而且响应速度也较快
发布时间:2018-11-20 21:41

  

  土壤湿度传感器又名:土壤水分传感器、土壤墒情传感器、土壤含水量传感器。主要用来测量土壤容积含水量,做土壤墒情监测及农业灌溉和林业防护。目前常用到的土壤湿度传感器有FDR型和TDR型,即频域型和时域型。目前比较流行的是FDR型FDR(FrequencyDomainReflectometry)频域反射仪是一种用于测量土壤水分的仪器,它利用电磁脉冲原理、根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数(),从而得到土壤容积含水量(v),FDR具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定等优点。是一种值得推荐的土壤水分测定仪器。

  按照电信号输出类型进行区分。我国市场上的土壤水分传感器部分较老的模拟量输出的型号目前还在市场上处于销售的状态,它们的输出方式基本分为两种。

  1、电压输出型号:通常采用0.1到10V输出,采用两到三线数据线、电流输出型号:电流输出型号是比较常见的简单方式,这种方式大多采用两线制输出方式。

  按照接口类型进行区分。当然由于某些行业的需要传感器与一些特性形式的终端设备交流数据,所以前后出现了一下几种借口方式

  垂直挖直径大于20厘米的坑,深度按照测量需要,然后在既定深度将传感器钢针水平插入坑壁,将坑填埋压实,确保与土壤紧密接触。稳定一段时间后,即可进行连续数天、数月乃至更长时间按的测量和记录。

  关于土壤湿度传感器液位传感器的常用类型,目前市场上主要测量土壤湿度方法有中子衰减法、张力计测湿法、介电法速测法。中子衰减法测量土壤含水量高速运动的快中子与物质作用能改变方向和产生能量损失,变成慢中子,形成衰减,由于被测物中含水量不同产生的衰减亦不同,主要原因是水中含有氢原子,而中子对氢原子作用的损失远大于对其他原子作用的损失,这样可以通过测定慢中子来测定土壤含水量,也就是通过衰减程度的大小来确定被测物质中含水量的多少,中子土壤水分测试仪就是根据这一原理设计而成。这个方法的优点在于陕速准确,但重要的是这种方法如果屏蔽不好,易造成射线泄漏,以致污染环境,危害人体健康,特别难以测量浅层土壤含水量,而浅层土壤含水量与作物生长关系密切,明显随灌溉、降雨、蒸发等的变化而变化,是土壤水分中最为活跃的部分,需要实时监测,这就极大地限制了中子法的进一步推广应用,这种方法在发达围家已被禁止使用压力传感器。

  第一,利用土壤的介电特性来测量土壤含水量也是一种行之有效的、快速的、简便的、可靠方法。对一定几何结构的电容式湿度传感器,其电容量与两极问被测物料的介电常数有正比关系。由于水的介电常数比一般物料的介电常数要大得多,所以当土壤中的水分增加时,其介电常数相应增大,测量时湿度传感器给出的电容值也随之上升,根据传感器的电容量与土壤水分之间的对应关系可测出土壤的水分。电容式湿度传感器的特点是精度高、量程宽、可测的物料品种多,而且响应速度也较快,可应用于在线监测实现自动化IJI压力开关。

  第二,张力计式土壤湿度传感器是一种广泛成功地用于某些土壤水分测量的传感器。这种仪表有个多孔瓷头,它通过充水的管子与真空表连接,该装置插入土壤的钻孔中,多孔瓷头与土壤紧密帖合,真空表设在地面之上。用张力计来测量土壤含水量有很大的发展,它的优点是:结构及原理都比较简单,可以在线实时测量,而且可以确定水在土壤内的流动方向和渗透深度,但它的缺点也很突出。它的测量范围很大程度上受土质的影响。对于粘土来说,由于其通气性好,所以,即便是土壤水分负压低于0-8Pa时,也可以用张力计来测量土壤的含水量。该方法所测量的是土壤水的吸力,需要依据土壤水分特征曲线来换算成土壤含水量,由于土壤水分能量关系非常复杂,呈非线性,且容易受到许多土壤理化特性的影响,即使对同一块田,这一关系也十分复杂,使得用张力推求土壤含水量时极为困难,不方便,带来较大误差。该方法存在滞后和回环,影响其测量速度。由于以上缺陷的存在极大地限制了该方法的推广应用电子尺。

