1 概述

随着科学技术的不断发展，当前设施农业 (又称工厂化农业)已成为一种农业新兴产业。设施农业是借助温室及其配套装置来调节和控制作物生产环境条件的新型农业生产方式，它是一种高产、高效、优质和技术密集型的农业。现代大型温室中，所有环境因子如室内温、光、气、湿、热、营养液养分状况与温度、植物根部环境温湿度等因子的监测、传感、调节，都由计算机进行综合管理，实行自动控制。国外先进温室，对室内外气温、风力、降雨等气象情况，室内空气温湿度、土壤温度和含水量、光照强度、CO₂浓度、营养液的酸碱度(pH 值)、导电率(EC)和温度等环境参数，可利用计算机自动进行检测并实施控制。有的系统还可监测叶面积指数、叶温、蒸腾量和长势等生物活体信息，对生物体的重量、大小、形态等进行非接触式和非破坏性监测，从而对温室灌溉、施肥、加热、降温、补光、保温、遮阳、CO₂浓度、加湿、除湿等作业进行综合控制。

还有人根据产品市场价格变化的规律和作物生长规律，对作物的光合作用条件进行优化控制，以期获得最好的经济效益。由于温室监测与控制系统需要处理不同类型和性质的对象，传感器的设计与选型是至关重要的，传感器本身的性能指标是制约温室监测与控制系统数据采集的关键性因素。本文将介绍目前已推出的各类可供温室环境控制使用传感器的类型及其应用场合，为您开发和应用各类传感器提供帮助。

2 温室环境控制用传感器

温室环境包括非常广泛的内容，但通常所说的温室环境主要指空气与土壤的温湿度、光照、CO₂浓度等。温室环境控制的重点就是对这些要素进行控制与管理，为作物创造适宜的生长发育环境。温室环境控制用传感器的品种较多，按其检测参数来分，主要有以下几种：

（1）温度传感器：作物的生长与温度和湿度有密切关系，在温室塑料大棚的控制参数中，温度与湿度的检测与控制是主要参数之一。

（2）湿度传感器：温室的湿度如能控制在一定范围内则可大大降低双霉病、炭霉病及疫害病的发病率。

（3）土壤水分传感器：作物生长需要水分，在设施农业中如何灌水，做到既不影响作物生长又不浪费水资源是至关重要的问题。

（4）CO₂传感器：农作物产量95％ 以上来自光合作用，植物利用太阳光，将CO₂ 和水合成为有机物。空气中CO₂ 含量仅330ppm，温室和塑料大棚中增施 CO₂可大幅度增加蔬菜产量，如西红柿可增产1倍。不同植物对空气中CO₂浓度的需求有不同的最佳值和限额，若CO₂浓度超过限额，植物反而减产。

（5）光照度：设施农业中，采用栽培管理自动化系统其光源完全为人工光，而不用太阳光，采用光传感器来检测和控制光照强度，使作物可以得到均匀一致的光照。

另外，室内外风力、降雨雪等气象情况，营养液的酸碱度(pH 值)、导电率(EC)、土壤养分等参数的检测都广泛采用各类传感器。

3 选择与使用

环境控制系统目前主要侧重于温度、光照、相对湿度、二氧化碳浓度等方面,下面简单介绍用于测量以上参数的各类传感器。

（1）温度传感器

温度测量的实现方法通常是使温度传感器与待测固体表面相接触或浸入待测流体。在选择温度传感器时应考虑的主要因素有温度测量范围、精度、响应时间、稳定性、线性度和灵敏度。目前，应用最广泛的温度传感器是热电偶和电阻式温度探测器、半导体温度传感器。以上各种温度传感器的温度测量范围有所重叠，但每一种所适合的应用场合各不相同，选择温室最适用的温度传感器必须充分了解各类温度传感器的基本特性。

电阻式温度探测器电阻值随温度增加而增加。最常见的电阻式温度探测器的构成材料是铂、镍或铜。铂的使用温度范围宽（-200℃~850℃），重复性极好，可耐受各种化学物质，抗腐蚀性好，是一种多用途金属。不同的铂电阻式温度探测器的0℃电阻标称值分别为100Ω、200Ω、500Ω和1000Ω，最常见的是100Ω。与铂电阻式温度探测器相比，铜或镍制成的电阻式温度探测器的工作温度范围较低，成本也较低。

