一种土壤湿度传感器制造技术

本实用新型专利技术提供了一种土壤湿度传感器，该土壤湿度传感器的探针按土壤的深度层次分为多组电极组，可由切换电路切换控制其中任一电极组检测其相应深度层次的土壤湿度值，并且不同深度层次的电极组之间相互绝缘，不会相互影响测量值，避免了浅层土壤湿度值影响深层土壤湿度检测等检测失真现象，实现了一支土壤湿度传感器检测不同深度层次的土壤湿度情况，在灌溉检测工程应用中有助于节省硬件成本。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于土壤水分测量
，尤其涉及一种土壤湿度传感器。
技术介绍
随着现代农业和智能灌溉系统的发展，土壤水分的检测控制要求不断提高，土壤 湿度传感器是土壤水分检测中最常应用的检测设备。目前的土壤湿度传感器主要利用频域 反射法、时域反射法或驻波法测量土壤的含水量，其中频域反射法因其技术简便安全、测量 快速准确等特点应用最为普遍。采用频域反射法的土壤湿度传感器，是利用不同含水量的土壤其介电常数的特 性，通过探针检测土壤的电阻或电容，传感器高频振荡检测电路的振荡频率因探针检测的 电阻值或电容值不同而改变，从而根据振荡频率换算得知土壤的含水量。传统电容式的土 壤湿度传感器为例，主要包括作为电容电极的探针、高频振荡电路、放大电路、A/D转换电 路、处理器和电源电路，探针、高频振荡电路、放大电路、A/D转换电路和处理器依次连接，电 源电路为传感器各部分电路提供工作电压；根据测量应用环境的不同，探针通常设计为为 两根、并行排列的三根、或星状排列的四根，探针数量和排列不同其形成的电容也不同。工 作时，土壤湿度传感器的探针插入土壤中，土壤充当探针之间的电介质，从而由探针和土壤 构成可变电容；土壤水分的改变会使探针之间的介质常数发生变化，使得探针和土壤构成 的可变电容的容值改变，进而高频震荡电路受到可变电容的影响，其振荡频率相应地改变； 高频震荡电路的频率信号由放大电路进行放大，然后经A/D转换电路将放大的频率信号转 换为能够被处理器采集的数字信号，由处理器对该数字信号进行处理输出检测结果，这样 就通过测量频率信号的变化间接测量到了土壤水分的含量。但是，目前市场上采用频域反射法的土壤湿度传感器，其每根探针都是单级的，这 样容易出现几个问题1)由于一根探针整体作为一个电极，在对土壤进行灌溉时，灌溉水一 旦进入土壤一定深度接达到探针的上层检测范围时，就会造成土壤湿度传感器输出检测信 号的明显变化，甚至检测值已达到土壤理想湿度值，而此时深层土壤还并未获得水分灌溉， 土壤整体上并不一定达到了理想湿度；2)用户无法使用一只传感器了解土壤不同深度层次 的含水量情况。这些问题使得现有土壤湿度传感器的应用受到了一定的限制，例如在刚进 行灌溉后土壤湿度测量不准确，测量土壤不同层次的含水量需要多支土壤湿度传感器以及 多个传感器接口，等。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述不足，本技术提供一种能够检测不同深度层次土 壤湿度的土壤湿度传感器。为实现上述目的，本技术采用了如下技术手段一种土壤湿度传感器，包括探 针、高频振荡电路、放大电路、A/D转换电路、处理器和电源电路，所述探针至少有两根，每根 探针均由多个电极段构成且各个电极段相互绝缘，各探针上位置相对应的电极段构成一组电极组；所述土壤湿度传感器还包括切换电路，用于实现探针上各组电极组中任意一组的 选通切换；所述探针上各组电极组通过所述切换电路与高频振荡电路连接，切换电路与处理 器连接并由处理器控制切换状态；所述高频振荡电路、放大电路、A/D转换电路和处理器依 次连接；所述电源电路为传感器各部分电路供电。所述处理器设置有信号输入接口，处理器根据信号输入接口的信号状态控制所述 切换电路的切换状态；此外，所述信号输入接口还可以连接有多路切换开关。相比于现有技术，本技术具有如下有益效果1、本技术的土壤湿度传感器可以了解土壤不同深度的水分情况，并且不同 深度层次的电极组之间相互绝缘，不会相互影响测量值，避免了浅层土壤湿度值影响深层 土壤湿度检测等检测失真现象，从而为准确了解土壤墒情和精确控制灌溉水量奠定良好基 石出；2、仅利用一支本技术土壤湿度传感器的就可以检测不同深度层次的土壤湿 度情况，在灌溉检测工程应用中有助于节省硬件成本；3、本技术的土壤湿度传感器通过设置多路切换开关，可以让传感器不同电极 组的切换操作更加方便。