基于信号波形幅度检测放大技术的电容式土壤水分传感器研究*

徐 燕，易卫东，卓国文

(中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京100049)

随着世界各地淡水资源的日趋紧张，以致各方面的用水进行了严格控制，农业用水也不能像往常那样任意使用，所需代价与日俱增。根据实测土壤水分的状况和农作物生长情况进行节水灌溉，意义重大［1-3］。

目前已有多种土壤水分量测方法用于科学研究，包括烘干法、热特性法、中子法、电容法、时域反射法、近红外法、光学法、射线法、核子法、张力法［4-5］。烘干法量测准确，但是不能实时实地量测［6-7］。热特性法量测不受水的电导的影响，但是热特性法需要发热源，相比其他方法耗电量大，Valente(2006)提出的采用热特性法的土壤水分传感器仅是发热源的功率就达到5.76 W［4，8］。时域反射法不受土壤质地、含盐量、温度影响，但成本高［4，9］。张力法可在线实时量测、而且可以确定水在土壤内的流动方向和渗透深度，但是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土壤含水量，由于土壤水分能量关系非常复杂，使得用张力推求土壤含水量时极为困难，误差大［3］。射线法是利用各种射线进入土壤的衰减来计算土壤含水率，缺点是设备维护成本高而且有辐射危险［10］。电容法可以实时实地量测，量测范围宽，成本低，是目前研究最广的土壤水分量测方法［2，11-12］。

本文基于信号波形幅度检测放大技术，设计了一种电容式土壤水分传感器。在元器件选择和电路设计上着手降低传感器功耗。在标准溶液中，和粘壤土、砂壤土、粘土3种不同土质土样中对该传感器进行测试，测试结果显示本文设计的传感器具有线性度好、功耗低的优点。本文设计的传感器灵敏度受土质影响明显，在粘壤土、砂壤土、粘土土样中分别为27.54 mV、56.87 mV、3.59 mV，在实际应用时要按照土质不同对传感器进行校准。

1 电容式土壤水分传感器量测原理

电容式土壤水分传感器是依据土壤水分与土壤相对介电常数的关系来量测土壤水分的。干土的相对介电常数为2.5，水的相对介电常数为80，土壤中水的少量变化会导致土壤相对介电常数的明显变化［13］。Topp等(1980)给出了量测信号频率在1 MHz～1 GHz之间时，土壤水分与土壤介电常数的经验关系式［14］，如式(1)所示:

其中，θ为土壤体积含水量，εr为土壤相对介电常数。式(1)建立了在一定量测信号频率范围内土壤水分与土壤相对介电常数的关系。

电容式土壤水分传感器一般具有两根感测电极，将传感器电极插入土壤中，两根电极连同电极之间的土壤形成平行板电容，该电容与土壤相对介电常数的关系如式(2)所示:

其中，C为两个电极间的电容，ε0为真空的介电常数，εr为土壤的相对介电常数，S为电容极板正对面积，d为两个电极间的距离。根据式(1)，土壤水分的变化会导致土壤相对介电常数的变化;根据式(2)，土壤相对介电常数的变化导致插入土壤中的传感器电极间的电容变化，通过量测极间电容可以得到土壤水分。

2 电容式土壤水分传感器设计

2.1 传感器架构

本文设计的电容式土壤水分传感器实物图如图1(a)所示，传感器包括电路部分和电极部分，电路部分封装在黑色塑料壳体中，电极共有2根，1根是信号发送电极，用于将量测信号送入土壤;另外1根是信号接收电极，用于接收经过土壤后的信号，并将该信号送入后级电路。电极的外表面均由绝缘材料构成，以降低土壤对电极的锈蚀。每根电极长6 cm，宽0.5 cm，厚 0.08 cm。电极上均标有刻度，便于调整及观察电极插入土壤中的深度。传感器通过多芯屏蔽线及耳机插头与供电电源和数据采集器相连，如图1(b)所示。

图1 本文设计的传感器实物图

传感器电路部分由振荡电路、阻抗变换电路、交流放大电路、信号波形幅度检测电路、直流放大电路构成。传感器架构如图2所示。

图2 本文设计的传感器架构图

由振荡电路产生频率为26 MHz的正弦波信号，信号波形幅度为Vosc，此正弦波信号经过阻抗变换电路后，信号波形幅度变为Vt。阻抗变换电路的主要部件为一个小功率变压器，阻抗变换电路的作用有2个:(1)降低振荡电路到信号发送电极的功率损耗，实现功率的最大化输出;(2)使送入信号发送电极的信号波直流偏移量为0 V，降低周围环境对量测信号的干扰。量测信号经信号发送电极送至土壤，信号经过土壤时，信号波波形幅度受土壤电容C和电路负载RL的作用发生改变，改变后的信号波形幅度为Vr，改变后的信号经信号接收电极输出。交流放大电路将信号放大A倍，信号波形幅度变为了AVr，信号波形幅度检测电路检测出信号波形幅度并将该波形幅度转换成直流电压，直流放大电路将该直流电压放大k倍，直流放大电路输出的直流电压即传感器的输出电压Vo。

