一、土壤濕度傳感器簡(jiǎn)介

　　土壤濕度傳感器又名：土壤水分傳感器、土壤墑情傳感器、土壤含水量傳感器。主要用來(lái)測(cè)量土壤容積含水量，做土壤墑情監(jiān)測(cè)及農(nóng)業(yè)灌溉和林業(yè)防護(hù)。目前常用到的土壤濕度傳感器有FDR型和TDR型，即頻域型和時(shí)域型。目前比較流行的是FDR型FDR（FrequencyDomainReflectometry）頻域反射儀是一種用于測(cè)量土壤水分的儀器，它利用電磁脈沖原理、根據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳播頻率來(lái)測(cè)量土壤的表觀介電常數(shù)（ε），從而得到土壤容積含水量（θv），F(xiàn)DR具有簡(jiǎn)便安全、快速準(zhǔn)確、定點(diǎn)連續(xù)、自動(dòng)化、寬量程、少標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn)。是一種值得推薦的土壤水分測(cè)定儀器。

　　二、土壤溫度傳感器的輸出方式

　　按照電信號(hào)輸出類型進(jìn)行區(qū)分。我國(guó)市場(chǎng)上的土壤水分傳感器部分較老的模擬量輸出的型號(hào)目前還在市場(chǎng)上處于銷售的狀態(tài)，它們的輸出方式基本分為兩種。

　　1、電壓輸出型號(hào)：通常采用0.1到10V輸出，采用兩到三線數(shù)據(jù)線路作為輸出方式

　　2、電流輸出型號(hào)：電流輸出型號(hào)是比較常見(jiàn)的簡(jiǎn)單方式，這種方式大多采用兩線制輸出方式。

　　按照接口類型進(jìn)行區(qū)分。當(dāng)然由于某些行業(yè)的需要傳感器與一些特性形式的終端設(shè)備交流數(shù)據(jù)，所以前后出現(xiàn)了一下幾種借口方式

　　1、RS485串口型

　　2、RS232串口輸出

　　3、通用網(wǎng)線接口輸出

　　4、USB輸出方式

　　三、土壤濕度傳感器使用方法

　　1、快速測(cè)量法

　　選定合適的測(cè)量地點(diǎn)，避開(kāi)石塊，確保鋼針不會(huì)碰到石塊之類堅(jiān)硬物體，按照所需測(cè)量深度刨開(kāi)表層土，保持下面土壤原有的松緊程度，握緊傳感器體垂直插入土壤，插入時(shí)不可前后左右晃動(dòng)，確保與土壤緊密接觸。一個(gè)測(cè)點(diǎn)的小范圍內(nèi)建議測(cè)多次求平均。

　　2、埋地測(cè)量法

　　垂直挖直徑大于20厘米的坑，深度按照測(cè)量需要，然后在既定深度將傳感器鋼針?biāo)讲迦肟颖?，將坑填埋壓?shí)，確保與土壤緊密接觸。穩(wěn)定一段時(shí)間后，即可進(jìn)行連續(xù)數(shù)天、數(shù)月乃至更長(zhǎng)時(shí)間按的測(cè)量和記錄。

　　四、土壤濕度傳感器液位傳感器的常用類型

　　關(guān)于土壤濕度傳感器液位傳感器的常用類型，目前市場(chǎng)上主要測(cè)量土壤濕度方法有中子衰減法、張力計(jì)測(cè)濕法、介電法速測(cè)法。中子衰減法測(cè)量土壤含水量高速運(yùn)動(dòng)的快中子與物質(zhì)作用能改變方向和產(chǎn)生能量損失，變成慢中子，形成衰減，由于被測(cè)物中含水量不同產(chǎn)生的衰減亦不同，主要原因是水中含有氫原子，而中子對(duì)氫原子作用的損失遠(yuǎn)大于對(duì)其他原子作用的損失，這樣可以通過(guò)測(cè)定慢中子來(lái)測(cè)定土壤含水量，也就是通過(guò)衰減程度的大小來(lái)確定被測(cè)物質(zhì)中含水量的多少，中子土壤水分測(cè)試儀就是根據(jù)這一原理設(shè)計(jì)而成。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)在于陜速準(zhǔn)確，但重要的是這種方法如果屏蔽不好，易造成射線泄漏，以致污染環(huán)境，危害人體健康，特別難以測(cè)量淺層土壤含水量，而淺層土壤含水量與作物生長(zhǎng)關(guān)系密切，明顯隨灌溉、降雨、蒸發(fā)等的變化而變化，是土壤水分中最為活躍的部分，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這就極大地限制了中子法的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，這種方法在發(fā)達(dá)圍家已被禁止使用壓力傳感器。

