《智慧農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)與裝備》課件-第04章 農(nóng)田環(huán)境信息感知技術(shù)

《智慧農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)與裝備》第四章農(nóng)田環(huán)境信息感知技術(shù)機(jī)電工程學(xué)院4.14.2概述傳感器技術(shù)4.34.4農(nóng)田環(huán)境信息感知傳感器技術(shù)農(nóng)田小氣象（小氣候）3第四章農(nóng)田環(huán)境信息感知技術(shù)4.1概述4.1概述農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是將大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，通過各種傳感器采集信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、定位并解決農(nóng)田中發(fā)生的問題。傳感器是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的核心。農(nóng)業(yè)傳感器包括農(nóng)業(yè)環(huán)境傳感器和農(nóng)業(yè)動(dòng)植物本體信息傳感器。實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的種植環(huán)境的全方向感知，包括環(huán)境感知、溫度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量、蒸發(fā)量等信息。農(nóng)田環(huán)境信息感知的技術(shù)根本就是傳感器技術(shù)。5第四章農(nóng)田環(huán)境信息感知技術(shù)4.2傳感器技術(shù)4.2傳感器技術(shù)

傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量，并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的期間或裝置。

傳感器的組成包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件。其中，敏感元件可以感受或響應(yīng)被測(cè)量，而轉(zhuǎn)換元件可以將敏感元件感受或響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)。因?yàn)檩敵鲂盘?hào)一般較微弱，所以需要集成在同一芯片上，轉(zhuǎn)換電路可以與敏感原件將信號(hào)放大、調(diào)制等。7第四章農(nóng)田環(huán)境信息感知技術(shù)4.3農(nóng)田環(huán)境信息感知傳感技術(shù)4.3.1溫度傳感器4.3.1溫度傳感器溫度傳感器能將所感受到的溫度轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)。根據(jù)測(cè)量方式可分為接觸式和非接觸式。根據(jù)傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。1.接觸式溫度傳感器溫度計(jì)通過熱量傳導(dǎo)或?qū)α鬟_(dá)到熱平衡，從而使溫度計(jì)的示值能直接表示被測(cè)對(duì)象的溫度，其測(cè)量精度較高。電阻式溫度檢測(cè)器：它的電阻值隨溫度的上升而改變，若其電阻值隨溫度的上升而上升稱為正電阻吸收，若其電阻值隨溫度的上升反而下降就稱為負(fù)電阻系數(shù)。（以PT100為例）PT100（-200℃-650℃）用Pt做成，一般使用電橋測(cè)量方法，通過恒定電流的方式將變化的阻值轉(zhuǎn)化為變化的電壓值，并通過信號(hào)放大、信號(hào)濾波與模擬信號(hào)處理后由A/D采集獲取PT100的阻值，通過查表的方法準(zhǔn)確測(cè)量出環(huán)境溫度信息。2.非接觸式溫度傳感器多用來對(duì)動(dòng)態(tài)物體、小目標(biāo)和熱容量小或溫度變化迅速對(duì)象的表面溫度進(jìn)行測(cè)量，也可以用于測(cè)量溫度場(chǎng)的溫度分布。4.3.2熱電偶和熱電阻傳感器4.3.1溫度傳感器10第四章農(nóng)田環(huán)境信息感知技術(shù)4.3.2熱電偶和熱電阻傳感器信號(hào)的性質(zhì)檢測(cè)溫度范圍材料熱電阻傳感器電阻，溫度的變化使電阻產(chǎn)生正的或負(fù)的阻值變化0-150℃溫度變化敏感的金屬材料熱電偶傳感器電壓，隨溫度的改變而改變0-1000℃兩種不同的金屬材料組成VS熱電偶傳感器工作原理：焊接兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，當(dāng)A和B的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn)1和2之間形成溫差時(shí)，兩種之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，因而在回路中形成一個(gè)大小的電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電阻傳感器工作原理：利用物質(zhì)在溫度變化時(shí)自身電阻也隨著發(fā)生變化的特性來測(cè)量溫度。將熱電阻的受熱部分（感溫元件）用細(xì)金屬絲均勻地纏繞在絕緣材料制成的骨架上，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)中有溫度發(fā)生變化時(shí)，所測(cè)得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)中的平均溫度。4.3.2熱電偶和熱電阻傳感器12第四章農(nóng)田環(huán)境信息感知技術(shù)4.3.3濕度傳感器1.氯化鋰濕度傳感器1）電阻式氯化鋰濕度計(jì)價(jià)廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且精度高等優(yōu)點(diǎn)2）露點(diǎn)式氯化鋰濕度計(jì)利用氯化鋰飽和水溶液的飽和水汽壓隨溫度變化而進(jìn)行工作。2.碳濕敏元件響應(yīng)速度快、重復(fù)性好、無沖蝕效應(yīng)和滯后環(huán)窄。3.氧化鋁濕度計(jì)體積小，靈敏度高，響應(yīng)速度快，測(cè)量信號(hào)直接以電參量的形式輸出。4.陶瓷濕度傳感器高溫條件下測(cè)量濕度4.3.3濕度傳感器14第四章農(nóng)田環(huán)境信息感知技術(shù)4.3.4光照傳感器光照度即每平方米的流明（lm)數(shù)，也稱為勒克斯（lx),是照明的國(guó)際單位，反應(yīng)光照強(qiáng)度的一種單位。光電式傳感器是一種將電元件作為檢測(cè)原件，將光通量轉(zhuǎn)換為電量感器，一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。其工作原理是把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。4.3.4光照傳感器16第四章農(nóng)田環(huán)境信息感知技術(shù)4.3.5光電傳感器1.吸收式將被測(cè)物體置于恒定光源與光電元件之間，根據(jù)被測(cè)物對(duì)光的吸收程度或?qū)ζ渥V線的選擇來測(cè)定被測(cè)參數(shù)，如測(cè)量液體、氣體的透明度。4.3.5光電傳感器2.反射式由恒定光源發(fā)出的光投射到被測(cè)物體上，被測(cè)物體把部分光通量反射到光電元件上，根據(jù)反射的光通量多少測(cè)定被測(cè)物表面狀態(tài)和性質(zhì)，如測(cè)量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。4.3.5光電傳感器3.遮光式是被測(cè)物體位于恒定光源與光電元件之間，光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測(cè)物遮去一部分，使作用在光電元件上的光通量減弱，減弱的程度與被測(cè)物在光學(xué)通路中的位置有關(guān)。測(cè)量長(zhǎng)度、厚度、位移線、角位移、振動(dòng)等。4.3.5光電傳感器4.輻射式被測(cè)物體本身就是輻射源，它可以直接照射在光電元件上，也可以經(jīng)過一定的光路后作用在光電元件上。包括光電高溫計(jì)、比色高溫計(jì)、紅外偵查、紅外遙感應(yīng)用：防火報(bào)警、構(gòu)成光照度計(jì)。4.3.5光電傳感器21第四章農(nóng)田環(huán)境信息感知技術(shù)4.3.6二氧化碳傳感器控制二氧化碳濃度的高低對(duì)作物產(chǎn)量具有重大的影響。1.二氧化碳傳感器類型1）半導(dǎo)體式二氧化碳傳感器2）催化劑二氧化碳傳感器3）熱導(dǎo)池式二氧化碳傳感器4）電化學(xué)式二氧化碳傳感器5）紅外線二氧化碳傳感器二氧化碳作為光合作用的主要原料，其濃度高低直接關(guān)系到農(nóng)作物的光合效率，決定著農(nóng)作物的生長(zhǎng)成熟、質(zhì)量及產(chǎn)量。二氧化碳傳感器能夠檢測(cè)出溫室和大棚環(huán)境中二氧化碳的含量，用來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)氣肥的自動(dòng)控制。4.3.6二氧化碳傳感器23第四章農(nóng)田環(huán)境信息感知技術(shù)4.4農(nóng)田小氣象（小氣候）4.4.1風(fēng)速、風(fēng)向傳感器1.風(fēng)速傳感器1）超聲波渦接測(cè)量原理利用超聲波時(shí)差法來實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的測(cè)量，聲音在空氣中的傳播速度，會(huì)和風(fēng)向上的氣流速度疊加。超聲波的傳播速度會(huì)在與風(fēng)向至的情況下加快，在相反時(shí)減慢。4.4農(nóng)田小氣象（小氣候）4.4.1風(fēng)速、風(fēng)向傳感器1.風(fēng)速傳感器2）壓差變化原理固定一個(gè)障礙物（如噴嘴或孔板）在流動(dòng)方向上，如果流速不一樣，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓差。通過對(duì)壓差的測(cè)量，就可以得到流速。4.4農(nóng)田小氣象（小氣候）4.4.1風(fēng)速、風(fēng)向傳感器2.風(fēng)向傳感器風(fēng)向傳感器通過探測(cè)風(fēng)向箭頭的轉(zhuǎn)動(dòng)來獲取風(fēng)向信息，再將信息傳送給同軸碼盤，以及對(duì)應(yīng)風(fēng)向各參數(shù)的物理裝置。（超聲波旋渦風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器）4.4農(nóng)田小氣象（小氣候）27第四章農(nóng)田環(huán)境信息感知技術(shù)4.4.2雨量傳感器4.4.2雨量傳感器1.翻斗式雨量傳感器翻斗式雨量傳感器以開關(guān)量形式的數(shù)字表示輸出降雨量信息，完成信息的傳輸和處理，同時(shí)進(jìn)行記錄和顯示。4.4農(nóng)田小氣象（小氣候）29第四章農(nóng)田環(huán)境信息感知技術(shù)4.4.3蒸發(fā)量傳感器4.4.3蒸發(fā)量傳感器1.數(shù)字式蒸發(fā)傳感器

