[发明专利]一种无土栽培基质含水量、电导率检测方法及其传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种无土栽培基质含水量、电导率检测方法及其无线传感器，尤其涉及基于基质的介电特性和电容的电学性质的一种可分时测量基质含水量、电导率的检测方法及其无线传感器，主要用于对无土栽培过程中基质的含水量和电导率检测，也可用于对土壤、粮食等颗粒或粉末状物质的含水量检测。

背景技术

无土栽培中基质的水分和养分是植物生长的必须条件，决定着作物品质。基质的含水量和电导率可反映基质中水分和养分的含量，是对基质中盐分、有机含量、基质质地结构和孔隙率等基质信息的综合反映。因此有效获取基质含水量、电导率对于植物无土栽培过程中合理灌溉和施肥等具有重要意义。

由于基质与土壤的物理、化学及生物性质存在很大差别，且各种基质的理化性状也存在很大的差异，目前普遍使用的土壤含水量、电导率检测传感器及其检测仪对基质适应性差，检测误差大，而专用基质含水量、电导率检测传感器及其检测仪缺乏，对其研究较少。发明人前期公开了一种基质湿度、电导原位检测仪(发明专利CN102072925A)，采用“电流-电压”四电极法测量电导率，同时采用其中两电极测量含水量，并依据盐分与含水量和电导的关系，得到基质盐分，结构简单，可同时实现含水量、电导和盐分的测量；前期公开了一种无土栽培基质水分、养分无线监控系统（发明专利CN101937221），基于基质湿度、电导原位检测复合传感器，构建基质无线传感器网络，其监控网络配置灵活，与无土栽培装置集成方便，监控自动化程度高。但是基于以上的测试仪器和系统对不同基质检测适应性差，检测稳定性和准确性有待提高。

目前较成熟的土壤含水量测量方法有时域反射仪法、频域反射仪法。他们根据介电理论测定土壤含水量，具有较高的精度。时域反射仪具有受土壤质地影响小、无辐射等特点，但是时域反射法最大的缺点是，电路复杂，价格昂贵。频域反射仪具有几何形状设计和工作频率的选择自由度大的特点，可在低频工作，测定土壤的含水量。但是频域反射仪法受土壤质地影响复杂，安装过程对测量结果有影响，传感器体积大。

目前电容式含水量传感器的研究有：胡建东(土样含水量快速测定传感器技术研究，仪器仪表学报，2003（02），142-145)等从低成本快速测试的目标出发提出了实现土壤含水量测试的电容传感器技术、传感器结构和原理。丁英丽（基于电容式传感器的粮食水分测量仪，传感器技术，2003（04）,54-56）研究了电容式传感器的原理和含水介质导电浴盆效应的基础上提出了用电容传感器来测量粮食含水量的原理。翟宝峰等（检测粮食水分用的电容式传感器，传感器技术，2003（02）,29-31）介绍了用于现场粮食含水量检测的电容传感器，并对传感器的结构进行了优化计算，分析了该电路的原理，对粮食样品得出具体检测数据。王晓雷（附加电阻高频电容法土壤含水量传感器的研究，河南农业大学学报，2008（06）,689-692）等分析高频电容土壤含水量传感机理，建立了附加电阻高频土壤含水量数学模型，消除了电导引起的误差，能够准确测定土壤含水量。施阁（基于边缘电场的电容式土壤含水量检测仪，农机化研究，2009（11），86-89）等研究了一种基于边缘电场的电容式土壤含水量检测仪，具有不破坏原土结构，电极稳定性好等优点，通过参数优化能够实现在线动态检测不同分布位置的土壤含水量，适合于地址灾害预警和农业科学生产等监测。综上，电容传感器在土壤含水量测量中已有研究与应用，但检测结果受土壤质地、容重、温度等影响，测量精度和准确性较低。

目前较成熟的土壤电导率的检测方法有“电流-电压”四电极法和电磁感应法，电流电压四电极法实现简单，但受温度和含水量的影响。实用新型专利一种土壤电导率实时检测仪（CN2627503），其体积大，便携性差。电磁感应法测量速度快，国外已研制出以磁感应为原理的电导率仪EM38。但在在实际使用中,测量结果受田间的土壤的温度、湿度、质地、含盐量等因素的影响。

土壤含水量、电导率复合式传感器有TDR分解法和FD定频分解法：TDR是利用高频电磁波沿波的传播和反射时间来确定土壤的含水量, 根据能量的衰减来测量介质的电导率。但在高电导率下，TDR方法因为信号衰减过大，无法测量土壤含水量。FD定频分解法：因为相角太小，无法准确得到含水量与电导率。发明专利一种基于介电理论、基于频域方法的同时测量土壤含水量和电导率的方法及传感器（CN1719245A）提出了一种同步实施测量土壤含水量、电导率的多频率导纳分解的方法，克服FD方法测量土壤含水量受电导率的影响与电导率测量受含水量影响的不足。这种方法建立在时域反射仪法测含水量与频域反射仪法测含水量基础上，电路复杂、价格昂贵，不适合推广应用。