--總結(jié)總結(jié)第十一章土壤濕度傳感器土壤濕度及其表示土壤濕度含量。土壤濕度的高低受農(nóng)田水分平衡各個(gè)分量的制約。土壤濕度傳感器溉和林業(yè)防護(hù)。土壤濕度表示方法土壤含水量=水分重/烘干土重×100％。也可以相當(dāng)于土壤含水量與田間持水量的百分比，或相對(duì)于飽和水量的百分比等相對(duì)含水量表示。微生物活動(dòng)和農(nóng)作物生長發(fā)育的重要條件之一。（）濕，用手?jǐn)D壓時(shí)水能從土壤中流出（）潮，放在（（4）干，放在手上無涼快感覺，粘土成為硬塊。農(nóng)業(yè)氣象上土壤濕度常采用下列方法與單位表示：①重量百分?jǐn)?shù)。即土壤水的重量占其干土重的百分?jǐn)?shù)(％)②田間持水量百分?jǐn)?shù)。即土壤濕度占該類土壤田間持水量的百分?jǐn)?shù)(％)。利于在不同土壤間進(jìn)行比較，但不能給出具體水量的概念。③W（毫米）的計(jì)算公式為:W＝0.1·h·d·w。式中h是土層厚度，d為土壤容重（克／厘米3）,0.1是單位換算系數(shù)，w為土壤濕度（重量百分?jǐn)?shù)。④pF土壤濕度測(cè)量方法地、土壤結(jié)構(gòu)、土壤化學(xué)組成、土壤含鹽量等基本物理化學(xué)特性及變化規(guī)律。①重量法。取土樣烘干，稱量其干土重和含水重加以計(jì)算。水分含量的關(guān)系測(cè)定土壤濕度。③負(fù)壓計(jì)法。使用負(fù)壓計(jì)測(cè)定。當(dāng)未飽和土壤吸水力與器內(nèi)的負(fù)壓力平衡時(shí)，壓力表所示的負(fù)壓力即為土壤吸水力，再據(jù)以求算土壤含水量。能力與土壤含水量有關(guān)，借助事先標(biāo)定，便可求出土壤含水量。⑤遙感法。通過對(duì)低空或衛(wèi)星紅外遙感圖象的判讀，確定較大X圍內(nèi)地表的土壤濕度。

土壤濕度傳感器概述土壤濕度傳感器分類電容型土壤濕度傳感器電容型土壤濕度傳感器的敏感元件為濕敏電容，主要材料一般為金屬氧化--總結(jié)總結(jié)(PSF)(PS)PMMA(線性、交聯(lián)、等離子聚合)。XX11.1為常見的電容型土壤濕度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。交叉指狀的鋁條構(gòu)400μm8μm，11.2所示。11.1電容型土壤濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖11.2電容型土壤濕度傳感器結(jié)俯視圖CQ11.3虛線部分所示，相當(dāng)于一個(gè)電容和一個(gè)電阻的并聯(lián)。11.3Zc的等效形式及測(cè)量微分電路圖電阻型土壤濕度傳感器電阻型土壤濕度傳感器的敏感元件為濕敏電阻，其主要的材料一般為電介--總結(jié)總結(jié)附水分子，引起離子濃度的變化，從而導(dǎo)致兩極間的電阻變化。濕度。11.41作為連續(xù)212--總結(jié)總結(jié)11.4電阻型土壤濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖根據(jù)高分子薄膜電阻型濕度傳感器的物理結(jié)構(gòu)及高分子材料的感濕機(jī)11.5所示。11.5電阻型土壤濕度傳感器簡(jiǎn)化電路和等效電路圖11.5中的兩種等效方法是一致的，不同的是，采用右圖可以直Z R0 1R 1R0 R)2(2fC)2R)2(2fC)2R)2(2fC)201(2fC)1(2fC)2R2000式中，R0C0量；Z0是串聯(lián)模型時(shí)的復(fù)阻抗；Z0為復(fù)阻抗的模。離子型土壤濕度傳感器離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)屬于半導(dǎo)體生物傳感器，是上個(gè)世紀(jì)七十年代ISFET通過柵極上不同敏感薄膜材料直接與被測(cè)溶液中離子緩沖溶液接觸，進(jìn)而可以測(cè)出溶液中的離子濃度。11.6所示。離子敏感器件由()11.6離子型土壤濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖離子敏場(chǎng)效應(yīng)管(ISFET)MOSFET的雙重特性，與傳統(tǒng)的離子選擇性電極(ISE)相比，ISFET具有體積小、靈敏、響應(yīng)快、無標(biāo)記、檢測(cè)方便、(ISFET)MOSFET相似，只是將MOSFET柵極的多晶硅層移去，用濕敏材料所代替。