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

　　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(shí)，打開橡皮塞，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，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

　　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

　　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

　　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。