土壤水分仪的转换电路设计分析

　　水分是天然土壤的一个重要组成部分，它不仅影响到土壤的物理性质，制约着土壤中养分的溶解、转移和微生物的活动，而且，是构成土壤肥力的一个重要因素，更是一切植物赖以生存的基本条件。因此，测定土壤含水量，对实施精准农业，节水灌溉，提高农业生产效率有重要的意义。
　　目前，测定土壤水分的方法归纳起来有两大类，一类是变动位置取样测定（如烘干称重法等），另一类是原位取样测定（如，中子法、C射线法、时域反射仪法、频域发射仪法、传感器法等）。不同的方法各有优缺点，烘干称重法原理简单、精度高，但其操作烦琐，又不能在田间实时连续监测。
　　中子法和C射线法虽可在室外快速准确监测，但存在放射性物质危害人体健康。时域反射仪法和频域发射仪法价格比较昂贵，而传感器法安全可靠，测定土壤水分快速直读，具有不必采土样，不破坏土壤结构，可连续监测并输出电信号，十分适合于监测田间土壤水分动态分布和变化情况，便于长期的观测和积累田间水势资料等，因此，被广泛应用在田间监测土壤水分。
　　本文设计采用传感器法，主要面向设施农业的应用，其使用对象主要是农业种植和管理者，所以，设计力求简单易用、快速直读、价格低廉。
　　1 土壤水分仪检测转换电路工作原理
　　1.1 土壤水吸力传感器的基本原理

       目前，水分传感器多种多样，本设计选用土壤水吸力传感器，因其具有结构简单、使用方便、灵敏度较高等优点，可以定点定位连续测定土壤水分的运行，及时反映土壤水分的纵横变化。
　　土壤水吸力传感器是根据土壤水吸力的大小与土壤水分含量有关的原理制成的。一般来说，土壤含水量越小，吸力越大；反之，吸力越小。其结构如图1所示。

图1 土壤水吸力传感器

集气管上有注水口，使用时，打开橡皮塞，注满水后再塞紧，当管中气体排出后，将陶土头埋入土中。陶土头是感应部件，具有许多微小的孔隙，陶土头被水浸润后，在孔隙中形成一层水膜，当充满水且密封的土壤水分传感器插入水分不饱和的土壤时，水膜就与土壤水连接起来，使仪器内部的水产生负压，此负压作用于固态压阻式传感器，传感器将负压转换成电信号，从而可获得0~100 kPa范围内任意点土壤吸力的电信号，并且，二者有良好的线性关系。
　　固态压阻式传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的一种力敏器件，是以单晶硅为基体，用集成工艺技术扩散4个等值应变电阻，并组成惠斯登电桥。不受压力作用时，电桥处于平衡状态；受到压力作用时，一对桥臂电阻变大，另一对则变小，从而达到测量气体、液体压力大小的目的。例如：一只CYG01型压阻传感器在一定的电源电压激励下，当吸力为0时产生5mV的电位差，在100 kPa吸力时产生85mV的电位差。传感器供电源用直流，为了解决温度漂移问题，一般有恒压源和恒流源，在近距离测量时，用恒压源9V供电，可以同时供给多个传感器使用；若测量距离远，在精度要求高的情况下，可用恒流源6~10mA供电，每只恒流源只供给一个传感器使用。
　　1.2 土壤水分检测转换电路原理

       土壤水分检测转换电路原理方框图如图2所示。

图2 原理方框图

　　土壤水分检测转换电路由土壤水吸力传感器、信号调理电路、显示装置和供电电源等组成。设计的基本原理是土壤水吸力传感器将土壤含水量的大小转换电信号送给信号调理电路，调理电路对信号进行处理后送显示装置显示。
　　1.3 土壤水分检测转换电路设计

      按照上述设计原理，设计的土壤水分检测转换电路如图3所示。

图3 土壤水分检测转换电路图

　　电路工作时，土壤水分传感器将土壤含水量的大小H（% ）转换为土壤水吸力的大小，并作用于压阻式传感器。
　　压阻式传感器将土壤水吸力转换为差动电压信号输出给双端输入单端输出差动放大器。此处，采用差动放大器是由于其具有较好的抑制零漂的作用，同时，可将双端输入信号转换为单端输出信号。由于差动放大器的输出与输入是反相的，故将此输出的信号再送给反相放大器，在放大信号的同时将输出再次反相，从而转变为与压阻式传感器的输出同相的电压信号。为了根据需要调节反相放大器的放大倍数，在其反馈电阻上串接一电位器，同时，对信号进行调零和校正。zui后，将调理电路输出信号送给数字电压表，显示zui终的输出电压值，根据测试数据标定情况制做一土壤含水量表头，由此可直接读出土壤含水量的数值。
　　2 土壤水分测试仪试验
　　2.1 土壤水分检测转换电路测试标定

      首先，采用烘干称重法制备含水量100%,其中，m1为水分质量，m2为土壤干土质量，单位均为g）为8%, 12%, 15%, 18%, 22%, 25%, 28%, 30%,34%, 36%, 38%, 43%的土样若干组，用本装置测出其输出电压值，列表并作出土壤含水量与输出电压之间的曲线，据此对该电路装置进行标定，并制做土壤含水量表头。
　　2.2 结果对比

       用本电路装置和烘干称重法测量土壤含水量，并进行对比，其结果如表1所示。

表1 测量数据对比

　　3 试验结论
　　测量结果表明：本电路装置的分辨力为0. 1%,与烘干称重法测量值的差值均在5%以内，说明本装置的分辨力和测量准确度是比较高的。特别是利用本装置测量土壤含水量速度快（测量一次仅需几秒钟）、数值显示、非常直观、体积小、便于携带，可随时测量含水量的情况，很适合在田间、温室大棚、草坪等场合使用。