专利名称：基于真有效值检测的土壤水分传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及土壤水分测量技术领域，特别是涉及一种基于介电方法和高频信号 真有效值检测的土壤水分传感器。
背景技术：
土壤水分是影响农作物生长的重要因素之一，它与农作物的生长状况密切相 关。在精细农业生产中，需要长期监测和及时获取土壤中的水分含量信息，以实现精准 灌溉，从而达到既能满足农作物的生理需水要求，又不造成水资源的浪费，这就需要一 种土壤水分测试装置。
土壤水分的测量方法有烘干法、中子法、电阻法、电容法、TDR(时域反射 法)、FDR(频域反射法)和SWR(驻波法)。烘干法测量精度高，但需取样测量，而且测 量周期长，不适合实时测量；中子法是氢原子对中子源发射的射线的吸收作用进行测量 的，精度高且实时性强，但技术复杂而且中子射线会对环境和人类造成伤害；电阻法和 电容法是利用土壤的介电特性来间接测量的，速度快，但对土壤的适应性较差；TDR和 FDR是国外的专利技术，测量精度很高，但是电路复杂、技术难度大，导致成本极高， 达到数千甚至上万美元；SWR法采用精密信号源，通过测量驻皮率的方法，可使成本 降至几百元，但对于在农业推广应用而言，成本还是偏高。综合考虑技术难度、成本、 精度、实时性等因素，当前土壤水分测量方法中，以介电方法较为普遍。但目前各种商 品化介电法土壤水分传感器以针式结构居多，该结构具有几何结构简单，制作方便等特 点，但受探针强度的影响，探针的长度不能太长，从而限制了测量的土层深度的范围； 此外，由于传感器的外形尺寸等原因，不便将其埋入土壤深层进行测量。发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种成本低、尺寸小、结构简 单、输出接口简单、能实时测量且能埋入土壤中不同深度进行测量的基于真有效值检测 的土壤水分传感器。
为实现上述目的，本发明的技术方案是一种基于真有效值检测的土壤水分传 感器，包括电源滤波电路及依次连接的方波激励信号产生单元、信号衰减器、探针、 真有效值检测器；
所述电源滤波电路，用于减小地电位跳跃和电源噪声，并为电路中各单元提供 稳定、无纹波工作电压；
所述方波激励信号产生单元，用于产生方波信号；
所述信号衰减器，用于降低方波激励信号产生单元输出的方波信号的幅度，并 将处理后的信号发送至探针；
所述探针为两针平行结构，置于待测土壤中进行测量；
所述真有效值检测器，用于将探针上的信号进行真有效值转换，以将探针上的波形信号以等效的直流电压输出，并作为整个传感器的输出信号。
土壤水分传感器通过一接线电缆作为其输入输出的接口，该接线电缆为互相屏 蔽的三芯线，分别与传感器电路的电源输入端、信号输出端及地线相连，用于为传感器 提供电源输入接口和测量结果的信号输出接口。
其中，所述方波激励信号产生单元包括有源晶振及施密特触发器；所述有源晶 振，用于产生单一频率的正弦波或方波高频信号；所述施密特触发器，用于将有源晶振 的输出信号整形成一标准方波信号。
进一步地，所述电源滤波电路是由电阻Rl、电容Cl和电感Ll组成的RLC滤波 电路，电阻Rl和电感Ll并联，并联电路的一端与电源相连，并联电路的另一端与电容 Cl相连，电容Cl的另一端接地。
其中，所述有源晶振的输出频率为10 100MHz。
其中，所述施密特触发器选用集成电路XC74UL14AA，它具有高速低功耗的特 点，典型转换时间为2.3ns，最大消耗电流1 μ A，而且为单通道转换，体积小，只有5只 引脚。
其中，所述信号衰减器为一只电阻，它串联在施密特触发器的输出端与真有效 值检测器输入端之间。
其中，所述电源滤波电路、方波激励信号产生单元、信号衰减器及真有效值检 测器均设于一主印刷电路板上，该探针由两个长条印刷电路板构成，长条印刷电路板上 设有电接触区，长条印刷电路板与主印刷电路板电连接且为一体成型结构，探针通过电 接触区采集信号并传至真有效值检测器。
所述探针长大于或等于lcm，宽大于或等于0.2cm，厚为0.8_2mm，两只探针的 距离大于或等于0.2cm，且探针末端设计成三角形。
所述主印刷电路板与长条印刷电路板均为双层印刷电路板，长条印刷电路板 上、下表面均涂覆有绝缘层，其至少其中一表面与绝缘层之间涂覆有铜层，该电接触区 位于长条印刷电路板涂覆有铜层的表面的四周及长条印刷电路板的侧面，该铜层延伸至 四周及侧面处。
