仪器建模与仿真

1、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！研究背景方法方法优点优点缺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

2、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

3、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01020304050607001020304050607080r(%) 当量测信号频率在1 MHz 1 GHz之间时，土壤体积含水量()与土壤介电常数(r)的经验关系式2为： q= -5.310-2+er2.9210-2-er25.510-4+er3 4.310-6(1)两平行极板电容公式： C=e0erSd(2)图2 土壤介电常数和土壤体积含水量关系图r,干土 = 2.5, r,水 = 80,土壤少量水会引起土壤相对介电常数明显变化1 C=a1q+b1(3)其中，a1和b1为常数 其中，0为真空介电常数，r为平行板间介质相

4、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VOSCVtRLVrAVrVoCGND信号发送电极信号接收电极26 MHz图3 传感器架构图Vr=RLRL2+1(wC)2Vt(4)Vo=k(Va+AVr/2)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) Vr=RLwCVt(5)数量级（数量级（109 1011） Vo=a2q+b2(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

5、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/%120000.922004.083.2320010.545.9420022.2211.3520035.3017.2620056.4225.6720086.7231.58200133.3240.9920020047.51020030052.6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

6、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

7、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 (5V) Vo=18.9947q-39.0152(8)拟合相关系数平方：R2 = 0.9950线性度好，功耗低线性度好，功耗低报告内容 背景介绍 传感器介绍 原理与建模 仿真验证 实验验证 总结与思考实验方法实验结果实验方法土样： 粘壤土（山东淄博，干 = 2.72%）砂壤土（河北保定，干= 3.88%）粘土（湖南郴州，干= 1.94%）土壤测定单位：中

8、国农科院改变方法：注入去离子水灌溉需求： 24%3土壤范围：2.72% 22.72%3.88% 21.88%1.94% 19.94%实验温度： 25万用表：Gwinstek GDM-451电源：Gwinstek PSS-2005(直流2.5V)图8 粘土土样测试场景实验结果图9 多种土样的数据线性拟合 Vo1=56.87q-201.33Vo2= 27.539q-122.51Vo3= 3.589q+13.949(9)(10)(11)砂壤土粘壤土粘土 R12= 0.814R22= 0.891R32= 0.963818.7%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 总结与思考总

9、结 实验结果表明，传感器输出电压和土壤体积含水量有良好线性关系（R2 = 0.81 0.99）； 传感器从元器件的选择、电路设计着手降低功耗，功率低于8mV（2.5V）； 实际应用中需要根据土质进行校准。思考 环境温度对传感器的灵敏度有何影响？ 对于用户，如何方便快捷地进行校准？ 自动化作业中，单点量测的准确性？ 多点量测的信息传输如何布线？低功耗意义？ 自适应、无线传输、低功耗的土壤水分传感器土质温度施肥参考文献1 Kitic G. A Sensor for the Measurement of the Moisture of Undisturbed Soil Samples. Sensors,2013,13:1692-1705.2 Topp G C, Davis J I, Annan A P. Electromagnetic Determination of Soil Water Cont