以FFZ-01,ZQZ-DV型數(shù)字式蒸發(fā)傳感器為例，如圖所示，其他數(shù)字蒸發(fā)量傳感器有一樣的基本原理。光電開關(guān)旋轉(zhuǎn)編碼器的編碼盤是FFZ-OUZQZ-DV型數(shù)字式蒸發(fā)傳感器的核心部件，用不銹鋼材料制作而成，釆用工業(yè)級(jí)IC芯片和進(jìn)口半導(dǎo)體光電開關(guān)制作讀碼板組件，使傳感器具有良好的機(jī)械性能和高低溫電氣性能。傳感器編碼器的角度轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為0°?90°，編碼器自0位順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到90°,可輸出0?1023組編碼數(shù)據(jù)，測(cè)量0?100mm水面蒸發(fā)器的變化，傳感器的靜水桶通過連通管與蒸發(fā)器的蒸發(fā)桶或蒸發(fā)池連通，安裝于靜水桶上端的圓形支板上的光電編碼器，測(cè)纜懸掛于編碼器測(cè)輪上，浮子安裝在凈水桶內(nèi)。當(dāng)蒸發(fā)桶中的水面蒸發(fā)引起水位下降時(shí)浮子即拉動(dòng)測(cè)纜帶動(dòng)測(cè)輪和編碼器旋轉(zhuǎn)，編碼器即可輸出與水面下降量相對(duì)應(yīng)的編碼數(shù)據(jù)。當(dāng)遇到降雨，匯集到蒸發(fā)桶的雨水使水面升高，靜水桶中的水位同步上升，編碼器即可輸出與水面上升量對(duì)應(yīng)的編碼數(shù)據(jù)