探针末端设计成三角形是为能容易插入土壤，探针只让电接触区的敷铜裸露与 待测土壤接触进行测量。
其中，所述的真有效值检测器选用型号为AD8361的集成电路，它能将频率在 2.5GHz范围内、最高幅值为390mV的简单或复杂波形信号，转换成等效的直流电压输 出，其输出值为输入波信号形真有效值的7.5倍。
其中，所述的接线电缆的电源输入接口的电源输入范围为DC2.7V 5.5V。
其中，主印刷电路板及其上各单元外依次涂有防水胶及密封有橡胶外壳，即整 个土壤水分传感器的电子器件均经过防水防潮、绝缘及导热性能良好的电路板防水胶水 灌封处理后，再用橡胶外壳绝缘密封，以便能将传感器埋入土壤中进行测量工作。
本发明的有益效果结构简单、体积小、功耗低、成本较低；输入输出接口简 单，既易于应用，又方便二次仪器仪表的开发；探针与整个PCB —体化，制作工艺简 化；能埋入土壤的不同深度进行实时和长期测量，且基本上不受土壤中电导的影响，对 土壤适应性好。


利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限 制。
图1 土壤水分传感器的原理框图
图2电源滤波电路原理图
图3方波激励信号发生器电路原理图
图4 土壤水分传感器测量电路原理图
图5 土壤水分传感器外观结构图具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施 例用以说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，为本发明的一种基于真有效值检测的土壤水分传感器的原理框 图，它主要由电源滤波电路及依次连接的方波激励信号产生单元、信号衰减器、探针和 真有效值检测器组成，且电源滤波电路与各个单元相连接。
所述电源滤波电路，用于减小地电位跳跃和电源噪声，并为电路中各单元提供 稳定、无纹波工作电压；所述方波激励信号产生单元，用于产生方波信号；所述信号衰 减器，用于降低方波激励信号产生单元输出的方波信号的幅度，并将处理后的信号发送 至探针；所述探针为两针平行结构，置于待测土壤中进行测量；所述真有效值检测器， 用于将探针上的信号进行真有效值转换，以将探针上的波形信号以等效的直流电压输 出，并作为整个传感器的输出信号。
如图2所示，为电源滤波电路的电路原理图，它是由电感Li、电阻Rl和电容Cl 组成的RLC滤波电路，电感Ll与电阻Rl并联，并联后的一端与电源输入端相连，并联 后的另一端与电容Cl相连，电容Cl的另一端接地。电阻Rl主要用来防止电感Ll和电 容Cl组成的LC电路发生谐振。RLC滤波电路在电路布局上尽量靠近有源晶振的电源输 入端，以最大程度减小射频环路电流，避免有源晶振可能引起与谐振频率有关的电流环 路辐射。其中，电感Ll为ΙμΗ，电阻Rl为2.2 Ω，电容Cl为0.047 μ F，该电路能对 15MHz以上的频率信号进行20dB以上的衰减。RLC滤波电路对外接电源进行滤波后， 再供给电路中的各个电路单元使用，从而为其提供一个稳定、无纹波的工作电压。
如图3所示，是方波激励信号产生单元的电路原理图，它由有源晶振Ul和施密 特触发器U2组成，有源晶振Ul用来产生单一频率的正弦波或方波信号，施密特触发器 U2用来将有源晶振Ul的输出信号整形成标准的方波信号。其中，有源晶振Ul的振荡 频率为100MHz，只要为其提供一个稳定的工作电压，它就能输出固定频率的信号；施 密特触发器U2的型号为XC74UL14AA，它是一个单一通道的、高速低功耗施密特触发 器，其典型的传输延迟时间为2.3ns，可以将400MHz范围内的信号整形成方波信号，其 工作电压为2 5V，最大消耗电流为1 μ A，而且XC74UL14AA只有5只引脚(其中一 只还是空引脚)，体积小、电路连接也很简单。由图3可知，将有源晶振Ul的输出端直 接与施密特触发器U2的输出相连，即可在施密特触发器U2的输出端得到一个波形标准的方波激励信号，电路结构简单，成本低。
如图4所示，为土壤水分传感器的测量电路原理图，它主要由探针、信号衰减 器、真有效值检测器U3及若干电阻电容组成。探针用于置于待测土壤中感知信号，当进 行测量时，探针相当一个电容，其容量与探针周围的介质及探针本身的寄生电容有关。 信号衰减器由电阻R2来实现，它串联在施密特触发器U2的输出端与真有效值检测器U3 的输入端之间，用来将施密特触发器U2输出的方波激励信号进行降幅，以使其适应真有 效值检测器的输入信号的幅度要求，除此之外，电阻R2还有一个作用，它与探针的等效 电容组成一阶RC电路。真有效值检测器用于将探针获得的波形信号进行真有效值转换， 使得探针上的波形信号以等效的直流电压形式输出。