  电容型土壤湿度传感器的敏感元件为湿敏电容,主要材料一般为金属氧化物、高分子聚合物。这些材料对水分子有较强的吸附能力,吸附水分的多少随环境湿度的变化而变化。由于水分子有较大的电偶极矩,吸水后材料的电容率发生变化,电容器的电容值也就发生变化。把电容值的变化转变为电信号,就可以对湿度进行监测。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的,当环境湿度发生改变时,湿敏电容的介电常数发生变化,使其电容量也发生变化,其电容变化量与相对湿度成正比,利用这一特性即可测量湿度。常用的电容型土壤湿度传感器的感湿介质主要有:多孔硅、聚酞亚胺,此外还有聚砜(PSF)、聚苯乙烯(PS)、PMMA(线性、交联、等离子聚合)。

  电阻型土壤湿度传感器的敏感元件为湿敏电阻,其主要的材料一般为电介质、半导体、多孔陶瓷等。这些材料对水的吸附较强,吸附水分后电阻率/电导率会随湿度的变化而变化,这样湿度的变化可导致湿敏电阻阻值的变化,电阻值的变化就可以转化为需要的电信号。例如,氯化锂的水溶液在基板上形成薄膜,随着空气中水蒸气含量的增减,薄膜吸湿脱湿,溶液中的盐的浓度减小、增大,电阻率随之增大、减小,两级间电阻也就增大、减小。又如多孔陶瓷湿敏电阻,陶瓷本身是由许多小晶颗粒构成的,其中的气孔多与外界相通,通过毛孔可以吸附水分子,引起离子浓度的变化,从而导致两极间的电阻变化。

  离子敏场效应晶体管(ISFET)属于半导体生物传感器,是上个世纪七十年代由P.Bergeld发明的。ISFET通过栅极上不同敏感薄膜材料直接与被测溶液中离子缓冲溶液接触,进而可以测出溶液中的离子浓度。

  离子敏型土壤湿度传感器结构模型示意图如下图所示。离子敏感器件由。离子选择膜(敏感膜)和转换器两部分组成,敏感膜用以识别离子的种类和浓度,转换器则将敏感膜感知的信息转换为电信号。离子敏场效应管在绝缘栅上制作一层敏感膜,不同的敏感膜所检测的离子种类也不同,从而具有离子选择性。

  通过对三种土壤湿度传感器的研究可知:电容型土壤湿度传感器是由交叉指状铝条构成电容器的电极,利用空气充当电容器的电介质,随空气相对湿度的变化其介电常数发生变化,电容器的电容值也将随之变化,所以该电容器可用作土壤湿度传感器;

  电阻型土壤湿度传感器是由通过感湿传感层的两个电极构成的许多小单元组成,利用小单元的数目改变,使电阻值发生变化,所以可用作土壤湿度传感器;

  离子敏型土壤湿度传感器由敏感膜和转换器两部分组成,利用敏感膜来识别离子的种类和浓度,转换器则将敏感膜感知的信息转换为电信号,因此也可作为土壤湿度传感器。

  同时根据对三种不同类型的土壤湿度传感器结构示意图研究发现:由于多孔硅与CMOS工艺不兼容,并且多孔硅制备的工艺条件及后处理、孔隙及孔径大小的控制很困难,同时多孔硅的感湿机理比较复杂,因此CMOS湿度传感器的主要感湿介质以聚酞亚胺为主。聚酞亚胺类的传感器可与CMOS工艺兼容,成本也较低,并且无需高温加工和加热清洁,它对湿度的感应不像多孔陶瓷易受污染。而若用CMOS工艺生产电阻型湿度传感器和离子敏型湿度传感器,它们需要改动较多CMOS的工艺。例如:改变生产过程的先后顺序,使用新的掩膜板等,这些都会耗费大量的流片资金;并且与标准的CMOS工艺相比,工艺较不成熟,增加了流片的风险性;同时它们存在着难与外围电子封装在一起的困难。

  另外,电容型湿度传感器(CHS)由于感应相对湿度范围大,并且结构与等效形式较简单,生产过程较容易,因此对它的研究受到了广泛重视。以梳状铝电极结构的聚酞亚胺作为电容型土壤湿度传感器的感湿介质的优点主要是可与CMOS工艺相兼容,可利用成熟的标准CMOS工艺来加工,且加工工艺较简单,所以能够把更多的器件(敏感器件或外围的电路器件)集成在同一块芯片上或封装在一起,使土壤湿度传感器具有更好的性能或更多的功能。同时有利于使土壤湿度传感器向小型化、集成化、成本低、功能全面等好的方向发展。

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