植物工厂是在温室的基础上发展而成的一种高度专业化的现代设施农业。在植物工厂里,作物的栽培方式主要是营养液栽培。营养液的电导率(EC)是作物生长的重要因素之一,过浓或过稀的营养液都会影响作物的生长。电导率是电解质溶液的一个基本的电化学参数,其测量所用的传感器依据测量原理的不同一般可分为电极式和电磁感应式。目前溶液电导率的测量普遍采用电极电导率测量法,这种测量方法已经非常成熟,但电极法采用的电极通常为铂电极之类的贵金属,使用成本高,电路结构较复杂,并且需要定期对其电极进行标定及更换,严重影响电极的使用寿命和测量精度。电磁感应电导率测量法采用的电磁传感器具有不易极化、耐腐蚀污染、配接电路简单等优点,但也存在输出信号弱、灵敏度低的不足,而且该传感器的特点是适于测量较高电导率的溶液,一般应用在工业电导率仪中,若用来测量作物营养液电导率将导致误差较大,不利于作物的生长。本文结合电极式和电磁感应式两种电导率测量方式,研制一种基于电磁感应原理与电极组合的组合式电导率传感器及其测量系统,以满足作物营养液电导率测量的需求。论文完成的主要工作如下:(1)针对作物营养液电导率的特点,设计了一种基于电磁感应原理与电极组合的组合式电导率传感器。依据电磁感应原理,详细分析了组合式电导率传感器的测量原理,并建立了溶液电导率与检测线圈感应电压的数学模型。根据数学模型,探讨了激励源、变压器相关参数以及电导池常数对组合式电导率传感器灵敏度的影响。结合影响该传感器线性度与灵敏度的相关因素,对组合式电导率传感器磁芯材料和电导池结构进行了选择与设计;利用Matlab的数据拟合功能,得到不同激励线圈匝数与频率下的传感器输出电压与电导率的关系,对激励源与线圈匝数等参数进行了优化设计,最终选定的正弦激励源幅值为14V、激励频率为10kHz、激励线圈匝数为3匝、检测线圈匝数为1000匝。根据国际电子变压器设计手册中激励线圈匝数的计算公式,从理论上验证了所设计的激励源参数及线圈匝数的合理性。(2)设计了营养液电导率测量系统的硬件部分。构建了基于STM32F103VET6单片机的最小系统,实现了营养液温度和电导率信号的采集、显示以及与上位机的通讯。设计了系统电源模块,采用220V交流电经变压器变压、桥式整流、稳压后输出各模块所需的电压,给每组电源使用独立旁路电容,并将模拟电源与数字电源进行隔离,提高测量系统的稳定性;对DDS直接数字频率合成技术输出的正弦信号进行了滤波及功率放大,得到了平滑稳定的正弦激励信号,满足了驱动激励线圈的要求;设计了营养液电导率信号检测电路,对传感器输出信号进行有效值检测后,采用STM32内部A/D对检测信号进行了转换,实现了系统小型化、低功耗的要求;分析了温度对电导率测量的影响,设计了基于单总线数字化温度传感器的温度补偿电路,实现了对营养液温度的实时检测。(3)采用模块化编程思想对营养液电导率测量系统进行了软件设计,主要包括信号采集程序、数据处理程序、温度补偿程序以及液晶显示程序等。在信号采集和处理程序中,采用了软件数字滤波技术,即在A/D采样期间采用防脉冲干扰的算术平均值法进行数字滤波,降低了因随机干扰信号而产生的误差。根据组合式电导率传感器在不同温度下测得的电导率标准液的感应电压,说明了进行温度补偿的必要性,拟合得到了传感器输出电压随温度变化的温度补偿关系式,采用了基于STM32的软件自动温度补偿法,即在营养液电导的实际测量过程中,将温度补偿关系式带入到营养液电导率与传感器感应电压的关系式中一起植入微处理器,实现软件自动温度补偿及对任意营养液电导率的测量,进一步提高了测量系统的准确性。(4)对组合式电导率传感器及其测量系统进行了试验测试:利用电导率标准液,采用Matlab曲线拟合的方式对组合式电导率传感器进行了标定校准;采用配置的不同浓度的营养液和电导率标准液作为测量对象,同时用所设计的组合式电导率传感器和SIN-TDS3031便携式电导率表笔进行测量,测试组合式电导率传感器的准确性;以电导率为1.800mS/cm的标准液作为测量对象,每隔10分钟记录组合式电导率传感器测量该标准液的电导率结果,测试该传感器的稳定性。试验结果表明:组合式电导率传感器测量的相对误差(<1%)小于SIN-TDS3031便携式电导率表笔测量的相对误差,持续测量电导率为1.800mS/cm的标准液2小时的方差为5.6167*10-5,说明组合式电导率传感器测量结果随时间的波动性较小,表明该传感器具有良好的准确性和稳定性,其测量系统运行稳定可靠,能够满足作物营养液电导率的测量需求。