Vt与Vr的关系满足下式:

传感器的最终输出电压Vo与Vr的关系满足式(4):

其中，Vo为传感器输出电压，k为直流放大电路的直流放大倍率，Va为直流放大电路的基准电压，A为交流放大电路的交流放大倍率。土壤体积含水量越大，土壤相对介电常数越大，两根电极间的电容就越大，信号接收电极接收到的量测信号波形幅度就越大，传感器输出电压便越大。通过式(1)～式(4)可最终建立传感器输出电压Vo与土壤体积含水量θ的物理关系。

2.2 信号波形幅度检测电路

信号波形幅度检测电路如图3所示。

图3 信号波形幅度检测电路

经过交流放大电路后的信号AVr送入三极管Q1的基极，电阻R1、R2的作用是设置三极管Q1的基极静态工作电压，通过设置电阻R3、R4的值控制Q1的工作状态，使Q1对AVr的放大作用不明显，从而从Q1的集电极输出的信号近似为AVr，电容C1将从Q1集电极输出的信号转换成脉动的直流电压，电容SC2将该脉动的直流电压进一步转换成稳定的直流电压，该直流电压值即为交流信号AVr的幅值。

2.3 传感器的低功耗设计

已知的传感器电路往往包含单片机，单片机是电路中最主要的耗能元件，因此这些传感器低功耗设计的重点在于如何降低单片机的硬件功率消耗和软件功率消耗［2，15-16］。本文提出的传感器电路中没有使用单片机，大大降低了传感器的功耗。

本文在设计传感器时，振荡电路、交流放大电路、直流放大电路、阻抗变换电路、信号波形幅度检测电路中完全由电阻、电容、电感、三极管这些分立元器件构成。通过在面包板上测试比较电路功耗和稳定性确定电阻值、电容值、电感值。通过调研数据手册及实际测试选用ROHM公司生产的小功率三极管。三极管集电极电流、射级电流最小可达0.1 μA，保证传感器在μA级电流下也可以正常动作。采用图4所示电路设计降低三极管静态耗电流的同时增大三极管的交流放大倍率，使电路的静态功耗尽可能降低。

为了防止电路中的交流信号对电源的干扰，同时不增加额外功耗，在电源与传感器电路之间采用电感连接，如图5所示。电感具有通直流阻交流的作用，在防止交流信号串入电源的同时，又不会对电源产生阻碍作用，相比于采用电阻连接电源和传感器电路的方式，采用电感可以降低传感器功耗。

图4 降低三极管静态工作电流的电路设计

图5 电源与传感器电路间的连接方式

3 量测实验

3.1 在标准溶液中

本文按照电容式土壤水分传感器的标准评估方法［17-19］，准备1，4- 二氧六环 C4H8O2溶液200 mL，按表1给出的溶液配比比例，逐次向1，4-二氧六环溶液中加入不同体积的去离子水，每加入一次去离子水后，使用翔天实验仪器厂制造的78-1磁力搅拌器均匀混合溶液，然后用本文设计的传感器及美国Decagon公司的EC-5传感器在溶液样本中进行量测，记录量测结果。按照表1配备出10种溶液样本，对应的等效土壤体积含水量为0.9% ～52.6%。因为土壤的饱和体积含水量一般在30%～40%，所以溶液样本的等效土壤体积含水量范围已满足实际量测需要。实验流程如图6所示。

表1 溶液样本的配比

图6 实验流程

采用Gwinstek PSS-2005直流电源给传感器供电，采用Gwinstek GDM-451万用表读取传感器输出电压和供电电流。环境温度为20℃。因为溶液会腐蚀两个传感器电路部分的塑料或塑胶封装，所以在量测时并未把电极完全浸没在溶液中，而是各留出5 mm的电极长度在空气中，以防止溶液碰触到传感器电路封装。EC-5传感器只能在2.5 V供电电压下工作，本文设计的传感器在2.5 V～24 V供电电压下均可以正常工作，在实验时，保持EC-5的供电电压为2.5 V，本文设计的传感器分别在2.5 V、3.3 V、5 V 供电电压下工作。通过实验考察传感器的线性度、灵敏度及功耗。

