基于RC 峰值检测的土壤水分传感器设计与性能试验

盛庆元 倪梦瑶 张西良 李萍萍

(1.绍兴职业技术学院机电工程与交通学院，绍兴312000;2.江苏大学机械工程学院，镇江212013;3.南京林业大学森林资源与环境学院，南京210037)

0 引言

土壤含水率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［1］。随着土壤水分分布式监测无线网络系统应用的成熟，急需一种测量精度高、功耗低、价格低、结构小巧、标定过程简单的土壤水分传感器［2-4］。

目前，土壤水分的测定方法有干燥法、射线法、介电法、核磁共振法、近红外光谱分析法和遥感法等［5-6］。其中，介电法通过测量土壤介电常数间接测量土壤含水率，具有快速、无损的优点，按其测量原理又可分为时域反射法(TDR)、频域反射法(FDR)、驻波率法(SWR)和电容法［7-9］。电容法具有技术简单、成本低等优点，相关的商品化产品，特别是Decagon Devics 生产的ECH2O 系列土壤水分传感器备受学者青睐。如樊志平等［10］、GOUMOPOULOS 等［11］、MAJONE 等［12］分 别 将ECH2O 感器用于温室草莓滴灌和柑橘园、丘陵果园中，搭建土壤墒情无线监控系统;刘志刚等［13］、方炜等［14］、NEMALI 等［15］将ECH2O 传感器用于栽培基质水分检测。但ECH2O 系列传感器还存在一些不足:成本较高，仅探头单价60 美元左右，限制其应用推广;输出信号受供电电压影响［16-17］;输出信号受土壤盐分影响［4，17］;正、负极板区域敏感度不同［18］。

由于土壤、基质理化性质的差异性，Decagon Devics 厂家提供的标度变换模型适用性较差。实际使用时，需要采用多点回归法对不同土壤、基质选择较优模型重新标定，此过程耗时长，没有统一标定模型，不利于推广使用［19］。有学者对电容式土壤水分传感器标定方法进行了研究，如SAKAKI 等［20］提出对ECH2O 传感器干土、饱和湿土的两点α 标定模型，获得了不错效果;高艳等［21］、BOGENA 等［22］提出了先标定输出电压与介电常数关系、后标定介电常数与含水率之间关系的两步标定法。这两种标定方法都存在不足:饱和湿土很难定量配制，操作不便;两步标定法的第二步标定建立的较优模型同样因土壤、基质的性质不同而不同，不具适应性。这些研究中的标定模型大多采用简单的线性或二次多项式进行拟合，而未从检测原理出发。

近年来，李加念等［23］、穆永航等［24］、SEGUNDO等［25］、YUKI 等［26］基于不同技术改进了电容式土壤水分传感器。研究表明，传感器总体性能与ECH2O系列传感器相当，还不能完全满足精准农业对土壤水分传感器性能要求。

本文对ECH2O 传感器探头结构进行改进，基于RC 稳态响应峰值检测原理，采用慢充快放电方法设计土壤水分传感器及其信号处理电路，以期提高其性价比。

1 传感器设计

1.1 设计基本原理

传感器设计基于一阶RC 串联电路稳态响应原理，如图1a 所示。在方波激励下，电容充放电稳定后，电容端电压的波峰波谷电压关系式为

式中 UT——电容上的波峰电压

U0——电容上的波谷电压

Us——方波高电平电压

T——方波周期

R——电阻 C——电容

式(1)中UT对电容C 求导，可得

由式(2)可知，当电容上的波峰电压为传感器输出信号时，传感器灵敏度为负相关，且波谷电压越小，传感器灵敏度越高。因此，本文传感器信号处理电路设计时，在传统的一阶RC 串联电路中增加了快放电回路，以减小U0。在电阻R 端并联二极管，利用二极管正向导通、反向截止特性实现RC 电路的慢充快放电。其改进设计基本原理如图1b 所示，设计时选择低导通压降、电阻的二极管D。

