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汤超 传感器论文 新型传感器技术课程报告院系信息工程与自动化学院专业仪器仪表工程年级xx级学生姓名汤超学号xx704018任课教师万舟xx年6月1昆明理工大学试卷信自学院检测、测试专业硕士生xx级二学期考试科目新型传感器技术学生姓名汤超学号xx704018题号12345678910总分评分结合实际工艺对象设计一种传感器和检测方法 1、针对特定的工艺对象，选择相关参数 2、分析传感器敏感元件、换能元件的工作原理、物理特性 3、建立传感器数学模型 4、传感器静态特性、动态特性分析 5、分析测量电路 6、分析干扰因素及解决方案 7、校验与标定方案 8、该传感器的应用、发展前景及目前的最新动态1一种新型土壤水分传感器的研究与应用引言灌溉是农业生产中的重要环节，精确观察和计算土壤湿度，并建立一个土壤水分含量模型对于农业生产具有重要的指导意义。 水分是土壤的重要组成部分，是农作物生长状况与产量的重要影响因素之一。 土壤中水分的测量是精细农业中实施节水灌溉的基础，是实现农业灌溉自动化的关键环节。 通过实时测量土壤水分可以及时地了解土壤旱情，对作物需水规律的研究也具有重要的现实意义。 土壤水分的测定方法有烘干法、射线法、介电特性法、核磁共振法、分离示踪剂法和遥感法等。 其中，介电特性法是利用土壤的介电特性进行间接测量的，能实现土壤水分的快速无损测量，具体来说又可分为基于电阻原理、基于电容原理、基于时域反射原理、基于频率反射原理和基于驻波原理的测量方法。 但每种实现方法有着各自的优势与不足，综合考虑技术难度、成本、精度和实时性等因素，当前土壤水分测量方法中，以基于电容原理的介电方法较为普遍，并在此方法的基础上研制了许多土壤水分传感器。 这些传感器的传感部件以插入式结构居多，几何结构简单，制作方便，但其感知的信号大多需要调理、放大等处理，电路实现相对有点复杂，而且受传感部件外形尺寸及强度的限制，不易测量较深层土壤的含水量。 为此，本文基于真有效值检测技术，设计了一个成本低、体积小、能埋入土壤中不同深度进行测量的高频电容式土壤水分传感器，并使之易于与各种自动灌溉系统及土壤旱情监控系统相连，实时地提供待测土壤的水分信息。 1相关参数的选定土壤水分的测量是精细农业中实施节水灌溉的基础。 基于真有效值检测技术，利用土壤的介电特性，本文设计了一个高频电容式土壤水分传感器，主要由电源滤波电路、100MHz有源品振、XC74UL14AA，探针电极和AD8361组成。 其中，探针电极由印刷电路板制成并与主印刷电路板一体化成型。 传感器以直流电压输出，分别在空气和去离子水中测得其输出范围为工作电压的20%70%。 配制不同等效土壤体积含水率的待测溶液，在不同工作电压下，对传感器进行了标定。 另外，目前在市场上所能见到的土壤水分快速检测设备一般的参数为测试时间20秒；测试的绝对误差2%；相对百分误差3%；土壤水分探头工作温度1070；2传感器的工作原理及数学模型土壤水分传感器的测量原理是当传感器置于待测土壤进行测量时，100MHz方波激励信号加在由电阻R2和探针的等效电容组成的一阶RC电路上，进行周期性地充放电，同时探针上会出现相应的周期性波形信号，然后利用真有效值检测器对此波形信号进行真有效值转换，以等效的直流电压输出，作为传感器的测量结果。 当土壤的含水量不同时，其介电常数发生变化，从而探针的等效电容也随之变化，导致探针等效电容上的充放电曲线发生变化，即探针上的周期性波形发生变化，最终使传感器输出的直流电压发生改变。 在方波信号的激励下，探针等效电容C上的充电电压可用下式计算2RCtiCeVV(VU?) (1)式中，t为充电时间，大小由方波激励信号的频率决定；C为探针等效电容；R为图3中的电阻R2。 探针等效电容C的容量与探针周围的介质及探针本身的寄生电容有关，是介质的介电常数?和几何因子?的函数，其中几何因子?与探针电极的配置及渗透到介质中的电磁场的形状相关。 探针等效电容C的容量可用下式计算?C (2)CU为探针等效电容C两端的电压；V与iV分别为方波信号的高、低电压；式中，C同式 (1)，?是探针的几何因子，?是待测介质的介电常数。 由式 (1) (2)知t?VUVVLnRCi?1? (3)式中，由方波激励信号的特性知CU、iV、R和t同式 （1），?和?同式 （2）。 ?iV0，式 （3）可简化为1VUVLnRtC? (4)式中，由上述分析知，当探针电极插入某种待测土壤进行测量时，电阻R、几何因子?、时间t及方波激励信号的高电平V均为常量，因此土壤介电常数?与探针上的电压CU成一一对应关系。 CU、V、R和t同式 (1)，?和?同式 （2）。 