新型感应式自动灌溉装置.docxVIP

 PAGE \* MERGEFORMAT 5 新型感应式自动灌溉装置 设计者：刘嘉达仁，吴志宇，师冰雪，吕维亚 指导老师：莫崇勋，孙桂凯 (广西大学 土木建筑工程学院 广西 南宁 530004) 作品内容简介 在我国，农业用水浪费现象十分严重。据统计，全国平均每亩实际灌溉用水量高达450~500m3，超过实际需水量的1倍，有的地区高达2倍以上。因此，在水资源极度匮乏的情况下，如何根据土壤的干湿程度进行合理、及时的灌溉，是我国当前面临和亟待解决的问题。 基于此，作品利用电阻法测土壤水势的原理设计了一种感应器来实现合理、及时的自动化灌溉。根据电阻法测土壤水势的原理，土壤通常是导电的, 其电阻率随其水势的变化而变化，从而在土壤电阻率和土壤水势之间存在着对应关系。作品中的感应器是在质地均匀的石膏制成的圆柱体中埋置有两个电极, 每个电极各接一根电极引线，将石膏埋入土壤内，由于土壤和石膏之间的水分运动，石膏的电阻将会与土壤的水势之间也存在着对应关系，这样就可以通过石膏的电阻感应出土壤的水势。 将这种感应器埋设在地下后，通过电极引线将感应到的电阻信号传送到设计的电路中，电阻信号经过一系列的转换、处理，最终传送至灌溉装置，就可以最终达到这一效果：当土壤水势的绝对值高于一定程度时（即土壤干旱到一定程度时），感应器会向灌溉系统发出信号，进行灌溉。 关键词：土壤水势，石膏电阻，传感器，自动化灌溉 研制背景 我国水资源总量为2.4万亿m3，但人均水资源量仅约为2000m3，不足世界平均水平的1/3，正常年份全国年缺水量达500多亿m3。作为占全国总用水量62%左右的全国用水第一大户，农业的需水量很大，如何在有限的水资源条件下，实现农业生产可持续发展是实现我国经济社会长远发展的重大课题。 然而，目前我国农业用水的有效利用率却不尽人意。统计数据表明，目前我国农业灌溉水有效利用系数不足0.5，远低于发达国家0.7~0.8的水平；我国农业灌溉水每立方米平均生产粮食约1.4kg，不到发达国家水平的70%。如果通过一定的节水灌溉措施，将灌溉水的粮食生产效率提高0.1kg/m3，那么在相同的用水条件下，将可增加粮食???产能力370多亿kg，相当于增加1亿亩耕种面积的产量。由此可见，节水灌溉的前景十分广阔。 作品原理 2.1 土壤水势 土壤水势（water potential）是一种能够有效反映土壤含水情况的物理量，它是在等温条件下从土壤中提取单位水分所需要的能量，单位是巴（bar, 1 bar=100 kPa）。土壤水分饱和，水势为零；含水量低于饱和状态，水势为负值，土壤越干旱，负值越大。一般植物的生存范围是0到-15巴（-1500 kPa）。 土壤水势绝对值的大小反映了土壤水分运动和植物吸水的难易，而且，如果用水势作为测量单位，测量结果与土壤性质无关，比如说，不管地理位置，-10巴的土壤都很干旱，-0.5巴的土壤都很湿润。 2.2电阻法测土壤水势 土壤通常是导电的, 其电阻率随其水势的变化而变化，从而在土壤电阻率和土壤水势之间存在着线性的对应关系，电阻法测土壤水势就是基于这种原理进行的。将电极插入到土壤之中，测量两极间的电阻，再根据电阻同土壤水势之间的对应关系，就可以得出土壤水势。 作品介绍 根据电阻法测土壤水势的原理制作出一种感应器，将这种感应器埋设在地下感应土壤水势，当土壤水势的绝对值高于一定程度时，感应器会向灌溉系统发出信号，进行灌溉（一般在土壤水势为-1巴左右就采取措施进行灌溉）。 3.1感应器 感应器的结构如图1所示, 它是在质地均匀的石膏制成的圆柱体中埋置有两个电极, 每个电极各接一根电极引线。 将电极嵌入石膏体内再埋入土中有很多好处。一方面，它避免了电极与土壤直接接触可能会产生的接触不良；另一方面，石膏作为一种多孔体，容易与土壤的水分达到动态平衡。 图1 感应器结构图 3.2电路 感应器在地下感应到土壤水势的变化以后，就需要将这一信号传送出去，从而实现自动化灌溉，传送信号的电路如图2所示。 图2 总电路图 3.2.1信号转换电路 信号转换电路由埋设在地下的感应器（其作用相当于一个变阻器）、定值电阻以及电源组成，其作用是将感应器感应到的电阻信号转换为电压信号，为接下来的信号处理做准备（信号处理电路中所用芯片只能处理电压信号）。 当土壤湿度变化时，感应器自身的电阻值就会变化，即电路中变阻器的电阻值发生变化，由于定值电阻的分压作用，A点的电势也就随之发生变化，将A点的电势传送至信号处理电路，也就实现了电阻信