當(dāng)濕度發(fā)生變的變化將會(huì)影響通過非導(dǎo)電物質(zhì)的電荷流。因此，ISFET在生命科學(xué)研究、生物醫(yī)學(xué)工程、醫(yī)療保健、食品加工、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。三種土壤濕度傳感器的分析比較--總結(jié)總結(jié)通過對(duì)三種土壤濕度傳感器的研究可知：電容型土壤濕度傳感器是由交叉指狀鋁條構(gòu)成電容器的電極，利用空氣充當(dāng)電容器的電介質(zhì)，隨空氣相對(duì)濕度的變化其介電常數(shù)發(fā)生變化，電容器的電容值也將隨之變化，所以該電容器可用作土壤濕度傳感器；電阻型土壤濕度傳感器是由通過感濕傳感層的兩個(gè)電極構(gòu)成的許多小單元組成，利用小單元的數(shù)目改變，使電阻值發(fā)生變化，所以可用作土壤濕度傳感器；離子敏型土壤濕度傳感器由敏感膜和轉(zhuǎn)換器兩部分組成，利用敏感膜來識(shí)別離子的種類和濃度，轉(zhuǎn)換器則將敏感膜感知的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，因此也可作為土壤濕度傳感器。CMOS工藝不兼容，并且多孔硅制備的工藝條件及后處理、孔隙及孔徑大小CMOS濕度傳感器的主要感濕介質(zhì)以聚酞亞胺為主。聚酞亞胺類的傳感器可與CMOS工藝兼容，成本也較CMOSCMOS的工藝。例如：改變生產(chǎn)過程的先后順序，使用新的掩膜板等，這些都會(huì)耗費(fèi)大量的流片資金；并且與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝相比，工藝較不成熟，增加了流片的風(fēng)險(xiǎn)性；同時(shí)它們存在著難與外圍電子封裝在一起的困難。另外，電容型濕度傳感器(CHS)由于感應(yīng)相對(duì)濕度X圍大，并且結(jié)構(gòu)與等效形式較簡(jiǎn)單，生產(chǎn)過程較容易，因此對(duì)它的研究受到了廣泛重視。以梳狀鋁電極結(jié)構(gòu)的聚酞亞胺作為電容型土壤濕度傳感器的感濕介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)主要是可與CMOS工藝相兼容，可利用成熟的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝來加工，且加工工藝較簡(jiǎn)單，所以能--總結(jié)總結(jié)夠把更多的器件(敏感器件或外圍的電路器件)集成在同一塊芯片上或封裝在一感器向小型化、集成化、成本低、功能全面等好的方向發(fā)展。電阻型土壤濕度傳感器的設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)思路土壤屬于多孔介質(zhì)，由固、液、氣相3部分組成。物理學(xué)的電流電壓定律，也適用于土壤中。土壤的氣相和固相可以認(rèn)為是介質(zhì)，而土壤中的水卻不是純,A/D轉(zhuǎn)換后輸入計(jì)算機(jī)，從而進(jìn)行自動(dòng)控制。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)土壤濕度傳感器由兩根銅合金探針組成,5mm,11.8為土壤濕度傳感器的尺寸和結(jié)構(gòu)圖。11.8電阻型土壤濕度傳感器結(jié)構(gòu)圖變送電路設(shè)計(jì)LM324四運(yùn)放集成電路設(shè)計(jì)了變送電路。阻抗式濕度傳感器的非線性大，但其阻抗的對(duì)數(shù)與相對(duì)濕度成線性關(guān)系，因此必須設(shè)計(jì)線性化處理的電路及溫度補(bǔ)償電路。同時(shí)，為了使加在土壤濕度傳感器上的信號(hào)源為交流，設(shè)計(jì)了矩形波發(fā)生器，產(chǎn)生一定頻率和幅值的振蕩信號(hào)，作為濕度傳感器的工作電壓。該電LM324各功能模塊如圖11.9所示，電路原理圖如圖11.10所示電壓跟隨器矩形波發(fā)生器電壓跟隨器矩形波發(fā)生器土壤濕度傳感器對(duì)數(shù)變換電路濾波放大器輸出溫度補(bǔ)償11.9電阻型土壤濕度傳感器變送電路功能模塊11.10電阻型土壤濕度傳感器變送電路LM324-1為電壓跟隨電路，其輸出電壓不受后級(jí)電路阻抗影響，保證了精確的電壓輸出。