(jì)成一個磨有30度的斜角，以便插入土壤，其中兩個中心槽的寬度正好和PCB板的厚度一樣。每個板上在中心槽對應(yīng)的地方都設(shè)計(jì)有焊盤，安裝時，把兩塊板的中心槽對好，兩個平板垂直的插入中心槽，這時兩塊垂直平板上的焊盤的位置正好對應(yīng)，用焊錫將兩個PCB 板焊接在一起，如果覺得不夠牢固，可以在中心槽處用其他膠水進(jìn)行固定，安裝好的后立體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。圖2是兩個極板安裝好后的垂直交叉平面式傳感器探頭立體結(jié)構(gòu)圖，其結(jié)構(gòu)為兩塊中心開槽的長方形PCB板垂直相交，成十字型截面，兩個垂直片面由PCB板上的焊盤固定。電極組為四個象限的四對垂直平面。作為電極的覆銅片的一端有導(dǎo)線引出與后端電路相連，共4對電極，等效為4個電容器并聯(lián)連接。單對電極板的兩垂直平面電極的電力線近似分布圖如圖4所示。如圖4所示，設(shè)單個電極板長為L，寬為a，兩塊電極板到原點(diǎn)的間距為b。理想化的傳感器電力線如圖4，用近似圓弧代替實(shí)際電力線(也可用近似橢圓線代替)。Y軸的正半軸與X軸的正半軸之間區(qū)域?yàn)楣ぷ鲄^(qū)間。兩個電極板間的電容為Cs = Cb+Cw ； (1)Cb為基板層(非工作區(qū)間)的電容量，當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)與基板材料確定時Cb為一常量。Cw為工作區(qū)間的電容量，其大小隨著工作區(qū)間的總介電常數(shù)ε χ的變化而變化。取電容敏感元件之微小面積增量(AS = LAx)上生成的電容值A(chǔ)CX，Δχ為X方向的微小增量單元，按圖中所示的四分之一半圓弧電力線的距離為d，所以
εχ ‘ AS _ 2εχ -1 - AxACjc - = ^— 7~
d π(Χ + b) .................. (2)當(dāng)X從0到a積分就可以得到Cw
權(quán)利要求
1.一種基于介電特性原理的垂直交叉平面式土壤含水量傳感器，其特征在于包括垂直交叉平面式傳感器探頭，高頻振蕩激勵源，隔離變壓器，有效值檢測電路，信號放大處理電路，單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理電路，RS-485總線通訊接口 ；高頻振蕩激勵源經(jīng)過電阻和隔離變壓器的初極線圈接地，隔離變壓器的次極線圈的兩端分別與垂直交叉平面式傳感器探頭的兩個垂直平面電極板連接，初極線圈的非接地端輸出信號經(jīng)有效值檢測電路、信號放大處理電路與單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理電路連接，經(jīng)處理后的信號由RS-485總線通訊接口輸出給上位機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于介電特性原理的垂直交叉平面式土壤含水量傳感器，其特征在于所述的垂直交叉平面式傳感器探頭(6)，是由兩塊長方形的雙面覆銅印刷電路板(1)經(jīng)腐蝕出對稱布置的覆銅板電極⑵后，兩塊雙面覆銅印刷電路板(1)中心開槽⑶后垂直相交，成“十字”型截面，兩塊垂直雙面覆銅印刷電路板由固定焊盤⑷固定構(gòu)成；八個覆銅板電極⑵組成四個象限的四對垂直平面，垂直相交后的雙面覆銅印刷電路板(1) 一端磨有30 60度的斜角，另一段的覆銅板電極( 均設(shè)有信號線接頭(5)，四對電極構(gòu)成垂直感應(yīng)區(qū)域，等效為四個電容器并聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于介電特性原理的垂直交叉平面式土壤含水量傳感器，其特征在于所述的有效值檢測電路和信號放大處理電路，包括AD8361集成電路和 AD8041單電源運(yùn)算放大電路；AD8361集成電路的RFIN腳通過電容的COUT端接隔離變壓器初級信號U0，AD8361集成電路VRMS腳接電阻后輸出給DCOUT端，DCOUT端信號經(jīng)電阻接入 AD8041單電源運(yùn)算放大電路IN-腳，AD8041單電源運(yùn)算放大電路的OUT腳輸出信號AO給單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于介電特性原理的垂直交叉平面式土壤含水量傳感器，其特征在于所述的單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理電路包括MSP430F1232單片機(jī)、SPX5205 穩(wěn)壓電源和MAX3481驅(qū)動電路，MSP430F1232單片機(jī)的P2. 0/A0腳接信號放大處理電路的輸出信號 Atl, MSP430F1232 單片機(jī)的 P3. 5/URXD0 腳接MAX!3481 驅(qū)動電路的 RO腳，MSP430F1232 單片機(jī)的P3. 4/UTXD0腳接MAX3481驅(qū)動電路的RI腳，MSP430F1232單片機(jī)的P3. 6腳接 MAX3481驅(qū)動電路的RE腳和DE腳，MAX!3481驅(qū)動電路的A和B腳接RS485總線與上位機(jī)相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于介電特性原理的垂直交叉平面式土壤含水量傳感器。高頻振蕩激勵源經(jīng)隔離變壓器的初極線圈接地，次極線圈的兩端分別與傳感器探頭的兩個垂直平面電極板連接，初極線圈的非接地端輸出信號經(jīng)有效值檢測電路、信號放大處理電路與單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理電路連接，經(jīng)處理后的信號由RS-485總線通訊接口輸出給上位機(jī)。本發(fā)明插入土壤時比探針式結(jié)構(gòu)和平行片面結(jié)構(gòu)更不容易變形，比單平面式探頭的感應(yīng)范圍大；隔離變壓器的次級的兩端是等效的，兩個電極板之間沒有直流偏置電壓，插入土壤時不會引起土壤中的帶電離子的單方向運(yùn)動，不與土壤中的電解質(zhì)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。本發(fā)明可應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測和科學(xué)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中。
文檔編號G01N27/22GK102520025SQ20111042949
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月20日
發(fā)明者施閣, 李雄, 李青, 王燕杰, 童仁園 申請人:中國計(jì)量學(xué)院