CN107389899A - 一种传感器及用于传感器的感知环 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种传感器及用于传感器的感知环，包括：通过将感知探头和检测电路集成于一外管上，以形成为独立单元的感知环器件，该感知环可用于土壤水分及温度测量传感器的组装、集成，用于探测土壤水分或温度；将该感知环应用于传感器，与数据采集器相连，以将感知环所采集的信息输送至数据采集器，数据采集器通过数据传输接口通讯接口将信号传输至用户终端显示、查询。本发明的一种传感器及用于传感器的感知环，根据测量深度，多个感知环一起组装成传感器，且简单、方便、快捷。
Description
技术领域
本发明涉及传感技术，更具体地，涉及一种传感器及用于传感器的感知环。
背景技术
用于检测土壤信息的传感器，可以检测土壤中的水分含量、温度等信息。其中，用于检测土壤中的水分含量或温度的传感器，其从原理上分类，可分为时域反射法、时域传输法、频域分解法或驻波率法等；按照探头的结构又可以分为针式或管式。
目前，用于检测土壤信息的传感器，多是采用针式结构，且，通常是整体结构。例如公开号为CN105659498A的PCT专利申请，其公开了一种传感器件。参见图1所示，该传感器件包括电特性与物理量相应地变化的传感元件；对上述传感元件的输出信号进行处理的信号处理电路；位于电源端子与上述信号处理电路之间的晶体管元件；将上述晶体管元件的漏极与栅极连接或者将上述晶体管元件的集电极与基极连接的电阻提；和将上述晶体管元件的栅极或基极与GND连接的、具有阈值电压的元件，上述元件在向上述信号处理电路供给的供给电压低于上述阈值电压的情况下，限制从上述电阻体向GND的方向流动的电流。
该传感器件能够有效抑制负浪涌或电压降低导致的误动作，但是，该结构为整体式结构；当测量条件或目的变换时，其无法根据实际需要进行相应的设置，且目前的传感器生产没有统一的标准，相互之间无法兼容。
发明内容
为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供了一种传感器及用于传感器的感知环，以解决传感器的核心技术制作困难问题。
根据本发明的一个方面，提供一种用于传感器的感知环，包括：用于探测土壤水分或温度信息的感知探头和用于将所述土壤水分或温度信息转换为电信号的检测电路，所述感知探头和检测电路相连、且均安装在一具有中空结构的外管上。
进一步地，所述感知探头为金属感应环，且安装在所述外管的外壁上。
进一步地，所述感知探头为两个，且所述两个感知探头的间距为1cm。
进一步地，所述外管的外壁铣有环槽，所述金属感应环安装于环槽上，所述金属感应环与所述环槽紧密贴合，且所述金属感应环的外径与所述外管的外径相同。
进一步地，所述感知探头连接有导线，所述导线沿所述环槽的外表面敷设一圈，所述环槽处设置有贯穿所述外管管壁的孔道，所述导线由所述孔道延伸至外管的内侧以与所述检测电路相连。
根据本发明的另一个方面，还提供一种传感器，包括：
可拆卸的感知环，所述感知环用于探测土壤水分或温度，且所述感知环集成有感知探头和检测电路；
数据采集器，所述数据采集器与所述感知环通过导线相连，所述数据采集器用于对感知环探测到的模拟信号进行A/D转换、运算及数据传输。
进一步地，所述感知环为一个或多个。
进一步地，所述感知环之间通过具有中空内腔的绝缘连接管连接，所述导线由所述绝缘连接管的中空内腔中通过。
进一步地，所述绝缘连接管采用PC管或PVC管。
进一步地，所述感知环与绝缘连接管之间通过旋接或插接的方式连接，且所述感知环与所述绝缘连接管的外径相同。
本发明提出的有益效果主要如下：