附图说明图1为本技术土壤湿度传感器的外观结构示意图；图2为本技术土壤湿度传感器的检测电路结构示意图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本技术的技术方案作进一步的说明。实施例本实施例的土壤湿度传感器的外观结构如图1所示，主要由三根并行排列的探针 10和检测电路20两部分构成。其探针结构与传统土壤湿度传感器有明显的差别，每根探 针10均采用分段电极结构，由多个电极段11构成，电极段可采用不锈钢等耐腐蚀的导电材 料；每一探针上的各个电极段相互绝缘，可采用聚四氟乙烯等绝缘材料制成的绝缘环12隔 离；电极段11和绝缘环12可设计为空心结构，便于内部导线连接各个电极段；此外，电极 段11和绝缘环12还可采用螺纹结构连接，方便拆卸和组成不同分段数量的探针，本实施例 的每根探针均为三电极段结构；探针10最末端的一个电极段，其末端部可设计为锥形，或 者在其末端部连接一个锥形绝缘针头，便于将探针插入土壤。在连接至检测电路时，各探针 上位置相对应的三个电极段构成一组电极组11a，用于检测某一深度层次的土壤湿度；此 处所述的位置相对应的三个电极段，是指三根探针上沿探针径向位置相当的电极段；各探 针所设置的电极段数量最好相等，以避免有多余电极段无法构成电极组而落单的情况。土壤湿度传感器的检测电路部分主要包括切换电路、高频振荡电路、放大电路、A/ D转换电路、处理器和电源电路，如图2所示。其中，切换电路与各探针连接，用于实现探针 上各组电极组中任意一组的选通切换，可采用继电器选通阵列或者多路选通芯片。高频振 荡电路与切换电路连接，用于根据切换电路选通的电极组的电容量产生不同的频率信号，可采用LC振荡电路，从而切换电路选通的电极组形成LC振荡电路中的一个可变电容；实验 表明，当振荡电路的振荡频率超过30MHz时，振荡频率主要受土壤水分含量的影响，而受土 壤盐分的影响很小，当频率超过IOOMHz时，土壤水分受土壤种类的影响也比较小，因此高 频震荡电路的振荡频率最好设计为10(Γ 50ΜΗζ之间。放大电路与高频振荡电路连接，用于 将高频振荡电路输出的频率信号放大，可采用三极管放大电路。A/D转换电路与放大电路连 接，用于将放大的频率信号转换为能够被处理器采集的数字信号，可采用TLC0831、ADC0832 等市购的常用A/D转换芯片。处理器分别与切换电路和A/D转换电路连接，用于控制切换 电路的切换状态，并对A/D转换电路输出地数字信号进行处理，输出土壤湿度检测结果，可 采用单片机编程实现；处理器的检测运算原理在北京技术中已作介绍，属于现有技术，在此 不再赘述。使用时，将土壤湿度传感器的探针插入土壤内，探针上沿探针径向位置不同的电 极组位于土壤内的不同深度层次中。可通过预设定程序，让处理器控制切换电路每隔数秒 钟进行一次选通切换操作，从而依次切换选通各个电极组。当切换到某一组电极组时，电 极组以其相应深度层次的土壤充当电介质，构成一个可变电容，土壤的含水量改变此可变 电容的容值，导致LC振荡电路的振荡频率发生相应的变化，频率信号再经过放大、A/D转化 后，由处理器计算出相应的土壤湿度检测结果，即为该电极组所在土壤深度层次的土壤湿 度值。由此，可分别检测到探针上各组电极组所在土壤深度层次的土壤湿度值，将其应用到 灌溉系统中，管理人员便可根据具体需要检测的深度本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种土壤湿度传感器，包括探针、高频振荡电路、放大电路、Ａ／Ｄ转换电路、处理器和电源电路，其特征在于，所述探针至少有两根，每根探针均由多个电极段构成且各个电极段相互绝缘，各探针上位置相对应的电极段构成一组电极组；所述土壤湿度传感器还包括切换电路，用于实现探针上各组电极组中任意一组的选通切换；所述探针上各组电极组通过所述切换电路与高频振荡电路连接，切换电路与处理器连接并由处理器控制切换状态；所述高频振荡电路、放大电路、Ａ／Ｄ转换电路和处理器依次连接；所述电源电路为传感器各部分电路供电。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王燕霞，唐云建，韩鹏，孙怀义，
申请(专利权)人：重庆市科学技术研究院，
类型：实用新型
国别省市：85[中国|重庆]