3传感器结构传感器主要由电源滤波电路、有源晶振、施密特触发器、信号衰减器、探针和真有效值检测器组成，如图1所示。 电源滤波电路用于消除或减小地电位跳跃和电源噪声，为电路中各单元提供稳定、无纹波的工作电压；有源晶振用来产生一个单一频率的高频振荡信号，经施密特触发器整形成波形标准的方波信号，作为传感器测量时的激励信号；信号衰减器将方波激励信号的幅度衰减后再加至探针上；真有效值检测器用于将插入待测土壤中的探针上的信号进行真有效值转换，以将探针上的波形信号以等效的直流电压输出，作为整个传感器的输出信号。 图1土壤水分传感器的原理框图其中，探针电极为两针平行结构，由2个长条形印刷电路板(PCB)构成，并与安装有整个传感器电子电路的主PCB进行电气连接成一体化结构，如图2所示。 探针电极长5cm，宽0.5cm，厚1.6mm，两探针电极的内侧距离为0.5cm，3探针末端设计为三角形便于插入待测土壤。 主PCB与探针电极PCB均为双层板，但探针电极PCB只有其中一个表面涂有敷铜层，并在敷铜层表面上涂覆有绝缘层，只裸露探针电极PCB敷铜层的四周，形成电接触区，以感知待测土壤的水分信息。 为使传感器能埋入土壤中进行测量，采用专门的电路板、防水胶水对传感器的电子电路区进行灌封处理后，再用橡胶外壳密封，只引出一条带屏蔽的三芯线作为外部接口，三芯线分别与传感器的电源输入端、地线及信号输出线相连。 图2土壤水分传感器的外观结构图4测量电路分析传感器的电路原理如图3所示，电源滤波电路是由电感L 1、电阻R1和电容C1组成的RLC滤波电路，并在电路布局上使其尽量靠近有源晶振的电源输入端，以最大程度减小射频环路电流，避免有源晶振可能引起与谐振频率有关的电流环路辐射；有源晶振U1输出的振荡信号经施密特触发器U2整形后变成标准的方波信号，作为传感器测量时的激励信号；探针置于待测土壤中感知信号时相当于一个以土壤为介质的电容器，其容量与探针周围的介质及探针本身的寄生电容有关；电阻R2相当于信号衰减器，它串联在施密特触发器U2的输出端与真有效值检测器U3的输入端之间，用来将方波激励信号进行降幅，以使其适应真有效值检测器的输入信号的幅度要求，此外电阻R2与探针的等效电容组成一阶RC电路，根据激励信号周期性地充放电；真有效值检测器U3对探针上的周期性信号进行幅值的真有效值转换，以等效的直流电压形式进行输出。 其中，施密特触发器U2的型号为XC74UL14AA，它是一个单通道、高速低功耗施密特触发器，其典型的传输延迟时间为2.3ns，可以将400MHz范围内的信号整形成方波信号，其工作电压为25V，最大消耗电流为1uA；真有效值检测器U3是型号为AD8361的真有效值功率检测器件，工作电压为2.76.5V，工作时只需要消耗1.1mA的电流，能将频率在2.5GHz范围内、最高幅值为390mV的任意波形信号转换成等效的直流电压输出，其输出值为输入波形信号真有效值的7.5倍；电容C2和电容C3是AD8361的去耦电容，用于进一步滤除电源的噪声和纹波，为AD8361提供一个干净的工作电压；电容C5用来降低AD8361输出信号的噪声；电阻R3和电容C4及AD8361本身的输入阻抗构成一个高通滤波电路，只允许高于某一频率的信号进入AD8361的信号输入端。 电容式土壤水分传感器受土壤电导的影响程度与其测量频率有关，频率越高受土壤电导的影响越小，但频率越高趋肤效应越明显，检测电路的设计越困难，综合考虑选取有源晶振的频率为100MHz。 4图3土壤水分传感器的电路原理图5干扰因素及其解决方案本设计主要是研制一个土壤水分检测传感器，其中可能会遇到的干扰因素及其解决方案如下 1、传感器的建模问题。 建立一个好的数学模型是传感器的研制成功的关键，本设计是利用传感器的阻抗模型，将介电系数?计算出来，并找出土壤含水率与介电系数?之间的关系。 土壤的阻抗是一个比较复杂的模型，影响土壤阻抗值的因素有许多，包括温度、土壤成分、含盐率以及各种无机物和有机物的影响等。 本文采用的方法是在保证检测精度的情况下忽略掉一些次要的问题； 2、电路的精度问题。 较好地实现非电量与电子信号之间的转换，并保障精度在可允许的范围内是本设计的关键。 设计中主要采用高精度电子器件，印制板电路采取多种抗干扰措施，检测电路外加屏蔽等方法进行解决； 3、传感器的设计问题。 由于本设计采用的是一种新型的传感器，因此在设计的过程中如何选取精度最高、成本最低、效果最好的传感器是设计的要点。 6展望通过对基于真有效值的高频电容式土壤水分传感器的研究，认为该技术今后主要有以下几个发展方向把土壤的电阻率和电导率与土壤介电系数结合起来进行研究，在保证一般精度的情况下，检测土壤的阻抗值。 深入研究土壤阻抗对土壤的含水率、含盐率、土壤成分、对农作物生长周期的影响等诸多方面必然会有一定的推动作用。 农业生产是