土壤湿度传感器主要有哪些相关设计应用

土壤湿度传感器又名：土壤水分传感器、土壤墒情传感器、土壤含水量传感器。主要用来测量土壤容积含水量，做土壤墒情监测及农业灌溉和林业防护。目前常用到的土壤湿度传感器有FDR型和TDR型，即频域型和时域型。目前比较流行的是FDR型FDR(FrequencyDomainReflectometry)频域反射仪是一种用于测量土壤水分的仪器，它利用电磁脉冲原理、根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数(ε)，从而得到土壤容积含水量(θv)，FDR具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定等优点。是一种值得推荐的土壤水分测定仪器。

经过半个多世纪的发展，土壤湿度传感器已经种类繁多、形式多样。湿度的测量具有一定的复杂性，人们熟知的毛发湿度计、干湿球湿度计等已不能满足现代要求的实际需要。因此，人们研制了各种土壤湿度传感器。湿度传感器按照其测量的原理，一般可分为电容型、电阻型、离子敏型、光强型、声表面波型等。

1.电容型土壤湿度传感器

电容型土壤湿度传感器的敏感元件为湿敏电容，主要材料一般为金属氧化物、高分子聚合物。这些材料对水分子有较强的吸附能力，吸附水分的多少随环境湿度的变化而变化。由于水分子有较大的电偶极矩，吸水后材料的电容率发生变化，电容器的电容值也就发生变化。把电容值的变化转变为电信号，就可以对湿度进行监测。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比，利用这一特性即可测量湿度。常用的电容型土壤湿度传感器的感湿介质主要有：多孔硅、聚酞亚胺，此外还有聚砜(PSF)、聚苯乙烯(PS)、PMMA(线性、交联、等离子聚合)。

2.电阻型土壤湿度传感器

电阻型土壤湿度传感器的敏感元件为湿敏电阻，其主要的材料一般为电介质、半导体、多孔陶瓷等。这些材料对水的吸附较强，吸附水分后电阻率/电导率会随湿度的变化而变化，这样湿度的变化可导致湿敏电阻阻值的变化，电阻值的变化就可以转化为需要的电信号。例如，氯化锂的水溶液在基板上形成薄膜，随着空气中水蒸气含量的增减，薄膜吸湿脱湿，溶液中的盐的浓度减小、增大，电阻率随之增大、减小，两级间电阻也就增大、减小。又如多孔陶瓷湿敏电阻，陶瓷本身是由许多小晶颗粒构成的，其中的气孔多与外界相通，通过毛孔可以吸附水分子，引起离子浓度的变化，从而导致两极间的电阻变化。

3.离子型土壤湿度传感器

离子敏场效应晶体管(ISFET)属于半导体生物传感器，是上个世纪七十年代由P.Bergeld发明的。ISFET通过栅极上不同敏感薄膜材料直接与被测溶液中离子缓冲溶液接触，进而可以测出溶液中的离子浓度。

离子敏型土壤湿度传感器结构模型示意图如下图所示。离子敏感器件由。离子选择膜(敏感膜)和转换器两部分组成，敏感膜用以识别离子的种类和浓度，转换器则将敏感膜感知的信息转换为电信号。离子敏场效应管在绝缘栅上制作一层敏感膜，不同的敏感膜所检测的离子种类也不同，从而具有离子选择性。

土壤湿度传感器应用：

一、土壤墒情监测

土壤墒情监测是对土壤中的含水量进行实时监测，以便及时了解土壤水分状况，制定灌溉计划和节水措施，确保农作物正常生长，提高抗旱能力。对于干旱、半干旱地区，要根据气候条件和作物类型、栽培制度、灌溉技术等确定适宜的灌溉制度。在其他地区，应根据当地气候条件和农作物种类来确定合理的灌溉制度。

土壤墒情监测系统可实时监测土壤含水量和墒情指数，同时提供灌溉用水的总量、农作物需水量、灌溉量等参数，并提供灌溉水源优化调度方案，通过历史数据统计分析对水资源进行优化配置和管理，实现节水效益最大化。目前已广泛应用于农田墒情监测、作物需水预测等领域。

二、农作物灌溉管理

土壤湿度传感器可用于田间土壤水分的测量，可以判断作物需水状况和土壤水分状况。为合理灌溉提供依据，同时可以根据作物的需水规律，实现对水资源的有效利用。可以在农作物灌溉管理中广泛应用，在灌溉时，根据农作物需要的不同灌水量，确定不同的灌水时间、灌水方式、灌溉定额等，从而实现节约用水。

三、植物栽培管理

在植物栽培管理方面，可以通过监测土壤湿度来了解植物生长的情况。土壤湿度传感器是用来测量土壤水分的，因此，要想知道土壤中的水分含量，就要用到土壤湿度传感器。通过使用土壤湿度传感器，可以实时监测农作物的生长状况，从而可以及时对农作物进行浇水、施肥等管理工作。当农作物出现缺水症状时，就会通过灌溉系统及时地为作物补充水分。当然，还可以通过监测土壤湿度传感器来确定土壤的水分情况，从而采取相应的措施进行调整。

四、植物病虫害监测

由于植物病虫害的发生和发展与土壤湿度有着密切的关系，因此，可以利用土壤湿度传感器来监测植物病虫害的发生。通过对土壤湿度传感器的安装和使用，可以及时发现植物病虫害，以便及时采取有效措施进行防治。

一般在作物生长季、防治病虫害期间以及收获后对土壤进行监测。

五、温室大棚管理

温室大棚在日常的生产管理中，为了避免温室大棚内温度、湿度等参数过高或过低，就要实时监测这些参数。土壤湿度传感器可对空气湿度、土壤湿度等进行实时监测，从而避免大棚内温度过高或过低，可有效预防和减少蔬菜病害的发生，提高蔬菜的产量和品质，也可提高大棚内作物的产量和品质。