电容式植物含水率测量传感器的数学建模及电路设计

通过对平行板电容传感器工作原理的研究,提出在植物体含水率测量中将电容极板间被测物质和间隙空气抽象为固、液、气三相的方法,理论上分别建立用于植物水分测量的三相介质的并联、串联数学建模,并做数值模拟分析,得出平行板电容传感器可以实现直接针对植物含水率测量的结论,解决间接测量的滞后性和准确性差的问题,确定三相介质并联可以作为传感器系统理论分析的最佳方案？

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第 2卷第 6期 320年 l月 07 1

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电容式植物含水率测量传感器的数学建模及电路设计张慧萍，李汝莘 2,孙贵斌( .山东农业大学，I东泰安 1 I 1 211;2重庆交通大学，重庆 708 407 ) 004

摘

要：通过对平行板电容传感器工作原理的研究，提出在植物体含水率测量中将电容极板间被测物质和

间隙空气抽象为固、液、气三相的方法，理论上分别建立用于植物水分测量的三相介质的并联、串联数学建模，并做数值模拟分析，得出平行板电容传感器可以实现直接针对植物含水率测量的结论，解决间接测量的滞后性和准确性差的问题，确定三相介质并联可以作为传感器系统理论分析的最佳方案？

关键词：精量灌溉；植物茎；传感器；电容；数学模型中图分类号：T2 1 S0文献标识码：A 文章编号：10一O5 (07 6 04— 4 0 1 0X 20 )0—02 0Mah maia d l ga d Dein o ic i o p ctn eS no o ae ne to a tZ a gHupn ( . t e t lMo ei n sg fCr ut fCa a i c e srfrW trCo tn f n/h n iig 1 c n a Pl

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植物体内水分的精确测量

是一个难题，近代植物水分生理学的理论表明，植物体内的水分状况可以通过器官几何尺寸变化来反映，这一理论为检测植物水分、挖掘节水潜力提供了重要的理论支持¨。随着精量灌溉技术的发展，一些发达国家 l J已把作物的需水情况由对土壤水分的间接监测转向

度。但这种测量方法依然具有间接性，易受客观因素的影响。本文中通过对电容传感器的研究，利用电容介质的变化来实现对植物茎含水率的直接测量。因所选植物茎在形体上具有特殊性，所以必须寻找一种特殊方法来解决对植物体含水情况的直接测量。

对作物体水分的直接监测，从而在灌溉精度跨出}二了划时代的一步，加之自动化的灌溉系统，实现了提高产量和节水并举。目前，我国也开始了基于 J叶片厚度的植物体水分监测的研究，希望通过对叶片厚度监测达到对植物体水分的监测，从而实现精

1用电容传感器测植物含水率的理论分析

11电容传感器的基本工作原理 . 电容式传感器工作原理是基于物体问的电容量与其结构参数之间的关系。由物理学可知，电容器

的电容是构成电容器的两极板形状、大小、相互位置及电介质介电常数的函数。在不考虑边缘效应的情况下，其电容量 C6 l为 C: EE o r So

量灌溉，提高产量。总结国内外对精量灌溉的研 J究，其核心技术都是传感器技术。目前国内通过测量叶片厚度的研究来测量植物体含水情况取得了一

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定的进展，对植物体含水情况的测量具有较高精

式中：e为真空介电常数；e为介质的相对介电。,常数；S为极板面积；为极板间的距离。 收稿日期：20—0 0—0

12用于植物含水率测量的理论分析 .通常电容传感器的应用是基于其中一个参数的变化，而另外两个参数固定不变的条件下。通过三

基金项目：重庆市教育基金项 E 000 ) 1( 545第一作者简介：张慧萍 (92,女，甘肃陇西人，硕士研究 17一)生，实验师；研究方向：传感器技术