土壤濕度傳感器主要有哪些相關(guān)設(shè)計應(yīng)用

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。

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?，就可以對濕度進(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)。

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。

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。

土壤濕度傳感器應(yīng)用：

一、土壤墑情監(jiān)測

土壤墑情監(jiān)測是對土壤中的含水量進(jìn)行實時監(jiān)測，以便及時了解土壤水分狀況，制定灌溉計劃和節(jié)水措施，確保農(nóng)作物正常生長，提高抗旱能力。對于干旱、半干旱地區(qū)，要根據(jù)氣候條件和作物類型、栽培制度、灌溉技術(shù)等確定適宜的灌溉制度。在其他地區(qū)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件和農(nóng)作物種類來確定合理的灌溉制度。

土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)可實時監(jiān)測土壤含水量和墑情指數(shù)，同時提供灌溉用水的總量、農(nóng)作物需水量、灌溉量等參數(shù)，并提供灌溉水源優(yōu)化調(diào)度方案，通過歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析對水資源進(jìn)行優(yōu)化配置和管理，實現(xiàn)節(jié)水效益最大化。目前已廣泛應(yīng)用于農(nóng)田墑情監(jiān)測、作物需水預(yù)測等領(lǐng)域。

二、農(nóng)作物灌溉管理

土壤濕度傳感器可用于田間土壤水分的測量，可以判斷作物需水狀況和土壤水分狀況。為合理灌溉提供依據(jù)，同時可以根據(jù)作物的需水規(guī)律，實現(xiàn)對水資源的有效利用?？梢栽谵r(nóng)作物灌溉管理中廣泛應(yīng)用，在灌溉時，根據(jù)農(nóng)作物需要的不同灌水量，確定不同的灌水時間、灌水方式、灌溉定額等，從而實現(xiàn)節(jié)約用水。

三、植物栽培管理

在植物栽培管理方面，可以通過監(jiān)測土壤濕度來了解植物生長的情況。土壤濕度傳感器是用來測量土壤水分的，因此，要想知道土壤中的水分含量，就要用到土壤濕度傳感器。通過使用土壤濕度傳感器，可以實時監(jiān)測農(nóng)作物的生長狀況，從而可以及時對農(nóng)作物進(jìn)行澆水、施肥等管理工作。當(dāng)農(nóng)作物出現(xiàn)缺水癥狀時，就會通過灌溉系統(tǒng)及時地為作物補(bǔ)充水分。當(dāng)然，還可以通過監(jiān)測土壤濕度傳感器來確定土壤的水分情況，從而采取相應(yīng)的措施進(jìn)行調(diào)整。

四、植物病蟲害監(jiān)測

由于植物病蟲害的發(fā)生和發(fā)展與土壤濕度有著密切的關(guān)系，因此，可以利用土壤濕度傳感器來監(jiān)測植物病蟲害的發(fā)生。通過對土壤濕度傳感器的安裝和使用，可以及時發(fā)現(xiàn)植物病蟲害，以便及時采取有效措施進(jìn)行防治。

一般在作物生長季、防治病蟲害期間以及收獲后對土壤進(jìn)行監(jiān)測。

五、溫室大棚管理

溫室大棚在日常的生產(chǎn)管理中，為了避免溫室大棚內(nèi)溫度、濕度等參數(shù)過高或過低，就要實時監(jiān)測這些參數(shù)。土壤濕度傳感器可對空氣濕度、土壤濕度等進(jìn)行實時監(jiān)測，從而避免大棚內(nèi)溫度過高或過低，可有效預(yù)防和減少蔬菜病害的發(fā)生，提高蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)，也可提高大棚內(nèi)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。