热电偶由两种不同的金属构成，它们的一端熔接在一起形成一个敏感结，温度变化时将有一个相应的热电势产生，该信号由引线引出。原则上任意两种金属都可以用于构成热电偶，但能满足实用化要求（如物理和化学性质稳定、电阻温度系数小、电导率高、组成的热电偶的热电势高等）的材料不多。目前这些材料在国内外已标准化，可大致分为贵金属和普通金属两大类。贵金属材料有铂和铂铑合金；普通金属材料有铁、铜、康铜、镍铬合金等，还有铱、钨等耐高温材料。另外非金属材料，如碳、石墨和碳化硅等也可以作为热电偶材料。使用热电偶测量温度时容易引入误差。由于热电势是因不同金属材料的结合产生的，故不同材料连接形成的其他结也会在电路中引入电压变化，这一误差信号称为冷端误差。若这些连接处的温度可以确定，一般可以在接收仪器的信号调理电路中利用冷结误差补偿环节消除这一误差。

热电偶中的敏感结有三种放置方式：触壁式、非触壁式和暴露式。触壁式热电偶的敏感结直接附着在探头壁上，从而可以保证热电偶与外界通过探头壁进行良好的热交换。非触壁式热电偶的敏感结与探头壁不接触，其响应时间比触壁式的长。如果选择传感器时响应时间是一个决定性因素，则应采用暴露式，其敏感结伸出护套的尖端，直接暴露在周围环境中，这种热电偶的响应时间最短，但不能用于腐蚀性或压力较高的应用场合。

半导体温度传感器可分为热敏电阻和 PN 结型温度探测器两种。热敏电阻由钴、锰、镍等金属的氧化物以不同配方高温烧结而成，包括三类：电阻值随温度增加而增加的正电阻温度系数热敏电阻（PTC），电阻值随温度增加而减小的负电阻温度系数热敏电阻（NTC）和在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（CTR）。CTR 主要用作温控开关。在温度测量中主要采用NTC 和PTC，尤其NTC 应用较多。由于热敏电阻的阻值随温度变化而迅速变化，因而，引线电阻对测量影响小，非常适合测量微弱温度变化。缺点是非线性严重，使用时必须进行线性化处理。PN 结型温度探测器利用了在一定的电流模式下，PN 结的正向电压与温度之间有很好的线性关系这一特征，测温精度高，有温敏晶体管及其辅助电路集成同一芯片上可制成集成化温度传感器，其优点是直接给出正比于绝对温度的线性输出，体积小，便于高精度、大批量生产，是现代温度传感器的主要发展方向之一。

考虑到温室的实际情况，一般可选用铂电阻式温度探测器与集成化温度传感器（如AD590 等）。

（2）湿度传感器

空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，材料的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。在选择湿度传感器时应考虑的主要因素有精度、长期稳定性、温度系数、互换性、湿度校正、抗化学腐蚀性等。湿度传感器分为电阻式和电容式两种，产品的基本形式都为在基片涂覆感湿材料形成感湿膜，但国内外各厂家的湿度传感器产品水平不一，质量价格都相差较大，用户在选择性能价格比最优的理想产品时需要对有关产品的特点有较为深入的了解。

电阻式湿敏元件主要包括：氯化锂湿敏元件、碳湿敏元件、陶瓷湿敏元件、氧化铝湿敏元件等。氯化锂湿敏元件的感湿材料一般为氯化锂加聚乙烯醇，感湿材料吸收水分的量与空气中的相对湿度有关。湿度大，吸水多，电阻下降，湿度小，吸水少，电阻增加，因此测定湿敏元件的电阻即可知道空气的相对湿度；碳湿敏元件的感湿材料由碳微粒与高分子聚合物组成，它随空气湿度的变化发生膨胀或收缩，造成均匀分布在感湿材料内的碳微粒相对距离发生变化，从而引起电导率发生变化，元件利用这一特性测量空气的相对湿度。陶瓷湿敏元件和氧化铝湿敏元件利用多孔物质的微孔吸附水汽使其电阻、电容和介电常数发生变化的原理制成，也可制成电容元件。以上几种元件都不同程度的获得了应用，但应用场合是不相同的。氯化锂湿敏元件一般有寿命短，温度范围窄，高湿、低湿适应性差等特点，适合中湿场合的测量。碳湿敏元件的电阻值变化呈现非线性，一般用在录像机、放像机中进行结露检测。陶瓷湿敏元件可进行高温湿度测量，但在尘埃环境下，陶瓷细孔被封堵元件就会失效，往往采用通电除尘的方法来处理，但效果不够理想，通常用在空调等设备中。氧化铝传感器最低可测到（-100℃）露点，但是这类传感器在保护状态下每年也会漂移±6℃?±10℃。因此就不能保证其工作的稳定性，可用在低湿测量领域。

