土壤湿度传感器

1、第十一章土壤湿度传感器11.1土壤水分及其表达11.1.1土壤湿度土壤水分，即在土壤层的一定深度上表示土壤干湿度的物理量，也称为土壤含水量。土壤水分水平受农田水平衡各组成部分的制约。11.1.2土壤湿度传感器土壤湿度传感器又称土壤湿度传感器和土壤含水量传感器。土壤湿度传感器由不锈钢探头和防水探头组成，可长时间埋在土壤和堤坝中，可在线监测表层和深层土壤的含水量。结合数据采集器，可作为定点监测或移动测量工具测量土壤体积含水量，主要用于土壤水分检测、农业灌溉和林业保护。11.1.3土壤水分的表达方法土壤水分，即土壤的实际含水量，可以表示为土壤含水量相对于干土重量的百分比：土壤含水量=含水量/干土重量

2、100%。它也可以表示为土壤含水量和田间持水量的百分比，或饱和水的百分比。根据土壤的相对湿度，我们可以知道土壤的含水量以及可以保持多少水分，这对灌溉有参考价值。土壤水分影响田间气候、土壤通气和养分分解，是土壤微生物活动和作物生长发育的重要条件之一。土壤湿度受大气、土壤质量、植被和其他条件的影响。在田间，土壤水分通常用手识别，一般分为四个等级：(1)湿，当用手挤压时，水可以流出土壤；(2)潮汐，在你的手上留下湿痕，可以摩擦成土球或土条，但没有水流出；(3)保湿，放在手上，感觉凉爽湿润，用手按压，留下轻微的印象；(4)干燥时，戴在手上不会感觉凉爽，粘土会变成块状。在农业气象学中，下列方法和单位常用

3、来表示土壤湿度：(1)重量百分比。也就是说，土壤水的重量占土壤干重的百分比(%)。该方法应用广泛，但不同土壤类型和相同土壤湿度的土壤水分有效性不同，不便于不同土壤之间的比较。田间持水量百分比。即这种土壤田间持水量中土壤水分的百分比(%)。比较不同的土壤是有益的，但不能给出具体水量的概念。土壤蓄水能力。指土壤一定深度的绝对水量，通常以毫米为单位，便于与降水和蒸发进行比较。土壤蓄水量w (mm)的计算公式为：瓦=0.1瓦.其中h为土层厚度，d为土壤容重(g/cm3)，0.1为单位换算系数，w为土壤水分(重量百分比)。土壤水势或水势是以能量表示的土壤含水量。单位是大气压或焦炭/克。为方便起见，可以取

4、该值的普通对数，缩写符号为pF，称为土壤水分pF值。11.1.4土壤湿度的测量方法土壤不仅是一个非均质、多相、分散的颗粒多孔系统，而且是一个由惰性固体、活性固体、溶质、气体和水组成的多组分复合系统。它的物理特性非常复杂，空间变异性非常大，这使得测量土壤湿度非常困难。土壤水分测量方法的深入研究需要一系列相关的基础理论，特别是作为非均质多孔吸水介质的土壤水分测量方法的研究，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的并行交叉。然而，为了实现土壤水分的快速测量，需要考虑实时性要求，这进一步增加了其技术难度。土壤的特性决定了在测定土壤含水量时，必须充分考虑土壤容重、土壤质地、土壤结构、土

5、壤化学成分和土壤含盐量等基本理化特性及其变化规律。(1)重量法。采集土壤样本并干燥。称量土壤干重和含水量进行计算。电阻法。用电阻土壤水分测定仪测量。根据土壤溶液电导率与土壤含水量的关系负压计法。用负压计测量。当非饱和土的吸水能力与容器内的负压平衡时，压力表指示的负压即为土壤的吸水能力，然后即可计算土壤含水量。中子法。用中子探测器测量。中子源发射的快中子在土壤中的减速能力与土壤含水量有关，可通过预先标定获得。遥感方法。通过对低空或卫星红外遥感图像的解译，可以确定大范围的地表土壤水分。11.2土壤湿度传感器概述11.2.1土壤湿度传感器的分类经过半个多世纪的发展，土壤湿度传感器有多种类型和形式。湿

6、度的测量非常复杂，众所周知的毛发湿度计和干湿球湿度计已经不能满足现代人的实际需求。因此，人们开发了各种土壤湿度传感器。根据其测量原理，湿度传感器一般可分为电容型、电阻型、离子敏感型、光强型、声表面波型等。1.电容式土壤湿度传感器电容式土壤湿度传感器的敏感元件是湿敏电容，其主要材料是金属氧化物和聚合物。这些材料对水分子有很强的吸附能力，吸附的水量随着环境湿度的变化而变化。因为水分子有很大的电偶极矩，材料的介电常数在吸水后会发生变化，电容器的电容也是如此。湿度可以通过将电容值的变化转换成电信号来监测。湿度敏感电容器通常由聚合物薄膜电容器制成。当环境湿度变化时，湿敏电容的介电常数也随之变化，电容也随

