阵列式电容传感器探测土壤水分方法研究

发布时间：2023-03-30 05:29

　　土壤水分是陆地表层对水分的一种基本储存形式,制约着陆地与大气之间的平衡,影响着气候的分布。更重要的是,土壤水分是植物能够进行良好生长的重要前提。植物若要健康生长,必然要通过根系来主动吸收土壤中的水分、有机化合物等,从而转化为自身能够吸收的物质。目前,土壤水分的测量方式主要以探针式为主,将探头直接插入土壤中,实现土壤水分的单点测量。探针长度一般为30cm,如果要实现更深土壤层面而的水分测量,则需要挖开土壤,将传感器垂直插入土壤的剖面层上。此方法虽然实现了对土壤剖面层水分含量的测量,但在测量方式上不仅费时费力,更会破坏土壤的土质。针对该问题,本文提出了一种阵列式电容传感器测量土壤水分的方法,在传统土壤水分单点测量的基础上,实现对土壤不同剖面层水分的测量。本文首先分析了电容式传感器测量土壤水分的原理,根据土壤的介电模型,土壤湿度含量的高低直接影响着介电常数的数值大小,从而引起电容值的变化。基于这一原理,设计了阵列式电容传感器,以此实现对土壤剖面水分的测量。基于所设计的传感器结构,建立了传感器的数学模型,以有限元分析法来求解传感器测得的电容值。利用Maxwell建立了传感器的仿真模型,获得了电...

【文章页数】：72 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 课题研究背景及意义
    1.2 土壤水分测量的研究现状
        1.2.1 土壤水分测量的国外研究现状
        1.2.2 土壤水分测量的国内研究现状
    1.3 本文的主要研究内容
2 阵列式电容传感器土壤水分测量方法
    2.1 电容法测量土壤水分的原理
        2.1.1 电容式传感器
        2.1.2 土壤介电模型
        2.1.3 电容式传感器探测土壤水分原理
    2.2 阵列式电容传感器的结构方案
    2.3 本章小结
3 阵列式电容传感器结构参数设计
    3.1 阵列式电容传感器的有限元分析
        3.1.1 数学模型的建立
        3.1.2 传感器在Maxwell中的模型建立
        3.1.3 模型仿真结果分析
    3.2 阵列式电容传感器参数对灵敏度的影响分析
        3.2.1 电极轴向宽度对传感器电容灵敏度值的影响
        3.2.2 电极间距对传感器电容灵敏度值的影响
        3.2.3 电极半径对传感器电容灵敏度值的影响
        3.2.4 电极轴向间隔对传感器电容灵敏度值的影响
        3.2.5 电极片厚度对传感器电容灵敏度值的影响
        3.2.6 小孔对传感器电容灵敏度值的影响
    3.3 传感器最优结构设计
    3.4 本章小结
4.电容传感器及其测量系统设计
    4.1 电容传感器设计
        4.1.1 电极材料的选择
        4.1.2 信号传输线的选择
        4.1.3 传感器的整体封装
    4.2 电容信号的检测方法
        4.2.1 电容信号检测系统方案
        4.2.2 微弱电容信号检测芯片的选择
    4.3 硬件检测电路设计
        4.3.1 硬件电路组成
        4.3.2 STC89C52 单片机
        4.3.3 电容采集芯片
        4.3.4 硬件采集电路
    4.4 系统软件设计
        4.4.1 测量系统软件流程设计
        4.4.2 上位机软件设计
    4.5 本章小结
5.阵列式电容传感器土壤水分测量实验与分析
    5.1 实验系统搭建及测试
        5.1.1 实验系统搭建
        5.1.2 硬件电路测试
        5.1.3 传感器测试
    5.2 样品制备
        5.2.1 测试设备
        5.2.2 样品的烘干处理
        5.2.3 不同含水量土壤样品的配置
    5.3 标定实验设计
        5.3.1 传感器测量范围的实验测定与分析
        5.3.2传感器的标定实验
    5.4 传感器的性能测试
        5.4.1测试实验
        5.4.2 重复性实验与分析
        5.4.3 稳定性分析
    5.5 土壤剖面水分的测量实验
    5.6 实验结果总结与改进措施
    5.7 本章小结
6.总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
致谢
参考文献



本文编号：3775295