图1 传感器设计原理图Fig.1 Sensor design principle diagram

按照电介质极化理论，土壤作为介质时，土壤中存在导电离子是引起电容测量偏大的主要原因。在RC 串联电路稳态响应中，电容式探头C 不断充放电稳定后，探头上存在一直流电压分量，即波谷电压U0。波谷电压U0越小，由离子极化现象形成的电容越小。因此，改进设计中增加的快放电回路另一优点是有利于减小土壤电导率对土壤水分测量的影响。

1.2 硬件电路设计

1.2.1 电路总体结构

如图2 所示，基于慢充快放电RC 电路的峰值检测土壤水分传感器电路包括:稳压源电路、方波信号源、精密电阻R、放电肖特基二极管D、电容式探头C、波峰检测单元等。其中，DC-DC稳压电源主要为方波激励信号单元提供稳定的工作电源，以便方波信号电平UT保持稳定;方波信号作用在精密电阻和探头形成的电容上，对RC 电容进行充放电，传感器以电容端的波峰电压为输出信号。

图2 土壤水分传感器原理框图Fig.2 Functional block diagram of soil moisture sensor

传感器电容式探头采用印刷电路板制成，与传感器信号处理电路(头部)集成一体，如图3a 所示，其尺寸形状与ECH2O 传感器探头基本一致。但此电路板采用4 层板制成，探头两极板由第2 层、第3层上敷铜形成，且探头两极板之间不开槽，保证探头电极良好的绝缘性，增强探头强度，避免探头插入土壤时、由于开槽形成空隙，影响测量结果。传感器实物如图3b 所示，传感器头部采用RTV704 型防水硅橡胶均匀涂盖，达到防水和对外绝缘功能。

图3 传感器Fig.3 Sensor

1.2.2 信号处理电路

传感器信号处理电路原理如图4 所示，供电电源经过DC-DC AMS1117-3.3V 型稳压芯片实现稳压。电源滤波电路是由电感L1、电阻R1 和电容C3组成的RLC 滤波电路，目的是抑制电磁噪声。

图4 土壤水分传感器电路原理图Fig.4 Circuit diagram of soil moisture sensor

方波信号源由LTC6905-133 型芯片实现，它是精准的固定频率硅振荡器，此芯片采用2.7 ～5.5 V 单电源工作，可提供一个轨至轨、频率为133 MHz、50%占空比的方波输出。

精密电阻选用精度等级为0.1%、温漂为2.5 ×10-5的贴片电阻。为保证传感器在全量程范围内有良好的灵敏度，依据传感器在空气中输出信号电压为DC-DC AMS1117-3.3V 型稳压芯片稳压的85%左右确定电阻。

放电二极管D 和检波用二极管D2 选用英飞凌射频肖特基BAT15-03W 型二极管，它是N 型低势垒硅器件，具有片上集成保护环。BAT15-03W 型二极管具有较低势垒高度、低正向电压(0.25 V)和低结电容(0.28pF@1MHz)，动态电阻5.8 Ω，最高反向工作电压4 V，适合用在频率高达12 GHz 的应用中，用于实现混频器和检测器功能。

本传感器的信号处理电路和电路板制作在研制过程中成本仅为20 元/个，较之售价60 美元1 个的ECH2O 系列传感器，成本优势明显。

2 实验方法

2.1 敏感区域

确定传感器敏感区域是正确使用传感器的前提。按照图5a 所示配置，实验确定敏感区域。在桶内气-水界面上方水平(区域1 和区域2)或垂直(区域3)分别设置传感器。

从距离界面足够远的地方开始，距离X 以很小的增量变化，如图5b 所示。向下移动传感器，每一步都记录传感器读数。一直进行到传感器完全浸入水中，且进一步观察到传感器输出没有变化为止。

图5 测试敏感区域配置与测量实验步骤Fig.5 Test sensitive area configuration and measurement steps

2.2 电学特性测试

有学者研究表明，ECH2O 式传感器的输出信号受供电电压的影响，从而影响检测精度［4，17］。本传感器电学特性测试分别在空气和蒸馏水中进行。在这两种介质中通过改变传感器供电电源电压(从9 V 降至3.3 V)，测得传感器输出电压范围和工作电流(传感器消耗电流)范围。