本发明的土壤水分传感器的测量原理是一接通电源后，有源晶振Ul输出一 个IOOMPiz的振荡频率，经施密特触发器U2整形后输出一个波形标准的IOOMHz方波激 励信号后，直接加在由电阻R2和探针插入土壤时的等效电容组成的一阶RC电路上，不 断地进行充放电，然后在探针所等效的电容上会出现一个IOOMHz的周期性波形信号， 最后利用真有效值检测器U3对此波形信号进行真有效值转换，以等效的直流电压形式输 出，并作为土壤水分传感器的测量结果输出。当土壤的含水量不同时，其介电常数发生 变化，从而探针插入土壤时的等效电容也随之变化，最终导致探针等效电容上的充放电 曲线发生变化，即探针上的同期性波形发生变化。通过试验的方法，对本发明的土壤水 分传感器的输出电压与土壤水分的关系进行标定，得到一个函数关系式后，即可用来测 量土壤含水量。由于本发明的土壤水分传感器的方波激励信号的频率较高，土壤中酸碱 盐等离子的电导作用对介电常数的测量基本上没有影响，因此该土壤水分传感器能很好 地适应于不同的土壤。
在图4所示的电路中，真有效值检测器U3是型号为AD8361的集成电路，它是 一个真有效值功率检测器件，其输入端与一 RC高通滤波器电路相连，由单电源供电，工 作电压为2.7V 6.5V，功耗很低，只需要消耗1.1mA的电流，能将频率在2.5GHz范围 内、最高幅值为390mV的简单或复杂波形信号转换成等效的直流电压输出，其输出值为 输入波信号形真有效值的7.5倍，而且体积小，只有6只引脚，外围电路也很简单，只需 要4只电容C2、C3、C4、C5和一只电阻R3即可。其中，电容C2和电容C3是AD8361 的去耦电容，用于进一步滤除电源的噪声和纹波，为AD8361提供一个干净的工作电压； 电容C5用来降低AD8361输出信号的噪声；电阻R3和电容C4与AD8361本身的输入阻 抗构成一个高通滤波电路，只让高于某一频率的信号进入AD8361的信号输入端，根据本 电路的参数计算，AD8361可以对频率高于IOkHz的波形信号进行功率的真有效值检测。 所述RC高通滤器电路中，电容C4的容量为lpF-0.1F，串联在真有效值检测器的输入端 与探针之间；电阻R2为75Ω-95，连接在电容C4与地线之间。
如图5所示，为本发明土壤水分传感器的外观结构图，从外观上看，它由两针 平等结构的探针1、橡胶外壳2和接线电缆3组成。其中，
所述电源滤波电路、方波激励信号产生单元、信号衰减器及真有效值检测器均 设于一主印刷电路板上，该探针由两个长条印刷电路板构成，长条印刷电路板上设有电 接触区，长条印刷电路板与主印刷电路板电连接且为一体成型结构，探针通过电接触区 采集信号并传至真有效值检测器。
所述探针长大于或等于lcm，宽大于或等于0.2cm，厚为0.8_2mm，两只探针的 距离大于或等于0.2cm，且探针末端设计成三角形。
所述主印刷电路板与长条印刷电路板均为双层印刷电路板，长条印刷电路板 上、下表面均涂覆有绝缘层，其至少其中一表面与绝缘层之间涂覆有铜层，该电接触区 位于长条印刷电路板涂覆有铜层的表面的四周及长条印刷电路板的侧面，该铜层延伸至 四周及侧面处。
主印刷电路板及其上各单元外依次涂有防水胶及密封有橡胶外壳，以便能将传 感器埋入深层土壤中测量，为进一步提高防水防潮能力，在用橡胶外壳2密封前，先将 电路中所有的电子器件均经过防水防潮、绝缘及导热性能良好的电路板防水胶水灌封处 理；接线电缆3为带屏蔽的三芯线，分别与电源的输入端、接地线及真有效值检测器的 输出端相连，用于为传感器提供电源输入接口和测量结果的信号输出接口，其电源输入 接口的电源输入范围为DC2.7V 5.5V。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明 保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人 员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方 案的实质和范围。