7、之变化。电容变化与相对湿度成正比。利用这一特性可以测量湿度。常用的电容式土壤湿度传感器的湿度传感介质主要包括多孔硅、邻苯二甲酰亚胺、聚砜、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯(线性、交联、等离子体聚合)。为了获得良好的湿度感测性能，希望电容式土壤湿度传感器的两级越靠近，湿度感测介质的有效面积和介电常数的变化越大越好。因此，通常采用三明治结构的电容式土壤湿度传感器。其优点是可以使电容式土壤湿度传感器的两级相互靠近，从而提高电容式土壤湿度传感器的灵敏度。图11.1是普通电容式土壤湿度传感器的结构图。叉指铝带构成电容器的两个电极，每个电极有几个铝带，每个铝带长400米，宽8米，铝带之间有一定的距离。铝条和铝条

8、之间的间隙暴露在空气中，这使得空气充当电容器的电介质。由于空气的介电常数随着空气相对湿度的变化而变化，电容器的电容值也随之变化，因此电容器可以用作湿度传感器。多晶硅的作用是制作一个加热电阻，通过热效应消除湿度传感器表面的挥发性物质。电容式土壤湿度传感器的俯视图如图11.2所示。图11.1电容式土壤湿度传感器结构示意图图11.2电容式土壤湿度传感器结的俯视图在测量过程中，电容式土壤湿度传感器相当于一个微小的电容。电容的测量主要涉及两个参数，即电容值C和质量参数Q。土壤湿度传感器不是一个纯电容，但其等效形式如图11.3中的虚线所示，相当于一个电容和一个电阻的并联。图11.3电容式土壤湿度传感器Zc

9、的等效形式及测量差分电路图2.电阻式土壤湿度传感器电阻式土壤湿度传感器的敏感元件是湿敏电阻器，其主要材料一般是电介质、半导体、多孔陶瓷等。这些材料对水有很强的吸附性，电阻率/电导率会随着湿度的变化而变化，因此湿度的变化会导致湿敏电阻器电阻值的变化，电阻值的变化可以转化为所需的电信号。例如，氯化锂水溶液在基底上形成薄膜。随着空气中水蒸气含量的增加和减少，薄膜吸收水分并除湿，溶液中的盐浓度减少和增加，因此电阻率增加和减少，两个阶段之间的电阻也增加和减少。另一个例子是多孔陶瓷湿敏电阻器。陶瓷本身由许多细小的晶体颗粒组成，其中的孔隙大多与外界相通，水分子可以通过孔隙被吸附，引起离子浓度的变化，从而导致

10、两极之间电阻的变化。湿敏电阻器的特点是在基片上覆盖一层由湿敏材料制成的薄膜。当空气中的水蒸气被吸附在湿敏膜上时，元件的电阻率和电阻值发生变化，利用这一特性可以测量湿度。电阻式土壤水分传感器可分为两种类型：电子传导型和离子传导型。电子导电土壤湿度传感器又称“浓缩土壤湿度传感器”，它是将导电粉末分散在溶胀的吸湿聚合物中制成的湿敏薄膜。随着湿度的变化，薄膜膨胀或收缩，从而改变导电粉末和电阻之间的距离。然而，这种传感器长期稳定性差，难以实现大规模生产，因此很少使用。离子传导土壤湿度传感器是一种聚合物湿敏膜，它吸收水分，减弱离子间的相互作用，并在水分子的作用下增加迁移率。同时，吸附水分子的电离增加了离子

11、载体，膜电导随湿度的增加而增加。环境湿度可以通过电导的变化来测量。这种传感器被广泛使用。电阻式土壤湿度传感器采用小尺寸传感器和高阻膜可以改善电流的静态损耗。图11.4为电阻式土壤湿度传感器的结构模型示意图。金属层1用作与另一个电极分离的连续电极。活性物质沉积在薄膜上，作为两个电极之间的连接，该连接穿过湿敏传感层。湿敏膜直接暴露于空气中，并且从金属层2到金属层1切出某些区域，并且这些区域用作感测区域。金属层和金属层2仅用作电极，并且它们之间没有直接接触。整个传感器由许多这样的小单元组成。小电池的数量可以根据传感器所需的电阻值进行调整。因为两个电极之间的连接只能在每个小电池中确定，所以整个传感器的

12、结构可以看作是一系列并联电阻。图11.4电阻式土壤湿度传感器结构示意图根据高分子薄膜电阻湿度传感器的物理结构和高分子材料的湿度传感机理，电阻湿度传感器的电路可以等效为电阻和电容的并联或串联模型，如图11.5所示。图11.5电阻式土壤湿度传感器的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。不同之处在于，传感器阻抗的实部和虚部可以通过使用正确的数字直接获得，即，传感器的电阻和电容分量。等效转换如下：公式中，当湿度传感器等效为串联模型时，R0和C0分别为电阻分量和电容分量；Z0是复阻抗串联模型。Z0是复阻抗模式。3.离子土壤湿度传感器离子敏感场效应晶体管(ISFET)属于半导体生