(1)将检测电路与感知探头集成，以形成感知环，即将传感器的核心构件模块化，该感知环能够拆卸组装，解决了传感器的关键技术问题；
(2)感知探头采用金属感应环结构，不易损坏，且便于将多个感知环设置于不同的高度，以同时测量土壤中不同高度的土壤信息；
(3)绝缘连接管与感知环的外管插接/旋接连接，使传感器的集成更为简便。
附图说明
图1为现有技术中传感器件的结构示意图；
图2为根据本发明实施例中的一种用于传感器的感知环的测量电路示意图；
图3为根据本发明实施例中一种传感器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明提供一种用于传感器的感知环，包括：感知探头和检测电路，感知探头用于探测土壤中的水分或温度信息，检测电路用于将感知探头探测到的水分或温度信息转换为电信号。该感知探头和检测电路相连，并集成于外管上，且该外管具有中空结构。集成于外管上的感知探头和检测电路构成一个具有独立功能的单元，以便于与传感器的其他单元相连接，如与传感器的数据采集单元，以将感知探头探测到的土壤中的水分或温度信息输出，用于对土壤信息的分析。
对于不同的应用场景可以选配不同节点数的传感器。例如，一般温室大棚的植物根系较短，可以选用1个感知环测10cm深度的水分值即可；如果大田较长根系的作物，选用2个或3个感知环集成的传感器可以测10～60cm的深度的水分值；如果是果树或园林等需要集成4个或4个以上感知环，以满足用户对土壤不同剖面含水量测量的需求。
具体地，土壤中存在水分和多种杂质，使插入到土壤中的感知探头可以等效为一个电容。而在一定深度的土壤中，感知探头在介质中呈容性阻抗，且阻抗随着土壤中介电常数的变化而变化，而土壤中介电常数与土壤容积含水量密切相关。因此，通过感知环能够准确的分析土壤中的水分、温度或其他数据信息。
感知探头之间的阻抗Zi可以表示为：
式中：Zc为感知探头在空气中的特征阻抗；l为探头的长度；λ0为测试正弦波信号在空气中的波长；ε为探头周围土壤的介电常数；j为虚数部分的表示因子。
在一个具体的实施例中，感知探头为金属感应环，该金属感应环安装于外管的外壁。具体地，外管为具有绝缘性质的材料构成，且金属感应环与外管的外壁紧密贴合。具体地，外管可以为PC管或PVC管。采用环形的金属感应环作为感知探头，其不易损坏，使探头的稳定性更好。
在另一个具体的实施例中，在外管的外壁上铣有环槽，感知探头的内径与环槽的外径相同，感知探头的外径与外管的外径相同。当感知探头套设在环槽上时，感知探头的外壁与外管的外壁处于同一侧平面内。因此，当传感器插入到土壤中时，感知探头与外管能够顺利的进入到土壤中。
采用环槽，且金属感应环与外管相匹配，避免当金属感应环外径过大时而增加金属感应环的摩擦损耗，或者避免当金属感应环外径太小时，感知环进入土壤后，造成金属感应环与土壤的间隙而影响检测效果。
在另一个具体的实施例中，感知探头有两个，且该两个感知探头之间的间距为1cm。两个感知探头间的部分为外管的外壁，其外径与感知探头的外径相同，使感知探头紧密的贴合在外管上。
具体地，金属感应环的外径为45mm，金属感应环的宽20mm。
在另一个具体的实施例中，两个感知探头上分别连接有导线，该导线沿环槽外表面敷设一圈；环槽处设置有贯穿外管的孔道，导线由孔道内穿过，并延伸到外管的内侧。导线在环槽内敷设一圈，以使导线与金属感应环充分接触，提高器件连接的可靠性。
检测电路对应的设置在外管的内侧，两根导线伸入到外管内侧的一端分别与检测电路相连，以使感知探头被接入到检测电路而成为检测电路的一个敏感元件。具体地，导线与检测电路可通过焊接、缠绕或插接的方式以固定相连。