　　第一，利用土壤的介電特性來(lái)測(cè)量土壤含水量也是一種行之有效的、快速的、簡(jiǎn)便的、可靠方法。對(duì)一定幾何結(jié)構(gòu)的電容式濕度傳感器，其電容量與兩極問(wèn)被測(cè)物料的介電常數(shù)有正比關(guān)系。由于水的介電常數(shù)比一般物料的介電常數(shù)要大得多，所以當(dāng)土壤中的水分增加時(shí)，其介電常數(shù)相應(yīng)增大，測(cè)量時(shí)濕度傳感器給出的電容值也隨之上升，根據(jù)傳感器的電容量與土壤水分之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可測(cè)出土壤的水分。電容式濕度傳感器的特點(diǎn)是精度高、量程寬、可測(cè)的物料品種多，而且響應(yīng)速度也較快，可應(yīng)用于在線監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化IJI壓力開(kāi)關(guān)。

　　第二，張力計(jì)式土壤濕度傳感器是一種廣泛成功地用于某些土壤水分測(cè)量的傳感器。這種儀表有個(gè)多孔瓷頭，它通過(guò)充水的管子與真空表連接，該裝置插入土壤的鉆孔中，多孔瓷頭與土壤緊密帖合，真空表設(shè)在地面之上。用張力計(jì)來(lái)測(cè)量土壤含水量有很大的發(fā)展，它的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)及原理都比較簡(jiǎn)單，可以在線實(shí)時(shí)測(cè)量，而且可以確定水在土壤內(nèi)的流動(dòng)方向和滲透深度，但它的缺點(diǎn)也很突出。它的測(cè)量范圍很大程度上受土質(zhì)的影響。對(duì)于粘土來(lái)說(shuō)，由于其通氣性好，所以，即便是土壤水分負(fù)壓低于0-8Pa時(shí)，也可以用張力計(jì)來(lái)測(cè)量土壤的含水量。該方法所測(cè)量的是土壤水的吸力，需要依據(jù)土壤水分特征曲線來(lái)?yè)Q算成土壤含水量，由于土壤水分能量關(guān)系非常復(fù)雜，呈非線性，且容易受到許多土壤理化特性的影響，即使對(duì)同一塊田，這一關(guān)系也十分復(fù)雜，使得用張力推求土壤含水量時(shí)極為困難，不方便，帶來(lái)較大誤差。該方法存在滯后和回環(huán)，影響其測(cè)量速度。由于以上缺陷的存在極大地限制了該方法的推廣應(yīng)用電子尺。

　　五、土壤濕度傳感器分類

　　經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，土壤濕度傳感器已經(jīng)種類繁多、形式多樣。濕度的測(cè)量具有一定的復(fù)雜性，人們熟知的毛發(fā)濕度計(jì)、干濕球濕度計(jì)等已不能滿足現(xiàn)代要求的實(shí)際需要。因此，人們研制了各種土壤濕度傳感器。濕度傳感器按照其測(cè)量的原理，一般可分為電容型、電阻型、離子敏型、光強(qiáng)型、聲表面波型等。

　　1.電容型土壤濕度傳感器

　　電容型土壤濕度傳感器的敏感元件為濕敏電容，主要材料一般為金屬氧化物、高分子聚合物。這些材料對(duì)水分子有較強(qiáng)的吸附能力，吸附水分的多少隨環(huán)境濕度的變化而變化。由于水分子有較大的電偶極矩，吸水后材料的電容率發(fā)生變化，電容器的電容值也就發(fā)生變化。把電容值的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，就可以對(duì)濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對(duì)濕度成正比，利用這一特性即可測(cè)量濕度。常用的電容型土壤濕度傳感器的感濕介質(zhì)主要有：多孔硅、聚酞亞胺，此外還有聚砜（PSF）、聚苯乙烯（PS）、PMMA（線性、交聯(lián)、等離子聚合）。