13、物传感器，由p. bergeld于20世纪70年代发明。ISFET通过不同的敏感薄膜直接与被测溶液中的离子缓冲溶液接触离子敏感土壤水分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(sensitive membrane)由两部分组成，敏感膜用于识别离子的类型和浓度，转换器将敏感膜感应到的信息转换成电信号。离子敏感场效应晶体管是在绝缘栅上制作一层敏感膜，不同敏感膜检测到的不同种类的离子是不同的，因而具有离子选择性。图11.6离子土壤水分传感器结构示意图离子敏感场效应晶体管具有电化学和场效应晶体管的双重特性。与传统的离子选择电极(ISE)相比，ISFET具有体积小、灵敏度高、响应

14、快、无标记、检测方便、易于集成和批量生产的特点。然而，离子敏感场效应晶体管(ISFET)类似于普通的金属氧化物半导体场效应晶体管，除了金属氧化物半导体场效应晶体管栅极的多晶硅层被去除并被湿敏材料代替。当湿度变化时，栅极的两个金属电极之间的电势也会发生变化，而栅极上湿度敏感材料的介电常数的变化会影响电荷流过非导电材料。因此，ISFET在生命科学研究、生物医学工程、医疗保健、食品加工、环境检测等领域具有广阔的应用前景。11.2.2三种土壤湿度传感器的分析和比较通过对三种土壤湿度传感器的研究，可以看出电容式土壤湿度传感器是由相互交叉的铝条组成，电容的电介质是空气。随着空气相对湿度的变化，其介电常数也

15、发生变化，电容器的电容值也会发生变化，因此电容器可以用作土壤湿度传感器；电阻式土壤湿度传感器由许多小单元组成，小单元由穿过湿度传感层的两个电极组成，电阻值随小单元数量的变化而变化，因此可用作土壤湿度传感器；离子敏感土壤水分传感器由敏感膜和转换器组成。离子的类型和浓度由敏感膜识别，转换器将敏感膜感应到的信息转换成电信号，因此也可用作土壤湿度传感器。同时，根据三种不同类型土壤湿度传感器的结构示意图，发现由于多孔硅与互补金属氧化物半导体工艺不兼容，多孔硅的制备条件和后处理困难，孔径和孔径控制困难，多孔硅的湿度传感机理复杂，因此互补金属氧化物半导体湿度传感器的主要湿度传感介质为聚酰亚胺。聚邻苯二胺传感

16、器与CMOS工艺兼容，成本低，不需要高温处理和加热清洗。它们的湿度感应不如多孔陶瓷容易受到污染。然而，如果电阻式湿度传感器和离子敏感式湿度传感器是用CMOS工艺生产的，就需要改变更多的CMOS工艺。例如，改变生产过程的顺序，使用新的掩模等。所有这些都将耗费大量资金；与标准的互补金属氧化物半导体工艺相比，该工艺不成熟，增加了压铸的风险；同时，它们很难与外围电子设备封装在一起。此外，电容式湿度传感器具有传感相对湿度范围广、结构简单、等效形式简单、生产工艺简单等优点，因此其研究受到广泛重视。采用梳状铝电极结构邻苯二甲酰亚胺作为电容式土壤湿度传感器的湿度敏感介质的优点是，它可以与互补金属氧化物半导体工

17、艺兼容，可以采用成熟的标准互补金属氧化物半导体工艺加工，加工工艺简单，因此可以将更多的器件(敏感器件或外围电路器件)集成在同一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，也有利于土壤水分传感器向小型化、集成化、低成本和综合功能化方向发展。11.3电阻式土壤湿度传感器的设计示例11.3.1设计理念土壤属于多孔介质，由固相、液相和气相组成。物理学中的电流和电压定律也适用于土壤。土壤的气相和固相可以视为介质，而土壤中的水不是纯水，可以导电。如果两个电极埋在土壤中并固定，即两个电极之间的固相是固定的，那么土壤中电阻率的变化主要取决于土壤中液相的量。电阻率是反映土壤湿度的电参数，因此用电阻法研制了土壤湿度传感器。线性放大原理用于测量土壤电压来计算土壤湿度，而不是直接测量电阻来计算土壤湿度。这样，输出电压模拟信号经模数转换后输入计算机，进行自动控制。11.3.2结构设计土壤湿度传感器由两个直径为5毫米的铜合金探头组成，探头的距离和长度通过正交试验确定。图11.8显示了土壤湿度传感器的尺寸和结构。图11.8电阻式土壤湿度传感器结构图11.3.3传输电路的设计发射机电路采用LM324四运放集成电路设计。阻抗式湿度传感器是非线性的，但其阻抗的对数与相对湿度成线性关系，因此有必要设计线性化电路