具体地，通过与感知探头相连的检测电路的输出电压的变化，能够准确的检测土壤中的水分和温度信息。该检测电路包括测量电路、检波电路、差分放大电路和稳压电路，测量电路、检波电路、差分放大电路和稳压电路依次相连。
参见图2所示，测量电路包括由两个感知探头构成的等效电容Cx，等效电容Cx与第二电容C2并联以组成等效电容组。在实际电路连接过程中，两个感知探头上分别连接有导线，第二电容C2连接于该两根导线之间，使两个感知探头形成的等效电容Cx与第二电容C2形成并联接入的状态。
等效电容组与电感L串联，以接入电路中。等效电容组的一端与电感L相连，等效电容组的另一端与第一电容C1的一端相连；电感L的另一端与第一电容C1的另一端相连。
同时，等效电容组和第一电容C1相连接后接地；电感L与第一电容C1连接后，再接入一电阻R。该电阻R的一端分别与电感L和第一电容C1均相连；电阻R的另一端用于连接高频信号。
具体地，当感知探头未接入电路中时，电感L和第二电容C2串联，第二电容C2两端的电压为U1；当感知探头接入到电路中后，此时第二电容C2两端的电压，也即感知探头两端的电压U2。
由于感知探头之间存在阻抗，相比于感知探头未接入到电路中时，第二电容C2两端的电压在减小，也即感知探头两端的电压U2小于U1，即感知探头处的电压与等效电容Cx呈单调下降的关系，当等效电容Cx增大时，感知探头两端的电压会减小。
与此同时，由两个感知探头形成的等效电容Cx，该等效电容Cx与第二电容C2并联后，再与电感L串联，以形成等效电感，该等效电感再与第一电容并联后形成并联谐振回路。当该等效电容Cx的值增大时，等效电感增大，等效电感两端的电压，也即第一电容两端的电压U1增大。
感知探头两端的电压U2随等效电容Cx单调下降，而第一电容C1两端的电压U2随等效电容Cx单调上升，因此，U1与U2的差值U1-U2是随等效电容Cx单调上升的。该测量电路接入到高阻检波电路中，再经差分放大电路和稳压电路处理后输出，得到Uout＝k(U1-U2)，该输出电压Uout随等效电容Cx的单调变化而变化。该等效电容Cx与土壤中的介电常数有关，而土壤介电常数与土壤中含水率有关，即该输出电压Uout与土壤中含水率有关。
对温度的检测采用DS18B20芯片，测温范围－55℃～+125℃，固有测温误差1℃。该芯片接入到测量电路中，与两个感知探头相连，同时，还与检波电路相连，检波电路、差分放大电路和稳压电路再依次相连，以使感知探头检测到的温度信息也同样被输出，便于分析。
感知探头套设于外管上，外管的内侧设置有对应的检测电路，该检测电路与感知探头间通过导线连接，以构成感知环。该感知环具有土壤水分及温度独立的检测功能，当感知环与其他部件相连时，只需要通过将设置有检测电路的电路板通过导线与其他数据采集或电源部分等部分相连接即可，容易集成。上述检测电路为较优的电路设置方式，根据测量需求，或技术的发展，还可以采用其他形式的具体的电路设置方式，以使采用了此种结构感知环的传感器，其数据检测更准确、更高效。
参见图3所示，本发明还提供一种传感器，包括：感知环、数据采集器和数据传输接口。感知环用于探测土壤中的水分或温度信息，其所采集到的信号输送至数据采集器，数据采集器将所获取的数据无线传输发送至用户终端，以用于检测分析。
感知环与数据采集器通过导线进行连接，以将感知环探测到的水分或温度信息输送至数据采集器。感知环与数据采集器的连接方式灵活，便于拆卸，以适应不同的检测需求。
在另一个具体的实施例中，传感器上所设置的感知环为一个或多个。可以单独采用一个感知环，也可以采用两个或两个以上的感知环组合使用。当设置多个感知环时，感知环与感知环之间间隔一定距离。具体地，当采用多个感知环时，各感知环均与数据采集器相连，以将检测所得数据输出。
