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原文传递一种测量土壤含水量的声表面波传感器节点结构及测量方法

专利名称：	一种测量土壤含水量的声表面波传感器节点结构及测量方法
摘要：	本发明公开了一种测量土壤含水量的声表面波传感器节点结构及测量方法。本发明的声表面波传感器节点结构包括壳体、天线、若干个单端谐振器型声表面波器件和若干个敏感元件。声表面波传感器节点中的所有声表面波器件并联，沿壳体长度方向等距固定在壳体内部，每个器件的叉指换能器经匹配电路与相应的敏感元件连接，不同器件具有彼此相邻但各不重叠的频带，其特点是能实现对同一表面位置处不同深度层级的土壤含水量测量。根据实际检测环境要求，采用手持移动式阅读器或固定式阅读器，本发明能获得土壤含水量的时空分布和变化规律，从而为室内盆栽、温室大棚、室外田间等场景提供精准浇水、灌溉的理论依据和实践决策。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	南京航空航天大学
发明人：	陈智军;黄鸿伟;贾浩;朱卫俊;徐海林;熊志强;代重阳;徐辅庆
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-13T00:00:00+0800
发布日期：	2019-09-06T00:00:00+0800
申请号：	CN201910393461.2
公开号：	CN110208371A
代理机构：	江苏圣典律师事务所
代理人：	贺翔
分类号：	G01N29/04(2006.01);G;G01;G01N;G01N29
申请人地址：	210016 江苏省南京市秦淮区御道街29号
主权项：	1.一种测量土壤含水量的声表面波传感器节点结构，其特征在于：所述声表面波传感器节点由壳体(1)、天线(2)、若干个单端谐振器型声表面波器件(3)和若干个敏感元件(4)构成；所述壳体(1)为圆柱状金属管结构，其底部呈锥状，顶部连接天线(2)；若干通孔对(5)沿壳体(1)长度方向均布在壳体(1)表面，其数量与单端谐振器型声表面波器件(3)的数量一致；整个壳体(1)表面都涂有耐腐蚀涂层；所述天线(2)位于壳体(1)顶部；若干个敏感元件(4)的数量与单端谐振器型声表面波器件(3)的数量一致；若干个单端谐振器型声表面波器件(3)采用2.4GHz频段，彼此具有相邻但各不重叠的频带；每个单端谐振器型声表面波器件(3)包括压电基底(6)、叉指换能器(7)、第一反射栅(8)、第二反射栅(9)以及匹配电路(10)；其中，叉指换能器(7)沉积在压电基底(6)表面中部；第一反射栅(8)、第二反射栅(9)呈密集型阵列布置，并分别对称沉积在压电基底表面上叉指换能器的左右两侧；匹配电路(10)包括电容、电感，并与叉指换能器(7)连接；若干个单端谐振器型声表面波器件(3)封装后沿壳体(1)长度方向等距固定在壳体(1)内部，且叉指换能器(7)经匹配电路(10)通过引线(11)穿过壳体(1)上相应位置的通孔对(5)与相应的敏感元件(4)连接；所有单端谐振器型声表面波器件(3)的叉指换能器(7)通过引线(11)与同轴线(12)并联，再连接到壳体(1)顶部的天线(2)上。 2.如权利要求1所述的测量土壤含水量的声表面波传感器节点结构，其特征在于：若干个敏感元件(4)是独立于壳体(1)的分体结构。 3.如权利要求2所述的测量土壤含水量的声表面波传感器节点结构，其特征在于：若干个敏感元件(4)选用测量探针(13)或湿敏电容(14)两种不同的结构。 4.如权利要求3所述的测量土壤含水量的声表面波传感器节点结构，其特征在于：所述测量探针(13)为圆柱状底部呈锥形的一对金属结构，其直径与壳体(1)表面的通孔直径一致；当所述敏感元件(4)为测量探针(13)时：在传感器节点插入待检测土壤前，测量探针(13)位于壳体(1)内部；在传感器节点插入待检测土壤后，通过位于壳体(1)顶部的机械按键控制测量探针(13)从壳体(1)表面的通孔对(5)弹出。 5.如权利要求1所述的测量土壤含水量的声表面波传感器节点结构，其特征在于：所述天线(2)采用单极子天线(15)或偶极子天线(16)两种不同的结构。 6.如权利要求1所述的测量土壤含水量的声表面波传感器节点结构，其特征在于：当外部阅读器为手持移动式终端时，不同的声表面波传感器节点具有完全相同的结构；当外部阅读器为安装在土壤某一位置的固定式终端时，不仅构成单个声表面波传感器节点的单端谐振器型声表面波器件(3)彼此具有相邻但各不重叠的频带，而且与阅读器对应的所有声表面波传感器节点的所有单端谐振器型声表面波器件(3)彼此都具有相邻但各不重叠的频带。 