基于RC 峰值檢測的土壤水分傳感器設計與性能試驗

盛慶元 倪夢瑤 張西良 李萍萍

(1.紹興職業技術學院機電工程與交通學院，紹興312000;2.江蘇大學機械工程學院，鎮江212013;3.南京林業大學森林資源與環境學院，南京210037)

0 引言

土壤含水率的測量是精細農業中實施節水灌溉的基礎，是實現農業灌溉自動化的關鍵環節［1］。隨著土壤水分分布式監測無線網絡系統應用的成熟，急需一種測量精度高、功耗低、價格低、結構小巧、標定過程簡單的土壤水分傳感器［2-4］。

目前，土壤水分的測定方法有干燥法、射線法、介電法、核磁共振法、近紅外光譜分析法和遙感法等［5-6］。其中，介電法通過測量土壤介電常數間接測量土壤含水率，具有快速、無損的優點，按其測量原理又可分為時域反射法(TDR)、頻域反射法(FDR)、駐波率法(SWR)和電容法［7-9］。電容法具有技術簡單、成本低等優點，相關的商品化產品，特別是Decagon Devics 生產的ECH2O 系列土壤水分傳感器備受學者青睞。如樊志平等［10］、GOUMOPOULOS 等［11］、MAJONE 等［12］分 別 將ECH2O 感器用于溫室草莓滴灌和柑橘園、丘陵果園中，搭建土壤墑情無線監控系統;劉志剛等［13］、方煒等［14］、NEMALI 等［15］將ECH2O 傳感器用于栽培基質水分檢測。但ECH2O 系列傳感器還存在一些不足:成本較高，僅探頭單價60 美元左右，限制其應用推廣;輸出信號受供電電壓影響［16-17］;輸出信號受土壤鹽分影響［4，17］;正、負極板區域敏感度不同［18］。

由于土壤、基質理化性質的差異性，Decagon Devics 廠家提供的標度變換模型適用性較差。實際使用時，需要采用多點回歸法對不同土壤、基質選擇較優模型重新標定，此過程耗時長，沒有統一標定模型，不利于推廣使用［19］。有學者對電容式土壤水分傳感器標定方法進行了研究，如SAKAKI 等［20］提出對ECH2O 傳感器干土、飽和濕土的兩點α 標定模型，獲得了不錯效果;高艷等［21］、BOGENA 等［22］提出了先標定輸出電壓與介電常數關系、后標定介電常數與含水率之間關系的兩步標定法。這兩種標定方法都存在不足:飽和濕土很難定量配制，操作不便;兩步標定法的第二步標定建立的較優模型同樣因土壤、基質的性質不同而不同，不具適應性。這些研究中的標定模型大多采用簡單的線性或二次多項式進行擬合，而未從檢測原理出發。

近年來，李加念等［23］、穆永航等［24］、SEGUNDO等［25］、YUKI 等［26］基于不同技術改進了電容式土壤水分傳感器。研究表明，傳感器總體性能與ECH2O系列傳感器相當，還不能完全滿足精準農業對土壤水分傳感器性能要求。

本文對ECH2O 傳感器探頭結構進行改進，基于RC 穩態響應峰值檢測原理，采用慢充快放電方法設計土壤水分傳感器及其信號處理電路，以期提高其性價比。

1 傳感器設計

1.1 設計基本原理

傳感器設計基于一階RC 串聯電路穩態響應原理，如圖1a 所示。在方波激勵下，電容充放電穩定后，電容端電壓的波峰波谷電壓關系式為

式中 UT——電容上的波峰電壓

U0——電容上的波谷電壓

Us——方波高電平電壓

T——方波周期

R——電阻 C——電容

式(1)中UT對電容C 求導，可得

由式(2)可知，當電容上的波峰電壓為傳感器輸出信號時，傳感器靈敏度為負相關，且波谷電壓越小，傳感器靈敏度越高。因此，本文傳感器信號處理電路設計時，在傳統的一階RC 串聯電路中增加了快放電回路，以減小U0。在電阻R 端并聯二極管，利用二極管正向導通、反向截止特性實現RC 電路的慢充快放電。其改進設計基本原理如圖1b 所示，設計時選擇低導通壓降、電阻的二極管D。

