土壤水分檢測儀器的轉(zhuǎn)換電路工作原理及設(shè)計

　　水分是天然土壤的一個重要組成部分，它不僅影響到土壤的物理性質(zhì)，制約著土壤中養(yǎng)分的溶解、轉(zhuǎn)移和微生物的活動，而且，是構(gòu)成土壤肥力的一個重要因素，更是一切植物賴以生存的基本條件。因此，測定土壤含水量，對實施精準農(nóng)業(yè)，節(jié)水灌溉，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率有重要的意義。
　　目前，測定土壤水分的方法歸納起來有兩大類，一類是變動位置取樣測定（如烘干稱重法等），另一類是原位取樣測定（如，中子法、C射線法、時域反射儀法、頻域發(fā)射儀法、傳感器法等）。不同的方法各有優(yōu)缺點，烘干稱重法原理簡單、精度高，但其操作煩瑣，又不能在田間實時連續(xù)監(jiān)測。
　　中子法和C射線法雖可在室外快速準確監(jiān)測，但存在放射性物質(zhì)危害人體健康。時域反射儀法和頻域發(fā)射儀法價格比較昂貴，而傳感器法安全可靠，測定土壤水分快速直讀，具有不必采土樣，不破壞土壤結(jié)構(gòu)，可連續(xù)監(jiān)測并輸出電信號，十分適合于監(jiān)測田間土壤水分動態(tài)分布和變化情況，便于長期的觀測和積累田間水勢資料等，因此，被廣泛應(yīng)用在田間監(jiān)測土壤水分。
　　本文設(shè)計采用傳感器法，主要面向設(shè)施農(nóng)業(yè)的應(yīng)用，其使用對象主要是農(nóng)業(yè)種植和管理者，所以，設(shè)計力求簡單易用、快速直讀、價格低廉。
　　1 土壤水分測定儀檢測轉(zhuǎn)換電路工作原理
　　1.1 土壤水吸力傳感器的基本原理
      目前，水分傳感器多種多樣，本設(shè)計選用土壤水吸力傳感器，因其具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、靈敏度較高等優(yōu)點，可以定點定位連續(xù)測定土壤水分的運行，及時反映土壤水分的縱橫變化。
　　土壤水吸力傳感器是根據(jù)土壤水吸力的大小與土壤水分含量有關(guān)的原理制成的。一般來說，土壤含水量越小，吸力越大；反之，吸力越小。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 土壤水吸力傳感器

      集氣管上有注水口，使用時，打開橡皮塞，注滿水后再塞緊，當管中氣體排出后，將陶土頭埋入土中。陶土頭是感應(yīng)部件，具有許多微小的孔隙，陶土頭被水浸潤后，在孔隙中形成一層水膜，當充滿水且密封的土壤水分傳感器插入水分不飽和的土壤時，水膜就與土壤水連接起來，使儀器內(nèi)部的水產(chǎn)生負壓，此負壓作用于固態(tài)壓阻式傳感器，傳感器將負壓轉(zhuǎn)換成電信號，從而可獲得0~100 kPa范圍內(nèi)任意點土壤吸力的電信號，并且，二者有良好的線性關(guān)系。
　　固態(tài)壓阻式傳感器是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)制成的一種力敏器件，是以單晶硅為基體，用集成工藝技術(shù)擴散4個等值應(yīng)變電阻，并組成惠斯登電橋。不受壓力作用時，電橋處于平衡狀態(tài)；受到壓力作用時，一對橋臂電阻變大，另一對則變小，從而達到測量氣體、液體壓力大小的目的。例如：一只CYG01型壓阻傳感器在一定的電源電壓激勵下，當吸力為0時產(chǎn)生5mV的電位差，在100 kPa吸力時產(chǎn)生85mV的電位差。傳感器供電源用直流，為了解決溫度漂移問題，一般有恒壓源和恒流源，在近距離測量時，用恒壓源9V供電，可以同時供給多個傳感器使用；若測量距離遠，在精度要求高的情況下，可用恒流源6~10mA供電，每只恒流源只供給一個傳感器使用。
　　1.2 土壤水分檢測轉(zhuǎn)換電路原理
       土壤水分檢測轉(zhuǎn)換電路原理方框圖如圖2所示。

圖2 原理方框圖

　　土壤水分檢測轉(zhuǎn)換電路由土壤水吸力傳感器、信號調(diào)理電路、顯示裝置和供電電源等組成。設(shè)計的基本原理是土壤水吸力傳感器將土壤含水量的大小轉(zhuǎn)換電信號送給信號調(diào)理電路，調(diào)理電路對信號進行處理后送顯示裝置顯示。
　　1.3 土壤水分檢測轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

      按照上述設(shè)計原理，設(shè)計的土壤水分檢測轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 土壤水分檢測轉(zhuǎn)換電路圖

　　電路工作時，土壤水分傳感器將土壤含水量的大小H（% ）轉(zhuǎn)換為土壤水吸力的大小，并作用于壓阻式傳感器。
　　壓阻式傳感器將土壤水吸力轉(zhuǎn)換為差動電壓信號輸出給雙端輸入單端輸出差動放大器。此處，采用差動放大器是由于其具有較好的抑制零漂的作用，同時，可將雙端輸入信號轉(zhuǎn)換為單端輸出信號。由于差動放大器的輸出與輸入是反相的，故將此輸出的信號再送給反相放大器，在放大信號的同時將輸出再次反相，從而轉(zhuǎn)變?yōu)榕c壓阻式傳感器的輸出同相的電壓信號。為了根據(jù)需要調(diào)節(jié)反相放大器的放大倍數(shù)，在其反饋電阻上串接一電位器，同時，對信號進行調(diào)零和校正。最后，將調(diào)理電路輸出信號送給數(shù)字電壓表，顯示最終的輸出電壓值，根據(jù)測試數(shù)據(jù)標定情況制做一土壤含水量表頭，由此可直接讀出土壤含水量的數(shù)值。
　　2 土壤水分測試儀試驗
　　2.1 土壤水分檢測轉(zhuǎn)換電路測試標定

      首先，采用烘干稱重法制備含水量100%,其中，m1為水分質(zhì)量，m2為土壤干土質(zhì)量，單位均為g）為8%, 12%, 15%, 18%, 22%, 25%, 28%, 30%,34%, 36%, 38%, 43%的土樣若干組，用本裝置測出其輸出電壓值，列表并作出土壤含水量與輸出電壓之間的曲線，據(jù)此對該電路裝置進行標定，并制做土壤含水量表頭。
　　2.2 結(jié)果對比

       用本電路裝置和烘干稱重法測量土壤含水量，并進行對比，其結(jié)果如表1所示。

表1 測量數(shù)據(jù)對比

　　3 試驗結(jié)論
　　測量結(jié)果表明：本電路裝置的分辨力為0. 1%,與烘干稱重法測量值的差值均在5%以內(nèi)，說明本裝置的分辨力和測量準確度是比較高的。特別是利用本裝置測量土壤含水量速度快（測量一次僅需幾秒鐘）、數(shù)值顯示、非常直觀、體積小、便于攜帶，可隨時測量含水量的情況，很適合在田間、溫室大棚、草坪等場合使用。