　　電容型土壤濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

　　2.電阻型土壤濕度傳感器

　　電阻型土壤濕度傳感器的敏感元件為濕敏電阻，其主要的材料一般為電介質(zhì)、半導(dǎo)體、多孔陶瓷等。這些材料對(duì)水的吸附較強(qiáng)，吸附水分后電阻率／電導(dǎo)率會(huì)隨濕度的變化而變化，這樣濕度的變化可導(dǎo)致濕敏電阻阻值的變化，電阻值的變化就可以轉(zhuǎn)化為需要的電信號(hào)。例如，氯化鋰的水溶液在基板上形成薄膜，隨著空氣中水蒸氣含量的增減，薄膜吸濕脫濕，溶液中的鹽的濃度減小、增大，電阻率隨之增大、減小，兩級(jí)間電阻也就增大、減小。又如多孔陶瓷濕敏電阻，陶瓷本身是由許多小晶顆粒構(gòu)成的，其中的氣孔多與外界相通，通過(guò)毛孔可以吸附水分子，引起離子濃度的變化，從而導(dǎo)致兩極間的電阻變化。

　　電阻型土壤濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

　　3.離子型土壤濕度傳感器

　　離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ISFET）屬于半導(dǎo)體生物傳感器，是上個(gè)世紀(jì)七十年代由P．Bergeld發(fā)明的。ISFET通過(guò)柵極上不同敏感薄膜材料直接與被測(cè)溶液中離子緩沖溶液接觸，進(jìn)而可以測(cè)出溶液中的離子濃度。

　　離子敏型土壤濕度傳感器結(jié)構(gòu)模型示意圖如下圖所示。離子敏感器件由。離子選擇膜（敏感膜）和轉(zhuǎn)換器兩部分組成，敏感膜用以識(shí)別離子的種類和濃度，轉(zhuǎn)換器則將敏感膜感知的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。離子敏場(chǎng)效應(yīng)管在絕緣柵上制作一層敏感膜，不同的敏感膜所檢測(cè)的離子種類也不同，從而具有離子選擇性。

　　離子型土壤濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

　　六、三種土壤濕度傳感器的分析比較

　　通過(guò)對(duì)三種土壤濕度傳感器的研究可知：電容型土壤濕度傳感器是由交叉指狀鋁條構(gòu)成電容器的電極，利用空氣充當(dāng)電容器的電介質(zhì)，隨空氣相對(duì)濕度的變化其介電常數(shù)發(fā)生變化，電容器的電容值也將隨之變化，所以該電容器可用作土壤濕度傳感器；

　　電阻型土壤濕度傳感器是由通過(guò)感濕傳感層的兩個(gè)電極構(gòu)成的許多小單元組成，利用小單元的數(shù)目改變，使電阻值發(fā)生變化，所以可用作土壤濕度傳感器；

　　離子敏型土壤濕度傳感器由敏感膜和轉(zhuǎn)換器兩部分組成，利用敏感膜來(lái)識(shí)別離子的種類和濃度，轉(zhuǎn)換器則將敏感膜感知的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，因此也可作為土壤濕度傳感器。

　　同時(shí)根據(jù)對(duì)三種不同類型的土壤濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖研究發(fā)現(xiàn)：由于多孔硅與CMOS工藝不兼容，并且多孔硅制備的工藝條件及后處理、孔隙及孔徑大小的控制很困難，同時(shí)多孔硅的感濕機(jī)理比較復(fù)雜，因此CMOS濕度傳感器的主要感濕介質(zhì)以聚酞亞胺為主。聚酞亞胺類的傳感器可與CMOS工藝兼容，成本也較低，并且無(wú)需高溫加工和加熱清潔，它對(duì)濕度的感應(yīng)不像多孔陶瓷易受污染。而若用CMOS工藝生產(chǎn)電阻型濕度傳感器和離子敏型濕度傳感器，它們需要改動(dòng)較多CMOS的工藝。例如：改變生產(chǎn)過(guò)程的先后順序，使用新的掩膜板等，這些都會(huì)耗費(fèi)大量的流片資金；并且與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝相比，工藝較不成熟，增加了流片的風(fēng)險(xiǎn)性；同時(shí)它們存在著難與外圍電子封裝在一起的困難。

　　另外，電容型濕度傳感器（CHS）由于感應(yīng)相對(duì)濕度范圍大，并且結(jié)構(gòu)與等效形式較簡(jiǎn)單，生產(chǎn)過(guò)程較容易，因此對(duì)它的研究受到了廣泛重視。以梳狀鋁電極結(jié)構(gòu)的聚酞亞胺作為電容型土壤濕度傳感器的感濕介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)主要是可與CMOS工藝相兼容，可利用成熟的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝來(lái)加工，且加工工藝較簡(jiǎn)單，所以能夠把更多的器件（敏感器件或外圍的電路器件）集成在同一塊芯片上或封裝在一起，使土壤濕度傳感器具有更好的性能或更多的功能。同時(shí)有利于使土壤濕度傳感器向小型化、集成化、成本低、功能全面等好的方向發(fā)展。