專利名稱：一種栽培基質(zhì)水分電容傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種栽培基質(zhì)水分電容傳感器，尤其涉及一種基于固定頻率下測(cè)量插入栽培基質(zhì)中探頭電容參數(shù)大小的水分電容傳感器。
背景技術(shù)：
我國(guó)是一個(gè)缺水的農(nóng)業(yè)大國(guó)，高效用水受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。隨著我國(guó)無(wú)土基質(zhì)栽培技術(shù)的迅速推廣，在栽培基質(zhì)中進(jìn)行精確的灌溉控制也逐漸受到重視，而栽培基質(zhì)的水分精確測(cè)量則是實(shí)現(xiàn)水分精確灌溉與控制的必要前提，因此設(shè)計(jì)一種適合我國(guó)國(guó)情的低成本、低功耗、高精度的適用于栽培基質(zhì)水分測(cè)量的傳感器具有現(xiàn)實(shí)意義。目前科技工作者對(duì)栽培基質(zhì)水分的測(cè)量一般都采用現(xiàn)有的測(cè)量土壤水分的商業(yè)化儀器或傳感器進(jìn)行。根據(jù)測(cè)量原理，能實(shí)現(xiàn)土壤水分實(shí)時(shí)測(cè)量方法主要有TDR(時(shí)域反射法)、FDR (頻域反射法)、SWR (駐波率法)和電容法。但他們都存在各自的不足之處測(cè)量精度較高的TDR法是由液體介電特性測(cè)定發(fā)展而成的，它是通過對(duì)高速電磁脈沖傳輸反射信號(hào)的解譯來(lái)測(cè)定土壤的介電特性。由于這一技術(shù)涉及高速電信號(hào)分析，技術(shù)十分復(fù)雜，使采用這一技術(shù)的儀器成本也很高，約10萬(wàn)元人民幣，這些都極大地限制了該方法的推廣應(yīng)用。FDR法是測(cè)量一定頻率下插入含水土壤探頭導(dǎo)納來(lái)確定含水土壤的介電常數(shù)，進(jìn)而估計(jì)土壤水分。嚴(yán)格地說(shuō)屬于電容式水分傳感器的一種。此測(cè)量方法精度相對(duì)較低，成本較高，約I萬(wàn)元人民幣，性能能滿足大多數(shù)的應(yīng)用需求。SWR原理的土壤水分測(cè)量方法也屬于土壤水分介電常數(shù)的測(cè)量，與TDR方法不同的是這種測(cè)量方法不再利用高速延遲線測(cè)量入射-反射時(shí)間差，而是測(cè)量它的駐波比，試驗(yàn)表明三態(tài)混合物介電常數(shù)的改變能夠引起傳輸線上駐波比的顯著變化。利用駐波比原理研制出的傳感器在成本上可降到幾百元人民幣，但對(duì)農(nóng)業(yè)推廣應(yīng)用，特別是搭建分布式水分多點(diǎn)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而言，成本還是比較高。另外，基于TDR、FDR、SWR原理的土壤水分傳感器都是采用不銹鋼針式結(jié)構(gòu)，在較高電導(dǎo)率的土壤中測(cè)量時(shí)誤差大。電容法是測(cè)量插入土壤中的電極的等效電容來(lái)測(cè)量土壤水分的，具有技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，很早就受到人們廣泛注意。如中國(guó)專利號(hào)CN1504745A公開了一種電容式探頭是由表面涂有一層經(jīng)高溫?zé)Y(jié)的具有絕緣和不吸水性陶瓷釉薄膜的兩金屬片構(gòu)成。專利CN101694475B和CN201034964都類似地公開了一種將兩設(shè)有絕緣隔離環(huán)的銅環(huán)電極套在中空絕緣棒上并將其裝入PVC管中可用于土壤剖面水分測(cè)量的電容式水分敏感裝置。上述3個(gè)專利的探頭存在制作麻煩或不適用于插入栽培基質(zhì)并與之良好接觸等不足。再則，此3個(gè)專利的電路設(shè)計(jì)原理都是通過以土壤為介質(zhì)的等效電容作為諧振電路的一部分來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量電容大小的。由于在不同頻率下，一定水分的栽培基質(zhì)表現(xiàn)出不同大小的等效電容，因此采用諧振法測(cè)栽培基質(zhì)水分必然存在系統(tǒng)誤差。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型是為了克服現(xiàn)有土壤水分測(cè)量傳感器的缺點(diǎn)，針對(duì)栽培基質(zhì)相對(duì)土壤的不同的理化性質(zhì)，提供了 一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、尺寸小、成本低、精度高，可有效減小電導(dǎo)影響，便于插入栽培基質(zhì)中并帶有一路溫度信號(hào)輸出測(cè)量栽培基質(zhì)水分的電容式傳感器。