权利要求
1.一种基于真有效值检测的土壤水分传感器，其特征在于，包括电源滤波电路及 依次连接的方波激励信号产生单元、信号衰减器、探针、真有效值检测器；所述电源滤波电路，用于减小地电位跳跃和电源噪声，并为电路中各单元提供稳 定、无纹波工作电压；所述方波激励信号产生单元，用于产生方波信号；所述信号衰减器，用于降低方波激励信号产生单元输出的方波信号的幅度，并将处 理后的信号发送至探针；所述探针为两针平行结构，置于待测土壤中进行测量；所述真有效值检测器，用于将探针上的信号进行真有效值转换，以将探针上的波形 信号以等效的直流电压输出，并作为整个传感器的输出信号。
2.根据权利要求1所述的基于真有效值检测的高频电容式土壤水分传感器，其特征在于所述方波激励信号产生单元包括有源晶振及施密特触发器；所述有源晶振，用于产生单一频率的正弦波或方波高频信号；所述施密特触发器，用于将有源晶振的输出信号整形成一标准方波信号。
3.根据权利要求2所述的基于真有效值检测的土壤水分传感器，其特征在于所述 电源滤波电路是由电阻Rl、电容Cl和电感Ll组成的RLC滤波电路，电阻Rl和电感Ll 并联，并联电路的一端与电源相连，并联电路的另一端与电容Cl相连，电容Cl的另一 端接地。
4.根据权利要求2所述的基于真有效值检测的土壤水分传感器，其特征在于所述 有源晶振的输出频率为IOMHz 400MHz ；所述施密特触发器为型号为XC74UL14AA的 集成电路，其输入端与所述有源晶振的输出端相连；所述信号衰减器为一电阻，其串联 在施密特触发器与真有效值检测器之间。
5.根据权利要求2所述的基于真有效值检测的高频电容式土壤水分传感器，其特征在 于所述电源滤波电路、方波激励信号产生单元、信号衰减器及真有效值检测器均设于 一主印刷电路板上，该探针由两个长条印刷电路板构成，长条印刷电路板上设有电接触 区，长条印刷电路板与主印刷电路板电连接且为一体成型结构，探针通过电接触区采集 信号并传至真有效值检测器。
6.根据权利要求5所述的基于真有效值检测的土壤水分传感器，其特征在于所述 探针长大于或等于lcm，宽大于或等于0.2cm，厚为0.8_2_，两只探针的距离大于或等 于0.2cm，且探针末端设计成三角形。
7.根据权利要求5所述的基于真有效值检测的土壤水分传感器，其特征在于所述 主印刷电路板与长条印刷电路板均为双层印刷电路板，长条印刷电路板上、下表面均涂 覆有绝缘层，其至少其中一表面与绝缘层之间涂覆有铜层，该电接触区位于长条印刷电 路板涂覆有铜层的表面的四周及长条印刷电路板的侧面，该铜层延伸至四周及侧面处。
8.根据权利要求2所述的基于真有效值检测的土壤水分传感器，其特征在于所述 真有效值检测器为型号为AD8361的集成电路，其输入端与一 RC高通滤波器电路相连。
9.根据权利要求8所述的基于真有效值检测的土壤水分传感器，其特征在于所述 RC高通滤器电路中，电容C4的容量为lpF-0.1F，串联在真有效值检测器的输入端与探针之间；电阻R2为75 Ω-95 Ω，连接在电容C4与地线之间。
10.根据权利要求5所述的基于真有效值检测的高频电容式土壤水分传感器，其特征 在于土壤水分传感器通过一接线电缆作为其输入输出的接口，该接线电缆为互相屏蔽 的三芯线，分别与传感器电路的电源输入端、信号输出端及地线相连；主印刷电路板及 其上各单元外依次涂有防水胶及密封有橡胶外壳。
全文摘要
一种基于真有效值检测的土壤水分传感器，包括电源滤波电路、有源晶振、施密特触发器、信号衰减器、探针和真有效值检测器。施密特触发器将有源晶振输出的高频正弦波或方波信号整形成波形标准方波信号，经信号衰减器降幅后，并对信号衰减器和探针组成的RC电路进行周期性充放电，在探针上得到周期性充放电曲线波形，再利用真有效值检测器，将探针上波形信号转换成等效直流电压，作为传感器输出信号。当土壤水分不同时，探针等效电容也不同，其充放电波形也不同，最终输出信号也不同，利用此原理实现土壤水分测量。本发明具有结构简单、体积小、功耗低、成本较低、对土壤适应性好、输入输出接口简单等特点，既易于应用，又方便二次仪器仪表开发。
文档编号G01N22/04GK102023182SQ20101052976
公开日2011年4月20日 申请日期2010年10月29日 优先权日2010年10月29日
发明者冯瑞珏, 刘志壮, 岳学军, 文韬, 李加念, 李震, 洪添胜 申请人:华南农业大学