一、土壤濕度傳感器簡介

　　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。主要用來測量土壤容積含水量，做土壤墑情監(jiān)測及農(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)中傳播頻率來測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具有簡便安全、快速準(zhǔn)確、定點連續(xù)、自動化、寬量程、少標(biāo)定等優(yōu)點。是一種值得推薦的土壤水分測定儀器。

　　二、土壤溫度傳感器的輸出方式

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

　　1、電壓輸出型號：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：電流輸出型號是比較常見的簡單方式，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、快速測量法

　　選定合適的測量地點，避開石塊，確保鋼針不會碰到石塊之類堅硬物體，按照所需測量深度刨開表層土，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，插入時不可前后左右晃動，確保與土壤緊密接觸。一個測點的小范圍內(nèi)建議測多次求平均。

　　2、埋地測量法

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

　　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，目前市場上主要測量土壤濕度方法有中子衰減法、張力計測濕法、介電法速測法。中子衰減法測量土壤含水量高速運(yùn)動的快中子與物質(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，而中子對氫原子作用的損失遠(yuǎn)大于對其他原子作用的損失，這樣可以通過測定慢中子來測定土壤含水量，也就是通過衰減程度的大小來確定被測物質(zhì)中含水量的多少，中子土壤水分測試儀就是根據(jù)這一原理設(shè)計而成。這個方法的優(yōu)點在于陜速準(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，特別難以測量淺層土壤含水量，而淺層土壤含水量與作物生長關(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，需要實時監(jiān)測，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測量土壤含水量也是一種行之有效的、快速的、簡便的、可靠方法。對一定幾何結(jié)構(gòu)的電容式濕度傳感器，其電容量與兩極問被測物料的介電常數(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，其介電常數(shù)相應(yīng)增大，測量時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應(yīng)關(guān)系可測出土壤的水分。電容式濕度傳感器的特點是精度高、量程寬、可測的物料品種多，而且響應(yīng)速度也較快，可應(yīng)用于在線監(jiān)測實現(xiàn)自動化IJI壓力開關(guān)。

　　第二，張力計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量的傳感器。這種儀表有個多孔瓷頭，它通過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。用張力計來測量土壤含水量有很大的發(fā)展，它的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)及原理都比較簡單，可以在線實時測量，而且可以確定水在土壤內(nèi)的流動方向和滲透深度，但它的缺點也很突出。它的測量范圍很大程度上受土質(zhì)的影響。對于粘土來說，由于其通氣性好，所以，即便是土壤水分負(fù)壓低于0-8Pa時，也可以用張力計來測量土壤的含水量。該方法所測量的是土壤水的吸力，需要依據(jù)土壤水分特征曲線來換算成土壤含水量，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極為困難，不方便，帶來較大誤差。該方法存在滯后和回環(huán)，影響其測量速度。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)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，土壤濕度傳感器已經(jīng)種類繁多、形式多樣。濕度的測量具有一定的復(fù)雜性，人們熟知的毛發(fā)濕度計、干濕球濕度計等已不能滿足現(xiàn)代要求的實際需要。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)殡娦盘枺涂梢詫穸冗M(jìn)行監(jiān)測。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，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濕度成正比，利用這一特性即可測量濕度。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。這些材料對水的吸附較強(qiáng)，吸附水分后電阻率／電導(dǎo)率會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。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

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

　　通過對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感濕傳感層的兩個電極構(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，利用敏感膜來識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，因此也可作為土壤濕度傳感器。

　　同時根據(jù)對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，并且無需高溫加工和加熱清潔，它對濕度的感應(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，它們需要改動較多CMOS的工藝。例如：改變生產(chǎn)過程的先后順序，使用新的掩膜板等，這些都會耗費大量的流片資金；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)險性；同時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)相對濕度范圍大，并且結(jié)構(gòu)與等效形式較簡單，生產(chǎn)過程較容易，因此對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工藝來加工，且加工工藝較簡單，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。