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型公開的一種栽培基質(zhì)水分電容傳感器，包括電容式探頭、用于測(cè)量探頭電容大小的c/ν轉(zhuǎn)換電路主板、密封橡膠外殼和輸入輸出接口電纜。所述c/ν轉(zhuǎn)換電路主板設(shè)于密封橡膠外殼內(nèi)，并與輸入輸出接口電纜連接；所述電容式探頭與C/ν轉(zhuǎn)換電路主板為一體結(jié)構(gòu)；電容式探頭由兩條等長(zhǎng)長(zhǎng)條印刷電路板構(gòu)成。所述長(zhǎng)條印刷電路板的特征是由普通電路板加工技術(shù)制作而成的雙面板，雙面板的上下表面進(jìn)行完全覆銅處理，同一條長(zhǎng)條印刷電路板上、下底面的覆銅通過一個(gè)過孔導(dǎo)通。為了兼顧電磁場(chǎng)的穿透深度和信號(hào)強(qiáng)度，所述兩條等長(zhǎng)長(zhǎng)條印刷電路板的寬度與它們之間的間距的比值在2-3之間。所述長(zhǎng)條印刷電路板末端設(shè)計(jì)成三角形，便于插入栽培基質(zhì)。所述c/ν轉(zhuǎn)換電路主板由電源控制模塊、c/ν轉(zhuǎn)換模塊和差分電壓轉(zhuǎn)換模塊組成。所述電源控制模塊是指采用穩(wěn)壓芯片用來(lái)將外部供電電源轉(zhuǎn)換為5V的穩(wěn)壓電源，為C/ν轉(zhuǎn)換電路元器件提供穩(wěn)壓源。所述的C/V轉(zhuǎn)換模塊的功能是把以栽培基質(zhì)為介質(zhì)，兩條長(zhǎng)條雙面印刷電路板為極板，所形成的電容Cmois參數(shù)轉(zhuǎn)化成差分電壓信號(hào)輸出。所述C/V轉(zhuǎn)換模塊核心器件為德國(guó)AMG公司生產(chǎn)的型號(hào)為CAV424的芯片，它是具有信號(hào)采集處理、差分電壓輸出功能的C/ν轉(zhuǎn)換集成芯片。所述C/V轉(zhuǎn)換集成芯片CAV424還自帶一路8mV/K溫度輸出信號(hào)。所述C/V轉(zhuǎn)換集成芯片CAV424測(cè)量端的特點(diǎn)是以栽培基質(zhì)為介質(zhì)，兩條長(zhǎng)條印刷電路板為極板，所形成的電容Cmois并聯(lián)一個(gè)與參考電容一樣大小的電容。所述差分電壓轉(zhuǎn)換模塊其作用是將CAV424芯片的差分電壓輸出轉(zhuǎn)化為單端電壓輸出。其中，測(cè)量探頭電容大小的C/V轉(zhuǎn)換電路主板依次涂有防水膠及密封有橡膠外殼，即整個(gè)栽培基質(zhì)水分傳感器的電子器件均經(jīng)過防水防潮、絕緣及導(dǎo)熱性能良好的電路板防水膠水灌封處理后，再用橡膠外殼絕緣密封，以便能將傳感器埋入栽培基質(zhì)中進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量工作。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的有意效果僅僅使用了簡(jiǎn)單的PCB加工技術(shù)、C/V轉(zhuǎn)換CAV42芯片以及一些簡(jiǎn)單的元器件，沒有使用傳統(tǒng)的土壤電容式水分傳感器的種種復(fù)雜電路，研制了一種適合栽培基質(zhì)水分測(cè)量的電容傳感器。其具有成本低，性能穩(wěn)定，輸入輸出接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，并且自帶一路溫度輸出信號(hào)，便于二次儀器開發(fā)進(jìn)行溫度校正和補(bǔ)償，可進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

圖1是平面電容傳感器的物理模型。 圖2是平面電容電場(chǎng)分布示意圖。圖3是傳感器整體結(jié)構(gòu)示意圖。[0023]圖4是實(shí)施例電路原理圖。其中，I是電容式探頭，2是C/V轉(zhuǎn)換電路主板，3是密封橡膠外殼，4是輸入輸出接口電纜。