电容式湿敏元件的感湿材料种类主要为高分子聚合物，氯化锂和金属氧化物。电容式湿敏元件的优点在于响应速度快、体积小、线性度好、较稳定，部分产品还具备高温工作性能。达到上述性能的产品多为国外名牌，如VAISALA、Honeywell 等。市场上出售的一些电容式湿敏元件低价产品，往往达不到上述水平，线性度、一致性和重复性都不甚理想，30%RH 以下，80%RH 以上感湿段变形严重。有些产品采用单片机补偿修正，使湿度出现"阶跃"性的跳跃，使精度降低，出现一致性差、线性差的缺点。

根据温室内温湿度情况一般可选用国外名牌电容式湿敏元件。

（3）土壤水分传感器

土壤湿度通常用仪器定量测定。土壤湿度测定仪器按测定方式的不同，可分为三类。即直接（或叫埋入式）测定仪器、取土样测定的仪器和遥感测定仪器。属于直接测定的仪器有：负压计、电阻土壤湿度计、?射线土壤湿度计、中子土壤湿度计、热扩散土壤湿度计、微波土壤湿度仪等；取土样测定土壤水分的仪器，由取土钻、恒温干燥箱和天平等组成；属遥感测定的仪器是设计各种波段的辐射表，安装在飞机或卫星上进行遥感测量，估计大面积土壤水分状况。

土壤负压计是以测定土壤基质势为理论依据的一种测水仪器，土壤基质势的大小决定着土壤水分运动的能量与状态，因此土壤负压计也叫土壤湿度计。是目前用得比较多的测水仪器。其特点是：可以在田间使用，简便和价格低廉，用户容易接受。

电接点式土壤湿度计又称开关式土壤水分传感器,其主要特点是它的电接点真空表（传感器）能将土壤吸力信号转换为开关电信号（触点信号），通过表上拨杆的定位，可获得–100－+60KPa 范围内任意点土壤水吸力的开关信号。当用户将表上的拨杆接触电接点真空表上触点，即可得到触点电信号。真空表上的接线若与电铃或电灯相接，当发出触点信号时，仪器便会产生声音或灯光报警。真空表上的接线若与程控机相接，当发出触点信号时，程控机便能启动灌机，按规定程序灌水若干时间。此外，接线还可串接延时继电器，操纵灌机工作。

根据温室控制的特点，采用取土样测定与遥感测定土壤湿度显然不可取，考虑到价格等因素，通常选用电接点式土壤湿度计。

（4）CO₂与光照传感器

就目前出现的 CO₂传感器来看，其种类主要有红外线式、电容式、电化学式、热传导度式等。其中以红外线式和电化学式CO₂传感器应用的较为广泛，红外线式CO₂传感器国内外生产厂家较多，此类产品精度高，功耗小，选择性好，浓度检测范围大，性能较为稳定。而电化学式CO₂ 传感器刚刚进入实用阶段，大多存在抗干扰能力不强的缺点。所以在温室环境控制中大多选用红外线式CO₂传感器。

光照传感器的种类繁多，工作原理各异，在此不一一列举。在温室环境控制中通常选用硅太阳能电池的感应元件及滤光片构成光照传感器。

4 结束语

至今为止，人们只是监测作物周围的环境情况，并没有测量作物本身。将来这种情况可能会改变，诸如植株的温度、光合作用、蒸腾作用、茎和果实的直径变化等一些生理过程也将被测量。温室中的二氧化碳浓度将根据植株光合作用的情况来决定，用蒸腾作用的实际数据来决定水分和营养液的供给量（无土栽培），通过检测植物的茎和果实的直径变化，来决定植物的灌溉间隔，根据植株的温度的测量值来进行温室内的环境控制等。这要求测量更多的参数，所需的传感器种类会越来越多，传感器在温室大棚的应用前景也会越来越广阔，所以，在稳定已有产品性能的同时，开发适用于温室环境控制的各类传感器是当务之急。

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知识点：传感器在温室大棚环境控制中的应用

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