2.3 标定实验

一般通过配置不同含水率的土壤进行土壤水分传感器标定，此方法难以保证土样的均匀性和一致性，且在传感器探头插入土样中时，存在接触不良等现象，引起测量误差。本实验参考BOGENA 等［4］、YE 等［17］溶液中标定的方法——通过配置介电常数已知的溶液，并利用TOPP 经验公式［28］，计算已知介电常数等效的体积含水率，间接建立体积含水率与传感器输出电压之间关系的标定模型，溶液配置参照文献［17］。

2.4 温度与电导率实验

现有文献对土壤介电常数与温度相关性研究出现两种不同的实验现象，既有土壤介电常数与温度存在正相关，也有负相关。本文温度特性实验只研究传感器本身受温度的影响。在恒温箱中研究传感器输出信号随空气温度变化。实验温度变化范围5 ～50℃，间隔5℃，升温降温循环一次。

已有研究表明，土壤电导率对电容式传感器输出特性有显著影响，传感器抗电导率是评价土壤水分传感器性能的重要指标。本文在恒温条件下，参照文献［4］选取体积浓度为80%的i-C3E1溶液，通过加入NaCl 配置或5 个水平的电导率溶液进行实验。为验证本设计中的二极管D 对传感器性能的影响，取下放电二极管D 再实验一次。

2.5 传感器性能实验

2019 年12 月23 日于江苏大学农业装备工程学院实验菜地褐土和山上黄土中开挖剖面进行实验。剖面每隔20 cm 深度插入传感器，记录传感器输出电压，并在同一水平面处采用直径16 cm、长27 cm 的取土器取土，记录取土质量，干燥换算后获得土壤实际体积含水率。

黄土土样成分:砂粒含量3.04%、粉粒含量69.80%、粘粒含量27.16%;褐土土样成分:砂粒含量50.03%、粉粒含量39.27%、粘粒含量10.70%。

实验设备:YB1732A 5A 型直流稳压电源、PZ158B 型直流数字电压电流表、VICTOR VC9804A +型万用表、W2S 型恒温水浴锅、GHP-9-80 型电热鼓风干燥箱和DDS-307A 型电导率仪。

3 实验结果与分析

3.1 敏感区域结果分析

传感器的敏感区域实验结果如图6 所示。其在空气和水中输出信号电压分别为2.449、1.231 V，其对应测量体积含水率的平均灵敏度为12.187 mV，相比于EC-5 在2.5 V 供电工作下的平均灵敏度10 mV，灵敏度提高了21.87%。以三位半电压表测量精度和灵敏度为依据，规定输出信号变化10 mV作为分析传感器敏感区域1、区域2、区域3 标准。设计的传感器敏感区域1、区域2、区域3 的敏感范围为3.8、2.5、7.2 cm;对比ECH2O 传感器，本文传感器的敏感范围在区域1 方向提高了1.8 cm，在区域2 方向提高1.5 cm，其敏感范围扩大的原因可能是本文传感器探头上的波峰电压比EC-5探头上的波峰电压大，其探头电场分布更广。由区域3 曲线可知，传感器头部即X 范围内6.4 ～9.8 cm，输出信号还有46 mV 的变化，表明此传感器使用时头部应完全插入土壤中，此与EC-5 研究结果一致。

图6 敏感区域实验结果Fig.6 Experimental results of sensitive area

3.2 电学特性结果分析

传感器电学特性如图7 所示。传感器输出信号不受供电电压的影响，这与设计中设有DC-DC稳压电源有关。由于EC-5 传感器输出信号和电源有关，本传感器用于电池供电的无线土壤墒情传感器网络可不进行电压补偿。由于采用了ASM1117-3.3V 型稳压芯片，当供电电源低于4.75 V 或高于12 V 时，此芯片无法正常工作，故此传感器的供电电压U 区间为［4.75 V，12 V］。传感器在空气和纯水中消耗的电流分别为3、4 mA，远低于EC-5 传感器的工作电流10 mA，比文献［23］类似EC-5 的土壤水分传感器工作电流15 ～55 mA小，更好地满足了无线传感器网络实际应用对传感器能耗的要求。