7.一种如权利要求1至6中任意一项所述的测量土壤含水量的声表面波传感器节点结构的测量方法，其特征在于：当外部阅读器为手持移动式终端时，工作步骤如下：步骤A：手持外部阅读器移动到声表面波传感器节点附近；步骤B：外部阅读器发射一个射频查询脉冲，该查询脉冲的载波频率为声表面波传感器节点中第1个单端谐振器型声表面波器件的设计谐振频率；步骤C：声表面波传感器节点的天线接收到阅读器发射的射频查询脉冲，经过同轴线加载到并联的该节点所有单端谐振器型声表面波器件的叉指换能器上，通过叉指换能器选频，第1个单端谐振器型声表面波器件的叉指换能器经逆压电效应产生声表面波沿压电基底表面向两侧传播，经第一反射栅、第二反射栅多次相干反射并叠加形成驻波，再通过叉指换能器经正压电效应转换成电磁波，并经声表面波传感器节点的天线将回波信号发射回外部阅读器；步骤D：阅读器接收回波信号，回波信号为幅值随时间呈指数规律衰减的双边带信号，其载波频率与第1个单端谐振器型声表面波器件的实际谐振频率一致；步骤E：阅读器对回波信号进行处理，获得第1个单端谐振器型声表面波器件的实际谐振频率，根据其与对应的第1个敏感元件的阻抗之间的关系，以及第1个敏感元件的阻抗与土壤含水量之间的关系，测得第1个敏感元件所在土壤深度位置处的土壤含水量；步骤F：外部阅读器发射一个射频查询脉冲，该查询脉冲的载波频率为声表面波传感器节点中第2个单端谐振器型声表面波器件的设计谐振频率，重复步骤C、步骤D、步骤E，测得第2个敏感元件所在土壤深度位置处的土壤含水量；步骤G：重复步骤F，直至外部阅读器测得声表面波传感器节点中所有敏感元件所在土壤深度位置处的土壤含水量；步骤H：若阅读器只需要测量单个声表面波传感器节点对应位置处的土壤含水量，则阅读器将上述测得数据通过阅读器上的无线通信模块传送到云端或基站以供分析和决策；若阅读器需要测量多个声表面波传感器节点对应位置处的土壤含水量，则手持外部阅读器移动到下一个声表面波传感器节点附近，重复步骤B、步骤C、步骤D、步骤E、步骤F、步骤G，直至外部阅读器测得所有声表面波传感器节点中所有敏感元件所在土壤深度位置处的土壤含水量，再将上述测得数据通过阅读器上的无线通信模块传送到云端或基站以供分析和决策。 8.一种如权利要求1至6中任意一项所述的测量土壤含水量的声表面波传感器节点结构的测量方法，其特征在于：当外部阅读器为固定式终端时，工作步骤如下：步骤A：固定式外部阅读器发射一个射频查询脉冲，该查询脉冲的载波频率为与阅读器对应的第1个声表面波传感器节点中第1个单端谐振器型声表面波器件的设计谐振频率；步骤B：第1个声表面波传感器节点的天线接收到阅读器发射的射频查询脉冲，经过同轴线加载到并联的该节点所有单端谐振器型声表面波器件的叉指换能器上，通过叉指换能器选频，第1个单端谐振器型声表面波器件的叉指换能器经逆压电效应产生声表面波沿压电基底表面向两侧传播，经第一反射栅、第二反射栅多次相干反射并叠加形成驻波，再通过叉指换能器经正压电效应转换成电磁波，并经第1个声表面波传感器节点的天线将回波信号发射回外部阅读器；步骤C：阅读器接收回波信号，回波信号为幅值随时间呈指数规律衰减的双边带信号，其载波频率与第1个声表面波传感器节点中第1个单端谐振器型声表面波器件的实际谐振频率一致；步骤D：阅读器对回波信号进行处理，获得第1个声表面波传感器节点中第1个单端谐振器型声表面波器件的实际谐振频率，根据其与对应的第1个声表面波传感器节点中第1个敏感元件的阻抗之间的关系，以及第1个声表面波传感器节点中第1个敏感元件的阻抗与土壤含水量之间的关系，测得第1个声表面波传感器节点中第1个敏感元件所在土壤深度位置处的土壤含水量；步骤E：外部阅读器发射一个射频查询脉冲，该查询脉冲的载波频率为第1个声表面波传感器节点中第2个单端谐振器型声表面波器件的设计谐振频率，重复步骤B、步骤C、步骤D，测得第1个声表面波传感器节点中第2个敏感元件所在土壤深度位置处的土壤含水量；步骤F：重复步骤E，直至外部阅读器测得第1个声表面波传感器节点中所有敏感元件所在土壤深度位置处的土壤含水量；步骤G：外部阅读器发射一个查询脉冲，该查询脉冲的载波频率为第2个声表面波传感器节点中第1个单端谐振器型声表面波器件的设计谐振频率，重复步骤B、步骤C、步骤D、步骤E、步骤F，直至外部阅读器测得与阅读器对应的所有声表面波传感器节点中所有敏感元件所在土壤深度位置处的土壤含水量；步骤H：阅读器将上述测得数据通过阅读器上的无线通信模块传送到云端或基站以供分析和决策。
所属类别：	发明专利