3.2 在3种不同土质土样中

本文从山东淄博、河北保定、湖南郴州采集土壤，从这3个地区采集到的土壤的土质经中国农科院测定依次为粘壤土、砂壤土、粘土(按照国际分类制)。胡建东等人指出在实际应用中，只需要检测低于24%的含水量就满足灌溉需要了［12］。本文将3种土壤风干，用烘干法测得3种土壤风干后的质量含水量并转换为体积含水量，3种土壤风干后的体积含水量分别为2.72%、3.88%、1.94%。向3 种风干后的土壤中逐次加入去离子水，控制土样体积含水量在24%之内，最终3种土壤的配备土样体积含水量范围分别为:2.72% ～ 22.72%，3.88% ～ 21.88%、1.94% ～19.94%。。用本文提出的传感器在3种不同土质的土样中测试，实验温度为25℃，测试场景如图7所示。

图7 土样测试具体场景

在图7所示测试场景中，用到的实验设备有Gwinstek PSS-2005供电电源一台、Gwinstek GDM-451万用表两台。供电电源为传感器提供2.5 V供电电压，一台万用表读取传感器工作电流，另外一台万用表读取传感器输出电压。图7(a)～图7(c)分别显示出了传感器在3种土质体积含水量达到量测范围上限时的工作电流和输出电压。由图7可知传感器在3种土质中的工作电流在2.6 mA～3.0 mA。

4 实验结果及分析

4.1 在标准溶液中

图8给出了本文设计的传感器及EC-5传感器在2.5 V供电电压下，在等效土壤体积含水量从0.9% ～52.6%的溶液样本中的量测曲线。本文设计的传感器对应的输出电压范围为24 mV～990 mV，当等效土壤体积含水量低于3.2%时，传感器输出电压随土壤水分的变化不明显，当等效土壤体积含水量大于等于3.2%时，传感器输出电压随着等效土壤水分的增加呈线性显著增加;EC-5传感器对应的输出电压范围为293 mV～628.7 mV，传感器量测曲线随等效土壤水分的变化关系分两段，一段的等效土壤水分范围是从0.9% ～20%，另一段的等效土壤水分范围是从20% ～52.6%，传感器在这两段的量测曲线的斜率不同，第2段的斜率要略大于第1段的斜率。从图8上可以看出，本文设计的传感器的输出电压范围明显大于EC-5传感器的输出电压范围，量测曲线的线性程度也明显优于EC-5传感器。

图8 本文提出的传感器和EC-5传感器在2.5 V供电电压下在溶液样品中的量测曲线

用MATLAB软件对本文设计的传感器在标准溶液中的量测数据进行线性拟合，拟合结果如图9所示。从图9上可以看出，传感器的量测值可以用一条直线线性拟合，拟合公式见式(5)，拟合的相关系数的平方达到0.995 0，这大大简化了对传感器输出数据的复杂的处理和分析。从式(5)可以看出土壤体积含水量每变化1%，传感器输出电压变化18.994 7 mV，即传感器在标准溶液中的灵敏度为18.99 mV/%。

图9 本文设计的传感器量测值的线性拟合结果

图10给出了EC-5传感器在2.5 V供电电压下，本文设计的传感器分别在2.5 V、3.3 V、5 V 供电电压下，在0.9% ～52.6%的溶液样本中的功耗曲线。对于两个传感器，在供电电压不变的情况下，功耗均随着等效土壤水分的增大而增大，相较于本文设计的传感器，EC-5传感器的功耗随等效土壤水分的变化率要更大一些。EC-5传感器在量测范围内的功耗为19.38 mW～23 mW;本文设计的传感器在2.5 V供电电压下的功耗为7.36 mW ～7.8 mW，在3.3 V供电电压下的功耗为9.67 mW～10.23 mW，在5 V供电电压下的功耗为14.68 mW～15.57 mW。本文设计的传感器在3种供电电压下的功耗均明显低于EC-5传感器的功耗。

