土壤湿度传感器要点.docx
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土壤湿度传感器要点
第十一章土壤湿度传感器
11.1土壤湿度及其表示
11.1.1土壤湿度
土壤湿度，即表示一定深度土层的土壤干湿度程度的物理量，又称土壤水分含量。
土壤湿度的高低受农田水分平衡各个分量的制约。
11.1.2土壤湿度传感器
土壤湿度传感器又名土壤水分传感器，土壤含水量传感器。
土壤水分传感器由不锈钢探针和防水探头构成，可长期埋设于土壤和堤坝内使用，对表层和深层土壤进行墒情的定点监测和在线测量。
与数据采集器配合使用，可作为水分定点监测或移动测量的工具测量土壤容积含水量，主要用于土壤墒情检测以及农业灌溉和林业防护。
11.1.3土壤湿度表示方法
土壤湿度，即土壤的实际含水量，可用土壤含水量占烘干土重的百分数表示：
土壤含水量=水分重/烘干土重×100％。
也可以相当于土壤含水量与田间持水量的百分比，或相对于饱和水量的百分比等相对含水量表示。
根据土壤的相对湿度可以知道，土壤含水的程度，还能保持多少水量，在灌溉上有参考价值。
土壤湿度大小影响田间气候，土壤通气性和养分分解，是土壤微生物活动和农作物生长发育的重要条件之一。
土壤湿度受大气、土质、植被等条件的影响。
在野外判断土壤湿度通常用手来鉴别，一般分为四级：
（1）湿，用手挤压时水能从土壤中流出；
（2）潮，放在手上留下湿的痕迹可搓成土球或条，但无水流出；（3）润，放在手上有凉润感觉，用手压稍留下印痕；（4）干，放在手上无凉快感觉，粘土成为硬块。
农业气象上土壤湿度常采用下列方法与单位表示：
①重量百分数。
即土壤水的重量占其干土重的百分数（％）。
此法应用普遍，但土壤类型不同，相同的土壤湿度其土壤水分的有效性不同，不便于在不同土壤间进行比较。
②田间持水量百分数。
即土壤湿度占该类土壤田间持水量的百分数（％）。
利于在不同土壤间进行比较，但不能给出具体水量的概念。
③土壤水分贮存量。
指一定深度的土层中含水的绝对数量，通常以毫米为单位，便于与降水量、蒸发量比较。
土壤水分贮存量W（毫米）的计算公式为:
W＝0.1·h·d·w。
式中h是土层厚度，d为土壤容重（克／厘米3）,0.1是单位换算系数，w为土壤湿度（重量百分数）。
土壤水势或水分势是用能量表示的土壤水分含量。
其单位为大气压或焦／克。
为了方便使用，可取数值的普通对数，缩写符号为pF，称为土壤水的pF值。
11.1.4土壤湿度测量方法
土壤既是一种非均质的、多相的、分散的、颗粒化的多孔系统，又是一个由惰性固体、活性固体、溶质、气体以及水组成的多元复合系统，其物理特性非常复杂，并且空间变异性非常大，这就造成了土壤水分测量的难度。
土壤水分测量方法的深入研究，需要一系列与其相关的基础理论支持，尤其是土壤作为一种非均一性多孔吸水介质对其含水量测量方法的研究涉及到应用数学、土壤物理、介质物理、电磁场理论和微波技术等多种学科的并行交叉。
而要实现土壤水分的快速测量又要考虑到实时性要求，这更增加了其技术难度。
土壤的特性决定了在测量土壤含水量时，必须充分考虑到土壤容重、土壤质地、土壤结构、土壤化学组成、土壤含盐量等基本物理化学特性及变化规律。
①重量法。
取土样烘干，称量其干土重和含水重加以计算。
②电阻法。
使用电阻式土壤湿度测定仪测定。
根据土壤溶液的电导性与土壤水分含量的关系测定土壤湿度。
③负压计法。
使用负压计测定。
当未饱和土壤吸水力与器内的负压力平衡时，压力表所示的负压力即为土壤吸水力，再据以求算土壤含水量。
④中子法。
使用中子探测器加以测定。
中子源放出的快中子在土壤中的慢化能力与土壤含水量有关，借助事先标定，便可求出土壤含水量。
⑤遥感法。
通过对低空或卫星红外遥感图象的判读，确定较大范围内地表的土壤湿度。
11.2土壤湿度传感器概述
11.2.1土壤湿度传感器分类
经过半个多世纪的发展，土壤湿度传感器已经种类繁多、形式多样。
湿度的测量具有一定的复杂性，人们熟知的毛发湿度计、干湿球湿度计等已不能满足现代要求的实际需要。
因此，人们研制了各种土壤湿度传感器。
湿度传感器按照其测量的原理，一般可分为电容型、电阻型、离子敏型、光强型、声表面波型等。
1.电容型土壤湿度传感器
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）。
为了获得良好的感湿性能，希望电容型土壤湿度传感器的两级越接近、作用面积和感湿介质的介电常数变化越大越好，所以通常采用三明治型结构的电容土壤湿度传感器。