圖1 傳感器設計原理圖Fig.1 Sensor design principle diagram

按照電介質極化理論，土壤作為介質時，土壤中存在導電離子是引起電容測量偏大的主要原因。在RC 串聯電路穩態響應中，電容式探頭C 不斷充放電穩定后，探頭上存在一直流電壓分量，即波谷電壓U0。波谷電壓U0越小，由離子極化現象形成的電容越小。因此，改進設計中增加的快放電回路另一優點是有利于減小土壤電導率對土壤水分測量的影響。

1.2 硬件電路設計

1.2.1 電路總體結構

如圖2 所示，基于慢充快放電RC 電路的峰值檢測土壤水分傳感器電路包括:穩壓源電路、方波信號源、精密電阻R、放電肖特基二極管D、電容式探頭C、波峰檢測單元等。其中，DC-DC穩壓電源主要為方波激勵信號單元提供穩定的工作電源，以便方波信號電平UT保持穩定;方波信號作用在精密電阻和探頭形成的電容上，對RC 電容進行充放電，傳感器以電容端的波峰電壓為輸出信號。

圖2 土壤水分傳感器原理框圖Fig.2 Functional block diagram of soil moisture sensor

傳感器電容式探頭采用印刷電路板制成，與傳感器信號處理電路(頭部)集成一體，如圖3a 所示，其尺寸形狀與ECH2O 傳感器探頭基本一致。但此電路板采用4 層板制成，探頭兩極板由第2 層、第3層上敷銅形成，且探頭兩極板之間不開槽，保證探頭電極良好的絕緣性，增強探頭強度，避免探頭插入土壤時、由于開槽形成空隙，影響測量結果。傳感器實物如圖3b 所示，傳感器頭部采用RTV704 型防水硅橡膠均勻涂蓋，達到防水和對外絕緣功能。

圖3 傳感器Fig.3 Sensor

1.2.2 信號處理電路

傳感器信號處理電路原理如圖4 所示，供電電源經過DC-DC AMS1117-3.3V 型穩壓芯片實現穩壓。電源濾波電路是由電感L1、電阻R1 和電容C3組成的RLC 濾波電路，目的是抑制電磁噪聲。

圖4 土壤水分傳感器電路原理圖Fig.4 Circuit diagram of soil moisture sensor

方波信號源由LTC6905-133 型芯片實現，它是精準的固定頻率硅振蕩器，此芯片采用2.7 ～5.5 V 單電源工作，可提供一個軌至軌、頻率為133 MHz、50%占空比的方波輸出。

精密電阻選用精度等級為0.1%、溫漂為2.5 ×10-5的貼片電阻。為保證傳感器在全量程范圍內有良好的靈敏度，依據傳感器在空氣中輸出信號電壓為DC-DC AMS1117-3.3V 型穩壓芯片穩壓的85%左右確定電阻。

放電二極管D 和檢波用二極管D2 選用英飛凌射頻肖特基BAT15-03W 型二極管，它是N 型低勢壘硅器件，具有片上集成保護環。BAT15-03W 型二極管具有較低勢壘高度、低正向電壓(0.25 V)和低結電容(0.28pF@1MHz)，動態電阻5.8 Ω，最高反向工作電壓4 V，適合用在頻率高達12 GHz 的應用中，用于實現混頻器和檢測器功能。

本傳感器的信號處理電路和電路板制作在研制過程中成本僅為20 元/個，較之售價60 美元1 個的ECH2O 系列傳感器，成本優勢明顯。

2 實驗方法

2.1 敏感區域

確定傳感器敏感區域是正確使用傳感器的前提。按照圖5a 所示配置，實驗確定敏感區域。在桶內氣-水界面上方水平(區域1 和區域2)或垂直(區域3)分別設置傳感器。

從距離界面足夠遠的地方開始，距離X 以很小的增量變化，如圖5b 所示。向下移動傳感器，每一步都記錄傳感器讀數。一直進行到傳感器完全浸入水中，且進一步觀察到傳感器輸出沒有變化為止。

圖5 測試敏感區域配置與測量實驗步驟Fig.5 Test sensitive area configuration and measurement steps

2.2 電學特性測試

有學者研究表明，ECH2O 式傳感器的輸出信號受供電電壓的影響，從而影響檢測精度［4，17］。本傳感器電學特性測試分別在空氣和蒸餾水中進行。在這兩種介質中通過改變傳感器供電電源電壓(從9 V 降至3.3 V)，測得傳感器輸出電壓范圍和工作電流(傳感器消耗電流)范圍。