图7 传感器电学特性Fig.7 Electrical characteristic diagram of sensor

3.3 标定结果分析

在温度20.8℃下进行标定，结果如图8 所示。

图8 传感器标定数据Fig.8 Sensor calibration chart

从图8 可以看出，相对介电常数、体积含水率较大时，输出电压变化减缓，即传感器灵敏度变小。式(1)中的电容C 含杂散电容ΔC 和土壤含水率变化引起的电容Cx，其中Cx与土壤等效相对介电常数ε 成正比，即

式中 g——比例系数

式(1)可整理为

依据式(4)采用指数函数和线性函数对数据回归分析，计算式为

分析结果见表1。由表1 可知，两种模型回归分析效果都较好，决定系数都大于0.96;相对介电常数与输出电压之间指数模型优于线性模型，而依据TOPP 经验公式换算得到的土壤体积含水率与输出电压之间线性模型却优于指数模型。

表1 标定模型参数Tab.1 Parameters of calibration model

因此，此传感器实际应用中，需进行实测土壤标定，以保证更好的测试精度。另外，从线性回归模型的斜率看，体积含水率在30% ～52%范围内，其平均灵敏度高达16 mV，且未出现灵敏度显著下降现象。

3.4 温度特性和电导率特性结果分析

3.4.1 温度特性

传感器温度特性如图9 所示。空气升温、降温过程传感器输出信号无明显的变化趋势，输出信号最大温漂为8.2 mV，取线性拟合灵敏度为16 mV，传感器温漂引起的体积含水率测量误差约为0.5%。

3.4.2 电导率特性

图9 传感器温度特性Fig.9 Sensor temperature characteristics

图10 电导率实验数据分析Fig.10 Analysis of conductivity experiment data

电导率实验数据及分析结果如图10 所示。由图10 可知，输出电压随电导率增大而下降，这是由于离子极化，导致极板之间的等效电容增大所致。其中，无放电二极管D 时，输出电压更大，这与原理分析一致。另外，相比无D 时，有D 输出电压随电导率增大电压下降幅度减小，表明本设计增加二极管D 可有效降低电导率的影响。

依据本文的指数模型将输出电压换算成对应的相对介电常数，再由TOPP 公式计算出对应的含水率，分析电导率对相对介电常数和含水率的测量影响。在等效40.6%体积含水率溶液中测试结果表明，在电导率0 ～2 000 μS/cm 情况下，电导率引起的含水率最大测量误差不大于4.2%，相比文献［4］中EC-5 实验数据的最大误差5.4% ，本文传感器抗电导率性能提高了27.8%。

3.5 实测性能结果分析

实测性能结果如表2 所示。由输出电压按指数模型换算出对应相对介电常数，再由TOPP 公式计算得到含水率。分析表明此传感器的最大误差为2.17%。

表2 实测性能结果Tab.2 Analysis of actual measurement performance data

4 结论

(1)传感器平均灵敏度为12.187 mV，相比EC-5 在2.5 V 供电工作的平均灵敏度10 mV，灵敏度提高了21.87%。传感器的敏感区域范围比EC-5在区域1 方向提高了1.8 cm，在区域2 方向提高1.5 cm。

(2)在确保ASM1117-3.3V 型稳压芯片正常工作的情况下，传感器输出信号不受供电电压的影响，消耗电流仅为3 ～4 mA，均比同类传感器低，满足低功耗要求。

(3)在不同介电常数溶液中进行标定，以及依据TOPP 经验公式，建立的指数标定模型可很好地拟合相对介电常数和土壤体积含水率关系，决定系数R2大于0.96。

(4)传感器本身温漂为8.2 mV，温漂导致的传感器测量误差约为0.5%;设有二极管D 的传感器可提高传感器抗电导率的影响，在电导率0 ～2 000 μS/cm 时，其引起传感器的最大测量误差不大于4.2%。

(5)传感器的最大实测误差为2.17%，与同类传感器(价格百元及以上)相比，测试精度相当，但制作简单，成本20 元/个，性价比优势明显。