它的优势在于可以使电容型土壤湿度传感器的两级较接近，从而提高电容型土壤湿度传感器的灵敏度。
图11.1为常见的电容型土壤湿度传感器的结构示意图。
交叉指状的铝条构成了电容器的两个电极，每个电极有若干铝条，每条铝条长400µm，宽8µm，铝条间有一定的间距。
铝条及铝条间的空隙都暴露在空气中，这使得空气充当电容器的电介质。
由于空气的介电常数随空气相对湿度的变化而变化，电容器的电容值随之变化，因而该电容器可用作湿度传感器。
多晶硅的作用是制造加热电阻，该电阻工作时可以利用热效应排除沾在湿度传感器表面的可挥发性物质。
上述电容型土壤湿度传感器的俯视图如图11.2所示。
图11.1电容型土壤湿度传感器结构示意图
图11.2电容型土壤湿度传感器结俯视图
电容型土壤湿度传感器在测量过程中，就相当于一个微小电容，对于电容的测量，主要涉及到两个参数，即电容值C和品质参数Q。
土壤湿度传感器并不是一个纯电容，它的等效形式如图11.3虚线部分所示，相当于一个电容和一个电阻的并联。
图11.3电容型土壤湿度传感器Zc的等效形式及测量微分电路图
2.电阻型土壤湿度传感器
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。
湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值发生变化，利用这一特性即可测量湿度。
电阻型土壤湿度传感器可分为两类：
电子导电型和离子导电型。
电子导电型土壤湿度传感器也称为“浓缩型土壤湿度传感器”，它通过将导电体粉末分散于膨胀性吸湿高分子中制成湿敏膜。
随湿度变化，膜发生膨胀或收缩，从而使导电粉末间距变化，电阻随之改变。
但是这类传感器长期稳定性差，且难以实现规模化生产，所以应用较少。
离子导电型土壤湿度传感器，它是高分子湿敏膜吸湿后，在水分子作用下，离子相互作用减弱，迁移率增加，同时吸附的水分子电离使离子载体增多，膜电导随湿度增加而增加，由电导的变化可测知环境湿度，这类传感器应用较多。
在电阻型土壤湿度传感器中通过使用小尺寸传感器和高阻值的电阻薄膜，可以改善电流的静态损耗。
电阻型土壤湿度传感器结构模型示意图如图11.4所示。
会属层1作为连续的电极，它与另一个电极是隔开的。
活性物质被淀积在薄膜上，用来作为两个电极之间的连接，并且这个连接是通过感湿传感层的，湿敏薄膜则直接暴露在空气中，在金属层2上挖去一定的区域直到金属层1，用这些区域作为传感区。
金属层和金属层2只是作为电极，它们之问是没有直接接触的。
整个传感器是山许多这样的小单元组成的。
根据传感器所需的电阻值的不同，小单元的数目是可以调节的。
因为两个电极之问的连接只能在每个小单元中确定，所以整个传感器的构造可以看成是一系列的平行电阻。
图11.4电阻型土壤湿度传感器结构示意图
根据高分子薄膜电阻型湿度传感器的物理结构及高分子材料的感湿机理，可将电阻型湿敏元件的电路等效为一个电阻和电容并联或串联的模型，如图11.5所示。
图11.5电阻型土壤湿度传感器简化电路和等效电路图
实际上，图11.5中的两种等效方法是一致的，不同的是，采用右图可以直接得到传感器阻抗的实部和虚部，即传感器的电阻与电容分量，其等效转化如下：
式中，R0和C0分别是湿度传感器等效成串联模型时的电阻分量和电容分量；Z0是串联模型时的复阻抗；Z0为复阻抗的模。
3.离子型土壤湿度传感器
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图11.6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。
图11.6离子型土壤湿度传感器结构示意图
离子敏场效应管（ISFET）兼有电化学与MOSFET的双重特性，与传统的离子选择性电极（ISE）相比，ISFET具有体积小、灵敏、响应快、无标记、检测方便、容易集成化与批量生产的特点。
但是，离子敏场效应管（ISFET）与普通的MOSFET相似，只是将MOSFET栅极的多晶硅层移去，用湿敏材料所代替。
当湿度发生变化时，栅极的两个金属电极之间的电势会发生变化，栅极上湿敏材料的介电常数的变化将会影响通过非导电物质的电荷流。
因此，ISFET在生命科学研究、生物医学工程、医疗保健、食品加工、环境检测等领域有广阔的应用前景。
11.2.2三种土壤湿度传感器的分析比较
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。