2.3 標定實驗

一般通過配置不同含水率的土壤進行土壤水分傳感器標定，此方法難以保證土樣的均勻性和一致性，且在傳感器探頭插入土樣中時，存在接觸不良等現象，引起測量誤差。本實驗參考BOGENA 等［4］、YE 等［17］溶液中標定的方法——通過配置介電常數已知的溶液，并利用TOPP 經驗公式［28］，計算已知介電常數等效的體積含水率，間接建立體積含水率與傳感器輸出電壓之間關系的標定模型，溶液配置參照文獻［17］。

2.4 溫度與電導率實驗

現有文獻對土壤介電常數與溫度相關性研究出現兩種不同的實驗現象，既有土壤介電常數與溫度存在正相關，也有負相關。本文溫度特性實驗只研究傳感器本身受溫度的影響。在恒溫箱中研究傳感器輸出信號隨空氣溫度變化。實驗溫度變化范圍5 ～50℃，間隔5℃，升溫降溫循環一次。

已有研究表明，土壤電導率對電容式傳感器輸出特性有顯著影響，傳感器抗電導率是評價土壤水分傳感器性能的重要指標。本文在恒溫條件下，參照文獻［4］選取體積濃度為80%的i-C3E1溶液，通過加入NaCl 配置或5 個水平的電導率溶液進行實驗。為驗證本設計中的二極管D 對傳感器性能的影響，取下放電二極管D 再實驗一次。

2.5 傳感器性能實驗

2019 年12 月23 日于江蘇大學農業裝備工程學院實驗菜地褐土和山上黃土中開挖剖面進行實驗。剖面每隔20 cm 深度插入傳感器，記錄傳感器輸出電壓，并在同一水平面處采用直徑16 cm、長27 cm 的取土器取土，記錄取土質量，干燥換算后獲得土壤實際體積含水率。

黃土土樣成分:砂粒含量3.04%、粉粒含量69.80%、粘粒含量27.16%;褐土土樣成分:砂粒含量50.03%、粉粒含量39.27%、粘粒含量10.70%。

實驗設備:YB1732A 5A 型直流穩壓電源、PZ158B 型直流數字電壓電流表、VICTOR VC9804A +型萬用表、W2S 型恒溫水浴鍋、GHP-9-80 型電熱鼓風干燥箱和DDS-307A 型電導率儀。

3 實驗結果與分析

3.1 敏感區域結果分析

傳感器的敏感區域實驗結果如圖6 所示。其在空氣和水中輸出信號電壓分別為2.449、1.231 V，其對應測量體積含水率的平均靈敏度為12.187 mV，相比于EC-5 在2.5 V 供電工作下的平均靈敏度10 mV，靈敏度提高了21.87%。以三位半電壓表測量精度和靈敏度為依據，規定輸出信號變化10 mV作為分析傳感器敏感區域1、區域2、區域3 標準。設計的傳感器敏感區域1、區域2、區域3 的敏感范圍為3.8、2.5、7.2 cm;對比ECH2O 傳感器，本文傳感器的敏感范圍在區域1 方向提高了1.8 cm，在區域2 方向提高1.5 cm，其敏感范圍擴大的原因可能是本文傳感器探頭上的波峰電壓比EC-5探頭上的波峰電壓大，其探頭電場分布更廣。由區域3 曲線可知，傳感器頭部即X 范圍內6.4 ～9.8 cm，輸出信號還有46 mV 的變化，表明此傳感器使用時頭部應完全插入土壤中，此與EC-5 研究結果一致。

圖6 敏感區域實驗結果Fig.6 Experimental results of sensitive area

3.2 電學特性結果分析

傳感器電學特性如圖7 所示。傳感器輸出信號不受供電電壓的影響，這與設計中設有DC-DC穩壓電源有關。由于EC-5 傳感器輸出信號和電源有關，本傳感器用于電池供電的無線土壤墑情傳感器網絡可不進行電壓補償。由于采用了ASM1117-3.3V 型穩壓芯片，當供電電源低于4.75 V 或高于12 V 時，此芯片無法正常工作，故此傳感器的供電電壓U 區間為［4.75 V，12 V］。傳感器在空氣和純水中消耗的電流分別為3、4 mA，遠低于EC-5 傳感器的工作電流10 mA，比文獻［23］類似EC-5 的土壤水分傳感器工作電流15 ～55 mA小，更好地滿足了無線傳感器網絡實際應用對傳感器能耗的要求。