由于水分子為極性分子，在直流電存在的情況下，會(huì)電離與分解，從而影響導(dǎo)電與元件的壽命?？紤]探針電極不受極化腐蝕，需要加在土壤濕度傳感器上的信號(hào)源為交流。LM324-2為矩形波發(fā)生電路，產(chǎn)生頻率約為1kHz、幅值為3.36V的低頻矩形波信號(hào)，即f=1/T=1/[2R4(C1ln(1+2R3/R5))]≈1kHz--總結(jié)總結(jié)其中：R4=39kΩ，R3=R5=30kΩ，C1=0.01μF。通過波形發(fā)生電路輸出低頻矩形波信號(hào)后，以在土壤濕度傳感器上得到一個(gè)隨水分含量變化的交流電壓信號(hào)。LM324-3是利用硅二極管正向電壓-電流成對(duì)數(shù)特性的對(duì)數(shù)變換電路，它采LM324-4對(duì)溫度補(bǔ)償?shù)臐穸入妷盒盘?hào)進(jìn)行放大。Multisim軟件對(duì)已設(shè)計(jì)好的變送電路進(jìn)行仿真，調(diào)節(jié)電阻與電容值等，對(duì)輸出電壓波形和幅值等進(jìn)行調(diào)試,0~5VX路板的制作。傳感器的標(biāo)定土壤濕度傳感器濕度-3MATLAB軟件對(duì)土壤濕14次測(cè)量數(shù)據(jù)覆蓋土壤濕度變化的全量程,模型，即bbxbx bx ,~N(0,2)2 m0 1 2 m為了找出使誤差的平方和i1

(f(xi

)yi

)2R2較大的多項(xiàng)式，決定采用四次多項(xiàng)式。用MATLAB編程進(jìn)行曲線擬合，得到代表此濕度傳感器的最佳回歸曲線和最優(yōu)回歸方程，如圖4R2=0.9159RMSE=0.1892f(x)=-0.0000116x4+0.001171x3-0.04278x2+0.6167x-0.09824作為最終的標(biāo)定結(jié)果。響應(yīng)時(shí)間的標(biāo)定:將傳感器插入干土壤中，接通工作電源和數(shù)字萬用表，將傳感器快速撥出插入濕土壤中；啟動(dòng)記時(shí)表,并觀測(cè)萬用表的顯示值直至穩(wěn)定，停記時(shí)表，所需時(shí)間為上升過程響應(yīng)時(shí)間，反之為下降過程響應(yīng)時(shí)間。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量可知，響應(yīng)時(shí)間都小于15s。表11-1傳感器濕度-電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)試驗(yàn)號(hào)平均含水量電壓12.66941.3623.09281.3438.45992.8549.64912.55513.37872.88614.94253.15715.47343.18817.92452.60919.61272.561022.54902.611124.06952.551225.94462.541327.87722.531435.50142.56332U電壓1005101520W/%25303540圖11.11 14-18℃時(shí)土壤濕-電壓特性曲線參考文獻(xiàn)：《傳感器原理及應(yīng)用》[M].：科學(xué)，2014遲天陽,楊方,果莉節(jié)水灌溉中土壤濕度傳感器的應(yīng)用[J].報(bào).2006(01)韓悅文.幾種典型濕度傳感器的原理和概要分析[J].江漢大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版).2009(01)德本. 濕度傳感器的現(xiàn)狀和開發(fā)動(dòng)向[J].儀表技術(shù)與傳感器.1988(04)[5]X瑩. 電阻型濕度傳感器伏安特性測(cè)試及其導(dǎo)電機(jī)[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).1999(07)郝育聞. 新型濕度傳感器的研究進(jìn)展[J].傳感器與微系統(tǒng).2009(11)[7]黃林. 農(nóng)業(yè)灌溉控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].XX海事大學(xué)2012王志勝,王道波,蔡宗. 傳感器標(biāo)定的統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理方法[J].傳感器技20