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土壤水分檢測(cè)儀器的轉(zhuǎn)換電路工作原理及設(shè)計(jì)

來(lái)源: http://www.gge6.com/  類別:技術(shù)文章  更新時(shí)間:2013-05-13  閱讀次

  水分是天然土壤的一個(gè)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(dòng),而且,是構(gòu)成土壤肥力的一個(gè)重要因素,更是一切植物賴以生存的基本條件。因此,測(cè)定土壤含水量,對(duì)實(shí)施精準(zhǔn)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(cè)定土壤水分的方法歸納起來(lái)有兩大類,一類是變動(dòng)位置取樣測(cè)定(如烘干稱重法等),另一類是原位取樣測(cè)定(如,中子法、C射線法、時(shí)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(diǎn),烘干稱重法原理簡(jiǎn)單、精度高,但其操作煩瑣,又不能在田間實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)。
  中子法和C射線法雖可在室外快速準(zhǔn)確監(jiān)測(cè),但存在放射性物質(zhì)危害人體健康。時(shí)域反射儀法和頻域發(fā)射儀法價(jià)格比較昂貴,而傳感器法安全可靠,測(cè)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(cè)并輸出電信號(hào),十分適合于監(jiān)測(cè)田間土壤水分動(dòng)態(tài)分布和變化情況,便于長(zhǎng)期的觀測(cè)和積累田間水勢(shì)資料等,因此,被廣泛應(yīng)用在田間監(jiān)測(cè)土壤水分。
  本文設(shè)計(jì)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(duì)象主要是農(nóng)業(yè)種植和管理者,所以,設(shè)計(jì)力求簡(jiǎn)單易用、快速直讀、價(jià)格低廉。
  1 土壤水分測(cè)定儀檢測(cè)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(jì)選用土壤水吸力傳感器,因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、靈敏度較高等優(yōu)點(diǎn),可以定點(diǎn)定位連續(xù)測(cè)定土壤水分的運(yùn)行,及時(shí)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(lái)說(shuō),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

圖1 土壤水吸力傳感器

      集氣管上有注水口,使用時(shí),打開(kāi)橡皮塞,注滿水后再塞緊,當(dāng)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(rùn)后,在孔隙中形成一層水膜,當(dāng)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(shí),水膜就與土壤水連接起來(lái),使儀器內(nèi)部的水產(chǎn)生負(fù)壓,此負(fù)壓作用于固態(tài)壓阻式傳感器,傳感器將負(fù)壓轉(zhuǎn)換成電信號(hào),從而可獲得0~100 kPa范圍內(nèi)任意點(diǎn)土壤吸力的電信號(hào),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(kuò)散4個(gè)等值應(yīng)變電阻,并組成惠斯登電橋。不受壓力作用時(shí),電橋處于平衡狀態(tài);受到壓力作用時(shí),一對(duì)橋臂電阻變大,另一對(duì)則變小,從而達(dá)到測(cè)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(lì)下,當(dāng)吸力為0時(shí)產(chǎn)生5mV的電位差,在100 kPa吸力時(shí)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(wèn)題,一般有恒壓源和恒流源,在近距離測(cè)量時(shí),用恒壓源9V供電,可以同時(shí)供給多個(gè)傳感器使用;若測(cè)量距離遠(yuǎn),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(gè)傳感器使用。
  1.2 土壤水分檢測(cè)轉(zhuǎn)換電路原理
       土壤水分檢測(cè)轉(zhuǎn)換電路原理方框圖如圖2所示。

圖2 原理方框圖

圖2 原理方框圖

  土壤水分檢測(cè)轉(zhuǎn)換電路由土壤水吸力傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、顯示裝置和供電電源等組成。設(shè)計(jì)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(hào)送給信號(hào)調(diào)理電路,調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后送顯示裝置顯示。
  1.3 土壤水分檢測(cè)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

      按照上述設(shè)計(jì)原理,設(shè)計(jì)的土壤水分檢測(cè)轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 土壤水分檢測(cè)轉(zhuǎn)換電路圖

圖3 土壤水分檢測(cè)轉(zhuǎn)換電路圖

  電路工作時(shí),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(dòng)電壓信號(hào)輸出給雙端輸入單端輸出差動(dòng)放大器。此處,采用差動(dòng)放大器是由于其具有較好的抑制零漂的作用,同時(shí),可將雙端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出信號(hào)。由于差動(dòng)放大器的輸出與輸入是反相的,故將此輸出的信號(hào)再送給反相放大器,在放大信號(hào)的同時(shí)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(hào)。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(shí),對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)零和校正。最后,將調(diào)理電路輸出信號(hào)送給數(shù)字電壓表,顯示最終的輸出電壓值,根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)標(biāo)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(cè)試儀試驗(yàn)
  2.1 土壤水分檢測(cè)轉(zhuǎn)換電路測(cè)試標(biāo)定

      首先,采用烘干稱重法制備含水量含水量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(cè)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(duì)該電路裝置進(jìn)行標(biāo)定,并制做土壤含水量表頭。
  2.2 結(jié)果對(duì)比

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

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

  3 試驗(yàn)結(jié)論
  測(cè)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(cè)量值的差值均在5%以內(nèi),說(shuō)明本裝置的分辨力和測(cè)量準(zhǔn)確度是比較高的。特別是利用本裝置測(cè)量土壤含水量速度快(測(cè)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(shí)測(cè)量含水量的情況,很適合在田間、溫室大棚、草坪等場(chǎng)合使用。

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