儀器建模與仿真

1、基于信號波形幅度檢測放大技術(shù)的電容式土壤水分傳感器研究徐燕，易衛(wèi)東*，卓國文中國科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院，北京100049報告人:學(xué)號:報告內(nèi)容 背景介紹 傳感器介紹 原理與建模 仿真驗證 實驗驗證 總結(jié)與思考報告內(nèi)容 背景介紹 傳感器介紹 原理與建模 仿真驗證 實驗驗證 總結(jié)與思考應(yīng)用背景研究背景應(yīng)用背景 隨著世界各地淡水資源的日趨緊張，以致各方面的用水進行了嚴格控制。根據(jù)實測土壤水分的狀況和農(nóng)作物生長情況進行節(jié)水灌溉，意義重大！研究背景方法方法優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點烘干法測量準確不能實時實地量測熱特性法不受水導(dǎo)電性影響需發(fā)熱源，功耗大時域反射法不受土壤質(zhì)地、含鹽量、溫度影響成本高張力法可

2、實時量測，確定水的流動方向和滲透深度張力和水分關(guān)系復(fù)雜，誤差大射線法測量準確設(shè)備維護成本高，有輻射危險電容法實時實地量測，量測范圍寬，成本低受土壤特性、溫度、含鹽量等影響表1 目前已有的用于科學(xué)研究的土壤水分量測方法報告內(nèi)容 背景介紹 傳感器介紹 原理與建模 仿真驗證 實驗驗證 總結(jié)與思考傳感器介紹功能與目的：檢測土壤體積含水量，實現(xiàn)節(jié)約用水工作電壓及功耗：2.5V 24V, 8mW(2.5V)原理：依據(jù)土壤水分與土壤相對介電常數(shù)的關(guān)系，改變平行板電容容值，從而輸出對應(yīng)的電壓值輸入與輸出：輸入為被測介質(zhì)體積含水量，輸出為傳感器電壓輸出方式：多芯屏蔽線及耳機插頭圖1 傳感器實物圖報告內(nèi)容 背景介

3、紹 傳感器介紹 原理與建模 仿真驗證 實驗驗證 總結(jié)與思考原理與建模01020304050607001020304050607080r(%) 當(dāng)量測信號頻率在1 MHz 1 GHz之間時，土壤體積含水量()與土壤介電常數(shù)(r)的經(jīng)驗關(guān)系式2為： q= -5.310-2+er2.9210-2-er25.510-4+er3 4.310-6(1)兩平行極板電容公式： C=e0erSd(2)圖2 土壤介電常數(shù)和土壤體積含水量關(guān)系圖r,干土 = 2.5, r,水 = 80,土壤少量水會引起土壤相對介電常數(shù)明顯變化1 C=a1q+b1(3)其中，a1和b1為常數(shù) 其中，0為真空介電常數(shù)，r為平行板間介質(zhì)相

4、對介電常數(shù)，S為平行板間投影面積，d為平行板間距離。飽和體積含水量30% 40%原理與建模阻抗變換電路交流放大電路震蕩電路信號波形幅度檢測電路直流放大電路VOSCVtRLVrAVrVoCGND信號發(fā)送電極信號接收電極26 MHz圖3 傳感器架構(gòu)圖Vr=RLRL2+1(wC)2Vt(4)Vo=k(Va+AVr/2)其中，k和Va分別為直流放大電路的放大倍數(shù)和基準電壓，A為交流放大電路放大倍數(shù)(6) Vr=RLwCVt(5)數(shù)量級（數(shù)量級（109 1011） Vo=a2q+b2(7)其中，a2和b2為常數(shù)報告內(nèi)容 背景介紹 傳感器介紹 原理與建模 仿真驗證 實驗驗證 總結(jié)與思考仿真方法仿真流程仿真

5、結(jié)果仿真方法目的：考察傳感器的線性度、靈敏度及功耗方法：電容式土壤水分傳感器標準評估方法對比傳感器：美國Decagon公司的EC-5傳感器(工作電壓2.5V)溶液樣品1,4二氧六環(huán)溶液/mL去離子水/mL等效土壤水分理論值/%120000.922004.083.2320010.545.9420022.2211.3520035.3017.2620056.4225.6720086.7231.58200133.3240.9920020047.51020030052.6表2 溶液樣本的配比仿真流程開始將200mL二氧六環(huán)溶液置于玻璃杯中將PA-1傳感器插入溶液量測并記錄EC-5傳感器插入溶液量測并記錄

6、等效土壤水含量=52.6%累加適量去離子水達到圖標比例整理實驗數(shù)據(jù)繪制圖標分析物理意義結(jié)束是量測結(jié)束否圖4 仿真實驗流程直流電源：Gwinstek PSS-2005萬用表：Gwinstek GDM-451環(huán)境溫度：20仿真結(jié)果圖5 本文提出的傳感器PA-1和EC-5傳感器在2.5V供電電壓下在溶液樣品中的量測曲線傳感器輸入范圍：等效土壤體積含水量（0.9% 52.6%）電壓輸出范圍：PA-1（24mV 900mV）EC-5（293mV 628.7mV）PA-1 靈敏度高線性度好，功耗低3.2仿真結(jié)果圖6 本文設(shè)計的傳感器PA-1量測值的線性擬合結(jié)果圖7 EC-5傳感器在2.5V供電電壓下，本文

7、設(shè)計的傳感器PA-1在2.5V、3.3V、5V供電電壓下的功耗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)擬合相關(guān)系數(shù)平方：R2 = 0.9950線性度好，功耗低線性度好，功耗低報告內(nèi)容 背景介紹 傳感器介紹 原理與建模 仿真驗證 實驗驗證 總結(jié)與思考實驗方法實驗結(jié)果實驗方法土樣： 粘壤土（山東淄博，干 = 2.72%）砂壤土（河北保定，干= 3.88%）粘土（湖南郴州，干= 1.94%）土壤測定單位：中

8、國農(nóng)科院改變方法：注入去離子水灌溉需求： 24%3土壤范圍：2.72% 22.72%3.88% 21.88%1.94% 19.94%實驗溫度： 25萬用表：Gwinstek GDM-451電源：Gwinstek PSS-2005(直流2.5V)圖8 粘土土樣測試場景實驗結(jié)果圖9 多種土樣的數(shù)據(jù)線性擬合 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%報告內(nèi)容 背景介紹 傳感器介紹 原理與建模 仿真驗證 實驗驗證 總結(jié)與思考總

9、結(jié) 實驗結(jié)果表明，傳感器輸出電壓和土壤體積含水量有良好線性關(guān)系（R2 = 0.81 0.99）； 傳感器從元器件的選擇、電路設(shè)計著手降低功耗，功率低于8mV（2.5V）； 實際應(yīng)用中需要根據(jù)土質(zhì)進行校準。思考 環(huán)境溫度對傳感器的靈敏度有何影響？ 對于用戶，如何方便快捷地進行校準？ 自動化作業(yè)中，單點量測的準確性？ 多點量測的信息傳輸如何布線？低功耗意義？ 自適應(yīng)、無線傳輸、低功耗的土壤水分傳感器土質(zhì)溫度施肥參考文獻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