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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 报告人: 学号: 报告内容 背景介绍 传感器介绍 原理与建模 仿真验证 实验验证 总结与思考 报告内容 背景介绍 传感器介绍 原理与建模 仿真验证 实验验证 总结与思考 应用背景 研究背景 应用背景 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。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！ 研究背景 方法 优点 缺点 烘干法 测量准确 不能实时实地量测 热特性法 不受水导电性影响 需发热源，功耗大 时域反射法 不受土壤质地、含盐量、温度影响 成本高 张力法 可实时量测，确定水的流动方向和渗透深度 张力和水分关系复杂，误差大 射线法 测量准确 设备维护成本高，有辐射危险 电容法 实时实地量测，量测范围宽，成本低 受土壤特性、温度、含盐量等影响 表1 目前已有的用于科学研究的土壤水分量测方法 报告内容 背景介绍 传感器介绍 原理与建模 仿真验证 实验验证 总结与思考 传感器介绍 功能与目的： 检测土壤体积含水量，实现节约用水 工作电压及功耗： 2.5V ~ 24V, 8mW(2.5V) 原理： 依据土壤水分与土壤相对介电常数的关系，改变平行板电容容值，从而输出对应的电压值 输入与输出： 输入为被测介质体积含水量，输出为传感器电压 输出方式： 多芯屏蔽线及耳机插头 图1 传感器实物图 报告内容 背景介绍 传感器介绍 原理与建模 仿真验证 实验验证 总结与思考 原理与建模 当量测信号频率在1 MHz ~ 1 GHz之间时，土壤体积含水量(θ)与土壤介电常数(εr)的经验关系式[2]为： (1) 两平行极板电容公式： (2) 图2 土壤介电常数和土壤体积含水量关系图 εr,干土 = 2.5, εr,水 = 80,土壤少量水会引起土壤相对介电常数明显变化[1] (3) 其中，a1和b1为常数 其中，ε0为真空介电常数，εr为平行板间介质相对介电常数，S为平行板间投影面积，d为平行板间距离。 饱和体积含水量30% ~ 40% 原理与建模 阻抗变换电路 交流放大电路 震荡电路 信号波形幅度检测电路 直流放大电路 VOSC Vt RL Vr AVr Vo C GND 信号发送电极 信号接收电极 26 MHz 图3 传感器架构图 (4) 其中，k和Va分别为直流放大电路的放大倍数和基准电压，A为交流放大电路放大倍数 (6) (5) 数量级（109 ~ 1011） (7) 其中，a2和b2为常数 报告内容 背景介绍 传感器介绍 原理与建模 仿真验证 实验验证 总结与思考 仿真方法 仿真流程 仿真结果 仿真方法 目的：考察传感器的线性度、灵敏度及功耗 方法：电容式土壤水分传感器标准评估方法 对比传感器：美国Decagon公司的EC-5传感器(工作电压2.5V) 溶液样品 1,4二氧六环溶液/mL 去离子水/mL 等效土壤水分理论值/% 1 200 0 0.9 2 200 4.08 3.2 3 200 10.54 5.9 4 200 22.22 11.3 5 200 35.30 17.2 6 200 56.42 25.6 7 200 86.72 31.5 8 200 133.32 40.9 9 200 200 47.5 10 200 300 52.6 表2 溶液样本的配比 仿真流程 开始 将200mL二氧六环溶液置于玻璃杯中 将PA-1传感器插入溶液量测并记录 EC-5传感器插入溶液量测并记录 等效土壤水含量=52.6% 累加适量去离子水达到图标比例 整理实验数据绘制图标分析物理意义 结束 是 量测结束 否 图4 仿真实验流程 直流电源：Gwinstek PSS-2005 万用表：Gwinstek GDM-451 环境温度：20℃ 仿真结果 图5 本文提出的传感器PA-1和EC-5传感器在2.5V供电电压下在溶液样品中的量测曲线 传感器输入范围： 等效土壤体积含水量（0.9% ~ 52.6%） 电压输出范围： PA-1（24mV ~ 900mV） EC-5（293mV ~ 628.7mV） PA-1 灵敏度高 线性度好，功耗低 3.2 仿真结果 图6 本文设计的传感器PA-1量测值的线性拟合结果 图7 EC-5传感器在2.5V供电电压下，本文设计的传感器PA-1在2.5V、3.3V、5V供电电压下的功耗 EC-5的功耗：19.38mW ~ 23mW (2.5V) PA-1的功耗：7.36mW ~ 7.8mW (2.5V) 9.67mW ~ 10.23mW (3.3V) 14.68mW ~ 15.57mW (