11.3电阻型土壤湿度传感器的设计实例
11.3.1设计思路
土壤属于多孔介质，由固、液、气相3部分组成。
物理学的电流电压定律，也适用于土壤中。
土壤的气相和固相可以认为是介质，而土壤中的水却不是纯水，可以导电。
如果将两个电极埋入土中固定不动，即两电极间的固相固定不变,则土壤中电阻率的改变主要是由土壤中液相的多少决定的。
电阻率是反应土壤湿度的电参数，因此采用电阻法研制了土壤湿度传感器。
不用直接测定电阻推求土壤湿度，而是采用线性放大原理测定土壤的电压来计算土壤湿度。
这样利于输出的电压模拟信号经A/D转换后输入计算机，从而进行自动控制。
11.3.2结构设计
土壤湿度传感器由两根铜合金探针组成,探针直径为5mm,探针间距和长度由正交试验确定。
图11.8为土壤湿度传感器的尺寸和结构图。
图11.8电阻型土壤湿度传感器结构图
11.3.3变送电路设计
应用LM324四运放集成电路设计了变送电路。
阻抗式湿度传感器的非线性大，但其阻抗的对数与相对湿度成线性关系，因此必须设计线性化处理的电路及温度补偿电路。
同时，为了使加在土壤湿度传感器上的信号源为交流，设计了矩形波发生器，产生一定频率和幅值的振荡信号，作为湿度传感器的工作电压。
该电路的优点是充分利用了LM324运算放大电路的集成功能，模块紧凑高效。
其，各功能模块如图11.9所示，电路原理图如图11.10所示
电压跟随器矩形波发生器土壤湿度传感器对数变换电路滤波放大器输出
温度补偿
图11.9电阻型土壤湿度传感器变送电路功能模块
图11.10电阻型土壤湿度传感器变送电路
LM324-1为电压跟随电路，其输出电压不受后级电路阻抗影响，保证了精确的电压输出。
由于水分子为极性分子，在直流电存在的情况下，会电离与分解，从而影响导电与元件的寿命。
考虑探针电极不受极化腐蚀，需要加在土壤湿度传感器上的信号源为交流。
LM324-2为矩形波发生电路，产生频率约为1kHz、幅值为3.36V的低频矩形波信号，即
f=1/T=1/[2R4（C1ln（1+2R3/R5））]≈1kHz
其中：
R4=39kΩ，R3=R5=30kΩ，C1=0.01μF。
通过波形发生电路输出低频矩形波信号后，以在土壤湿度传感器上得到一个随水分含量变化的交流电压信号。
LM324-3是利用硅二极管正向电压-电流成对数特性的对数变换电路，它采用了具有温度特性的硅二极管，能对传感器起到温度补偿作用。
同时，调节电位器能获得较好的温度补偿，其输出电压将随相对湿度的增加而增大。
该输出电压经电容滤波再经运算放大器LM324-4对温度补偿的湿度电压信号进行放大。
用Multisim软件对已设计好的变送电路进行仿真，调节电阻与电容值等，对输出电压波形和幅值等进行调试,使模拟电压输出在0~5V的范围内，再进行电路板的制作。
11.3.4传感器的标定
土壤湿度传感器湿度-电压试验数据如表3所示。
用MATLAB软件对土壤湿度传感器进行标定，用14次测量数据覆盖土壤湿度变化的全量程,选多项式回归模型，即
为了找出使误差的平方和
最小、R2较大的多项式，决定采用四次多项式。
用MATLAB编程进行曲线拟合，得到代表此湿度传感器的最佳回归曲线和最优回归方程，如图4所示。
对得到的回归方程和回归曲线进行分析，其中可决系数R2=0.9159较大，剩余标准差RMSE=0.1892较小，因此将f（x）=-0.0000116x4+0.001171x3-0.04278x2+0.6167x-0.09824作为最终的标定结果。
响应时间的标定:
将传感器插入干土壤中，接通工作电源和数字万用表，将传感器快速拨出插入湿土壤中；启动记时表,并观测万用表的显示值直至稳定，停记时表，所需时间为上升过程响应时间，反之为下降过程响应时间。
通过实验测量可知，响应时间都小于15s。
表11-1传感器湿度-电压试验数据
试验号
平均含水量
电压
1
2.6694
1.36
2
3.0928
1.34
3
8.4599
2.85
4
9.6491
2.55
5
13.3787
2.88
6
14.9425
3.15
7
15.4734
3.18
8
17.9245
2.60
9
19.6127
2.56
10
22.5490
2.61
11
24.0695
2.55
12
25.9446
2.54
13
27.8772
2.53
14
35.5014
2.56
图11.1114-18℃时土壤湿度-电压特性曲线
参考文献：
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