CN107402243A - 一种电容式传感器测量植物含水率的方法 - Google Patents

一种电容式传感器测量植物含水率的方法 Download PDF

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王灿
王中华
王冬雪
李岳炀
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Abstract

本发明涉及一种电容式传感器测量植物含水率的方法，该方法基于平行板电容器电容量计算方法，抽象出极板间不同介质电容、、串联的物理模型，构建电容值随含水率变化的数学模型并进行试验校正。该方法考虑了植物体内水分与有机物的介电常数的差异性，以及电容值与介电常数的关联性，可以在不损害植物的前提下，对植物进行在线测量，准确高效，快速方便，具有广阔的应用前景，为我国农业精准灌溉技术发展奠定了良好的基础。

Description

一种电容式传感器测量植物含水率的方法
技术领域
本发明涉及测控***与诊断技术领域，尤其涉及一种电容式传感器测量植物含水率的方法。
背景技术
我国是一个农业大国，短缺与浪费并存的用水现状严重状制约着我国农业的发展，因此发展节水农业意义重大。精准灌溉是节水农业发展的趋势，通常的节水灌溉是以空气温湿度，光照以及土壤的湿度作为控制参数，测量数据容易受到外界因素干扰，无法直接和准确反应植物含水率，并没有实现真正意义上的精准灌溉，对水资源造成了浪费。
测量植物含水率比较成熟的方法是烘干法。烘干法测量的数值准确，但是取样会损害植物体，操作过程繁琐，测量周期太长，且无法实现在线测量。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足,提供了一种电容式传感器测量植物含水率的方法以及电容值随植物含水率变化的数学模型。
平行板电容器的电容量理论计算值为：，其中，为真空介电常数，为极板间介质的相对介电常数，为极板面积，为极板间距。常温下，水的相对介电常数为左右，许多有机物的介电常数为。本发明考虑了植物体内水分与有机物的介电常数的差异性，以及电容值与介电常数的关联性，可以在不损害植物的前提下，对植物进行在线测量，准确高效，快速方便，具有广阔的应用前景，为我国农业精准灌溉技术发展奠定了良好的基础。
附图说明
图1为平行板式电容器传感器的示意图。
图2为串联电容的理论等效电容示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明进行详细的描述。本电容式传感器测量植物含水率的方法，包括如下步骤：
第一步：
抽象出不同介质电容串联的物理模型。
如图1所示的平行板式电容器传感器的示意图，该极板的长、宽和间距分别为、、。为方便研究，可把极板间物质抽象为由空气、水分和有机物填充满。三种物质所占的高度为、、，电容量为、、，密度为、、，相对介电常数为、、。真空介电常数为。
如图2所示的串联电容的理论等效电容示意图，三种不同的物质构成不同介质电容的串联：
（1）
其中，为理论等效电容。
由(1)式改写得：
（2）
其中，
（3）
第二步：
构建理论等效电容随含水率变化的数学模型。
空气、水分和有机物的质量为、、，密度为、、，则含水率：
（4）
极板间距：
（5）
令，则
（6）
理论等效电容：
（7）
由(7)式改写得到理论等效电容随含水率变化的定量数学模型如(8)式所示。
（8）
其中，；；
；；。一定的条件下，、均为定值。
第三步：
对构建的数学模型进行定性分析。
i. 当时，由(8)式化简得：
（9）
显然，当时，理论等效电容随含水率的增大而增大。
ii. 当时，由(8)式改写得：
（10）
显然，；
令，。由(10)式改写得：
（11）
a) 当时，，，，
显然，当时，理论等效电容随含水率的增大而增大；
b) 当时，，，，
显然，当时，理论等效电容随含水率的增大而增大。
综上所述，理论等效电容随含水率的增大而增大。这一变化规律符合电容与介质的对应关系。
第四步：
对构建的数学模型进行校正。
利用电容测量电路或者电容表对置于极板间的样品植物的茎部或者叶子进行测量，得到实际电容值。同时，利用烘干法计算出该样品植物的实际含水率，并利用构建的数学模型推算出相应的理论等效电容。
电容校正值为为：
（12）
其中，为第次实验样品的实际电容值，为第次实验样品的理论等效电容值，为共进行组实验。
校正后，实际电容值随含水率变化的数学模型为：
（13）。

Claims (5)

1.一种电容式传感器测量植物含水率的方法，其特征在于：该方法基于平行板电容器电容量计算方法，抽象出极板间不同介质电容、、串联的物理模型，构建电容值随含水率变化的数学模型并进行试验校正；该方法考虑了植物体内水分与有机物的介电常数的差异性，以及电容值与介电常数的关联性，可以在不损害植物的前提下，对植物进行在线测量，准确高效，快速方便，具有广阔的应用前景，为我国农业精准灌溉技术发展奠定了良好的基础。
2.根据权利要求1所述的一种电容式传感器测量植物含水率的方法，其特征在于：抽象出不同介质电容串联的物理模型；
平行板式电容器的极板的长、宽和间距分别为、、；把极板间物质抽象为由空气、水分和有机物填充满，三种物质所占的高度为、、，电容量为、、，相对介电常数为、、；真空介电常数为；
三种不同的物质构成不同介质电容的串联，其理论等效电容为：
其中，
。
3.根据权利要求1所述的一种电容式传感器测量植物含水率的方法，其特征在于：构建理论等效电容随含水率变化的数学模型；
空气、水分和有机物的密度为、、，质量为、、，则含水率：
令，则理论等效电容随含水率变化的定量数学模型：
其中，；；；；；一定的条件下，、均为定值。
4.根据权利要求1所述的一种电容式传感器测量植物含水率的方法，其特征在于：对构建的数学模型进行定性分析；通过分析，无论为正数、负数或者是零，理论等效电容随含水率的增大而增大。
5.根据权利要求1所述的一种电容式传感器测量植物含水率的方法，其特征在于：对构建的数学模型进行校正；
利用电容测量电路或者电容表对置于极板间的样品植物的茎部或者叶子进行测量，得到实际电容值；
同时，利用烘干法计算出该样品植物的实际含水率，并利用构建的数学模型推算出相应的理论等效电容；
电容校正值为为：
其中，为第次实验样品的实际电容值，为第次实验样品的理论等效电容值，为共进行组实验；
校正后，实际电容值随含水率变化的数学模型为：
。
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