当传感器对待测土壤进行检测时，则多个感知环均处于不同的土壤深度，用以同时测量不同深度的土壤中的水分含量和/或温度等土壤信息。
在另一个具体的实施例中，感知环与感知环之间通过绝缘连接管相连接，该绝缘连接管具有中空内腔，各感知环通过低损耗导线与数据采集器和电源相连，感知环分别与数据采集器和电源相连接的导线由绝缘连接管的中空内腔内通过。具体地，绝缘连接管为绝缘性质的管材，且具有一定强度，可采用PC管或PVC管材。
具体地，在外管的两端部，各设置有台阶型环槽，该台阶型环槽紧靠环槽，且该台阶型环槽的外径小于或等于环槽的外径，并且，环槽、台阶型环槽和外管的内径均是相同的。
在另一个具体的实施例中，与外管的台阶型环槽对应地，绝缘连接管的端部的内径与该台阶型环槽的外径相同，且绝缘连接管的外径与外管的外径相同。在另一个具体的实施例中，感知环与绝缘连接管之间可以通过旋接或插接的方式相互连接。可以理解的是，绝缘连接管的高度或长度根据感知环之间所需要的间距合理设置。
进一步地，电源、数据采集器设置于传感器的上端，而感知环与电源和数据采集器之间也可以通过绝缘连接管连接，同时，用于连接感知环与电源和采集器的导线均由相应的绝缘连接管内的中空内腔通过。
在另一个具体的实施例中，数据采集器包括微处理器、A/D转换器和无线发送模块。经感知环采集的数据由数据采集器获取后，经无线发送模块发送至用户终端。
本发明的一种传感器及用于传感器的感知环，将感知探头与检测电路集成以组成单独的感知环部件，且感知环与感知环之间，或者感知环与数据采集器和电源之间通过绝缘连接管相连接。相互之间连接方式简便，且感知环内的检测电路可根据实际测量需求自行设计，感知环的数量、感知环之间的间距均能够根据实际测量需求进行调整。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于传感器的感知环，其特征在于，包括：用于探测土壤水分或温度信息的感知探头和用于将所述土壤水分或温度信息转换为电信号的检测电路，所述感知探头和检测电路相连、且均安装在一具有中空结构的外管上。
2.如权利要求1所述的一种用于传感器的感知环，其特征在于：所述感知探头为金属感应环，且安装在所述外管的外壁上。
3.如权利要求1所述的一种用于传感器的感知环，其特征在于：所述感知探头为两个，且所述两个感知探头的间距为1cm。
4.如权利要求2或3所述的一种用于传感器的感知环，其特征在于：所述外管的外壁铣有环槽，所述金属感应环安装于环槽上，所述金属感应环与所述环槽紧密贴合，且所述金属感应环的外径与所述外管的外径相同。
5.如权利要求4所述的一种用于传感器的感知环，其特征在于：所述感知探头连接有导线，所述导线沿所述环槽的外表面敷设一圈，所述环槽处设置有贯穿所述外管管壁的孔道，所述导线由所述孔道延伸至外管的内侧以与所述检测电路相连。
6.一种传感器，其特征在于，包括：
可拆卸的感知环，所述感知环用于探测土壤水分或温度，且所述感知环集成有感知探头和检测电路；
数据采集器，所述数据采集器与所述感知环通过导线相连，所述数据采集器用于对感知环探测到的模拟信号进行A/D转换、运算及数据传输。
7.如权利要求6所述的一种传感器，其特征在于：所述感知环为一个或多个。
8.如权利要求7所述的一种传感器，其特征在于：所述感知环之间通过具有中空内腔的绝缘连接管连接，所述导线由所述绝缘连接管的中空内腔中通过。
9.如权利要求8所述的一种传感器，其特征在于：所述绝缘连接管采用PC管或PVC管。
10.如权利要求8所述的一种传感器，其特征在于：所述感知环与绝缘连接管之间通过旋接或插接的方式连接，且所述感知环与所述绝缘连接管的外径相同。
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