图10 EC-5传感器在2.5 V供电电压下，本文设计的传感器在2.5 V、3.3 V、5 V 供电电压下的功耗

4.2 在3种不同土质土样中的测试结果

本文设计的传感器在3种土质土样中的测试结果如图11所示，利用MATLAB软件对在粘壤土、砂壤土、粘土中的量测数据进行线性拟合，拟合曲线如图11所示，拟合公式分别如式(6)～式(8)所示，拟合相关系数之平方分别为 0.891 6、0.814 9、0.963 8。结合图11与式(6)～式(8)可以发现，土质差异显著影响传感器灵敏度，传感器在砂壤土中的灵敏度最高，为56.87 mV，在粘土中的灵敏度最低为3.59 mV。传感器的输出电压在3种土质土样中均显示出随土壤水分的增加而增加的趋势，线性拟合相关系数之平方在0.81～0.96。传感器在砂壤土土样中，在体积含水量18.7%时，输出电压有一个明显的骤降，本文认为这可能是由于量测时电极与土壤未能完全接触造成的误差，还需要进一步重复实验来确定造成这种现象的原因。

图11 多种土样的数据线性拟合

5 结论

本文根据土壤水分与土壤介电常数的关系，基于信号波形幅度检测放大技术设计了一种电容式土壤水分传感器。从元器件选择、电路设计两方面着手降低传感器功耗。本文在标准溶液中和粘壤土、砂壤土、粘土土样中对传感器进行测试。实验结果显示，传感器输出电压与被测介质相对介电常数有良好的线性关系(R2=0.8～0.99)，传感器灵敏度受土质影响明显，实际应用中时需要根据土质进行校准，传感器功耗低，在2.5 V供电电压下功耗低于8 mW。本文设计的传感器可推广至精准农业系统应用中。

［1］ 吴景社，李英能.我国21世纪农业用水危机与节水农业［J］.农业工程学报，1998，14(3):95-101.

［2］ 胡建东，段铁城，何赛灵.基于自建模技术的电容土壤水分传感器研究［J］.传感技术学报，2004:106-109.

［3］ 王克栋，陈岩.土壤水分测量技术与墒情监测系统研究［M］.北京:机械工业出版社，2011:2-4.

［4］ Valente A，Morais R，Couto C.Modeling，Simulation and Testing of a Silicon Soil Moisture Sensor Based on the Dual-Probe Heat-Pulse Method［J］.A Sens Actuators，2004，115:434-439.

［5］ 马孝义，马建仓.土壤水分介电测量的频率上限分析［J］.水土保持研究，2002(2):82-86.

［6］ 李长宝，太史怀远.土壤基础理论学［M］.北京:中国林业出版社，2010:45-47.

［7］ 王果.土壤学［M］.北京:高等教育出版社，2009:92-93.

［8］ Valente A，Morais R，Tuli A.Multi-Functional Probe for Small-Scale Simultaneous Measurements of Soil Thermal Properties，Water Content，and Electrical Conductivity［J］.A Sens Actuators，2006，132:70-77.

［9］ Rezaei M，Ebrahimi E，Naseh S.A New 1.4-GHz Soil Moisture Sensor［J］.Measurement，2012，45:1723-1728.

［10］黄飞龙，黄宏智，李昕娣.基于频域反射的土壤水分探测传感器设计［J］.传感技术学报，2011，24(9):1367-1370.

［11］ Andrade-Sánchez P，Upadhyaya S K，Vega J A.Evaluation of a Capacitance-Based Soil Moisture Sensor for Real-Time Applications［J］.T Asabe，2004，47(4):1281-1287.

［12］胡建东，赵向阳，李振峰.参数调制探针式电容土壤水分传感技术研究［J］.传感技术学报，2007，20(5):1057-1060.

［13］ Kitic'G，Crnojevic'-Bengin V.A Sensor for the Measurement of the Moisture of Undisturbed Soil Samples［J］.Sensors，2013，13:1692-1705.

［14］ Topp G C，Davis J I，Annan A P.Electromagnetic Determination of Soil Water Content:Measurement in Coxial Transmission Lines［J］.Water Resour Res，1980，16(3):574-582.

［15］张宁，林春生，庞学亮.基于低功耗器件的固态矢量地磁探测器［J］.探测与控制学报，2009，31(3):28-30.

［16］胡俭波，宋开臣.一种高性能超低功耗流量计设计［J］.工业控制计算机，2002，15(1)，57-61.

［17］ Bogena H R，Huisman J A，OberdÖrster C.Evaluation of a Low-Cost Soil Water Content Sensor for Wireless Network Applications［J］.J Hydrol，2007，344:32-42.

［18］ Wohifarth C.Landolt-Börnstein［M］.IV/17，Germany:Springer-Verlag，2008.

［19］ Jones S B，Blonquist J M，Robinson D A.Standardizing Characterization of Electromagnetic Water Content Sensors:Part 1.Methodology［J］.Vadose Zone J，2005，4(4):1048-1058.