圖7 傳感器電學特性Fig.7 Electrical characteristic diagram of sensor

3.3 標定結果分析

在溫度20.8℃下進行標定，結果如圖8 所示。

圖8 傳感器標定數據Fig.8 Sensor calibration chart

從圖8 可以看出，相對介電常數、體積含水率較大時，輸出電壓變化減緩，即傳感器靈敏度變小。式(1)中的電容C 含雜散電容ΔC 和土壤含水率變化引起的電容Cx，其中Cx與土壤等效相對介電常數ε 成正比，即

式中 g——比例系數

式(1)可整理為

依據式(4)采用指數函數和線性函數對數據回歸分析，計算式為

分析結果見表1。由表1 可知，兩種模型回歸分析效果都較好，決定系數都大于0.96;相對介電常數與輸出電壓之間指數模型優于線性模型，而依據TOPP 經驗公式換算得到的土壤體積含水率與輸出電壓之間線性模型卻優于指數模型。

表1 標定模型參數Tab.1 Parameters of calibration model

因此，此傳感器實際應用中，需進行實測土壤標定，以保證更好的測試精度。另外，從線性回歸模型的斜率看，體積含水率在30% ～52%范圍內，其平均靈敏度高達16 mV，且未出現靈敏度顯著下降現象。

3.4 溫度特性和電導率特性結果分析

3.4.1 溫度特性

傳感器溫度特性如圖9 所示。空氣升溫、降溫過程傳感器輸出信號無明顯的變化趨勢，輸出信號最大溫漂為8.2 mV，取線性擬合靈敏度為16 mV，傳感器溫漂引起的體積含水率測量誤差約為0.5%。

3.4.2 電導率特性

圖9 傳感器溫度特性Fig.9 Sensor temperature characteristics

圖10 電導率實驗數據分析Fig.10 Analysis of conductivity experiment data

電導率實驗數據及分析結果如圖10 所示。由圖10 可知，輸出電壓隨電導率增大而下降，這是由于離子極化，導致極板之間的等效電容增大所致。其中，無放電二極管D 時，輸出電壓更大，這與原理分析一致。另外，相比無D 時，有D 輸出電壓隨電導率增大電壓下降幅度減小，表明本設計增加二極管D 可有效降低電導率的影響。

依據本文的指數模型將輸出電壓換算成對應的相對介電常數，再由TOPP 公式計算出對應的含水率，分析電導率對相對介電常數和含水率的測量影響。在等效40.6%體積含水率溶液中測試結果表明，在電導率0 ～2 000 μS/cm 情況下，電導率引起的含水率最大測量誤差不大于4.2%，相比文獻［4］中EC-5 實驗數據的最大誤差5.4% ，本文傳感器抗電導率性能提高了27.8%。

3.5 實測性能結果分析

實測性能結果如表2 所示。由輸出電壓按指數模型換算出對應相對介電常數，再由TOPP 公式計算得到含水率。分析表明此傳感器的最大誤差為2.17%。

表2 實測性能結果Tab.2 Analysis of actual measurement performance data

4 結論

(1)傳感器平均靈敏度為12.187 mV，相比EC-5 在2.5 V 供電工作的平均靈敏度10 mV，靈敏度提高了21.87%。傳感器的敏感區域范圍比EC-5在區域1 方向提高了1.8 cm，在區域2 方向提高1.5 cm。

(2)在確保ASM1117-3.3V 型穩壓芯片正常工作的情況下，傳感器輸出信號不受供電電壓的影響，消耗電流僅為3 ～4 mA，均比同類傳感器低，滿足低功耗要求。

(3)在不同介電常數溶液中進行標定，以及依據TOPP 經驗公式，建立的指數標定模型可很好地擬合相對介電常數和土壤體積含水率關系，決定系數R2大于0.96。

(4)傳感器本身溫漂為8.2 mV，溫漂導致的傳感器測量誤差約為0.5%;設有二極管D 的傳感器可提高傳感器抗電導率的影響，在電導率0 ～2 000 μS/cm 時，其引起傳感器的最大測量誤差不大于4.2%。

(5)傳感器的最大實測誤差為2.17%，與同類傳感器(價格百元及以上)相比，測試精度相當，但制作簡單，成本20 元/個，性價比優勢明顯。