具體實(shí)施方式以下結(jié)合具體的附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。本實(shí)施例的測(cè)量原理電容法測(cè)量含水率主要是根據(jù)被測(cè)物相對(duì)介電常數(shù)變化引起電容值變化這一規(guī)律來(lái)實(shí)現(xiàn)的。栽培基質(zhì)可以看做空氣、干基質(zhì)和水組成的多孔介質(zhì)。在IOOMHz的電磁頻率下，水的相對(duì)介電常數(shù)約為80，干基質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)約為2-6，而空氣的相對(duì)介電常數(shù)約為I。可見，含水土壤的介電常數(shù)主要應(yīng)由水的含量來(lái)決定。通過測(cè)量土壤的相對(duì)介電常數(shù)即可達(dá)到測(cè)量土壤體積含水率的目的。圖1是平面電容傳感器的物理模型。其中L為極板長(zhǎng)，b為極板寬度，a為極板間距，理想情況下認(rèn)為極板足夠薄，厚度不計(jì)，足夠長(zhǎng)，忽略邊緣效應(yīng)。圖2是同面散射場(chǎng)式電容傳感器電場(chǎng)分布示意圖。采用單元積分法計(jì)算同面散射場(chǎng)的電容，電容敏感元件之微小面積增量(AF= LAx)上形成的電容值，按圖2所示的電場(chǎng)線，用近似半圓弧形線代替(也可用近似橢圓形線代替)，電容計(jì)算公式是
權(quán)利要求1.一種栽培基質(zhì)水分電容傳感器，包括電容式探頭(I)、用于測(cè)量探頭電容大小的C/ V轉(zhuǎn)換電路主板(2)，其特征在于所述C/V轉(zhuǎn)換電路主板設(shè)于密封橡膠外殼(3)內(nèi)，并與輸入輸出接口電纜(4)連接；所述電容式探頭(I)與C/V轉(zhuǎn)換電路主板(2)為一體結(jié)構(gòu)；電容式探頭(I)由兩條等長(zhǎng)長(zhǎng)條印刷電路板構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的栽培基質(zhì)水分電容傳感器，其特征在于所述兩條等長(zhǎng)長(zhǎng)條印刷電路板是上下表面完全覆銅的雙面板，同一條長(zhǎng)條印刷電路板上下雙面的覆銅通過一個(gè)過孔導(dǎo)通；兩條長(zhǎng)條印刷電路板的寬度與它們之間的間距的比值位于2-3之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的栽培基質(zhì)水分電容傳感器，其特征在于所述C/V轉(zhuǎn)換電路主板(2)由電源控制模塊、C/V轉(zhuǎn)換模塊和差分電壓轉(zhuǎn)換模塊組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的栽培基質(zhì)水分電容傳感器，其特征在于所述C/V轉(zhuǎn)換模塊自帶一路溫度輸出信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的栽培基質(zhì)水分電容傳感器，其特征在于所述C/V轉(zhuǎn)換模塊是把以栽培基質(zhì)為介質(zhì)，兩條長(zhǎng)條雙面印刷電路板為極板，所形成的電容Cmois參數(shù)轉(zhuǎn)化成差分電壓信號(hào)輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的栽培基質(zhì)水分電容傳感器，其特征在于所述差分電壓轉(zhuǎn)換模塊是用于將差分電壓輸出轉(zhuǎn)化為單端電壓輸出。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種栽培基質(zhì)水分電容傳感器，包括用于敏感栽培基質(zhì)水分PCB制作的長(zhǎng)條電容式探頭、用于測(cè)量探頭電容大小的C/V轉(zhuǎn)換電路主板及密封橡膠外殼、輸入輸出接口電纜；電容式探頭由兩條等長(zhǎng)長(zhǎng)條印刷電路板構(gòu)成，與C/V轉(zhuǎn)換電路主板為一體結(jié)構(gòu)。所述C/V轉(zhuǎn)換主板由電源控制模塊、C/V轉(zhuǎn)換模塊和差分電壓轉(zhuǎn)換模塊組成。所述C/V轉(zhuǎn)換模塊還自帶一路溫度輸出信號(hào)。本實(shí)用新型是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、尺寸小、成本低、精度高，可有效減小電導(dǎo)影響，便于插入栽培基質(zhì)中并具有一路溫度信號(hào)輸出的測(cè)量栽培基質(zhì)水分的電容式傳感器。
文檔編號(hào)G01N27/22GK202886315SQ20122052154
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月12日
發(fā)明者盛慶元, 李萍萍, 張西良, 張媛, 胡永光, 吳琪, 陳書田 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)