系統感測 系統感測 系統感測 系統感測器 器 器 器

在 消 費 性 電 子 產 品 大 量 使 用 下 ， 微 機 電 系 統 (Micro-Electro Mechanical-Systems，MEMS)感測器近來迅速發展，其具有體積微小、

低耗電、低成本以及通訊介面簡易等優點，本計畫系統感測器之種類 與功能如下：

1. 電容式含水量計(Capacitance moisture sensor)：量測周圍環境電容 變 化， 透過 感測器 內嵌 之類 比數位 轉換 晶片 (Analog to Digital Converter, ADC)進行數位輸出，間接測得非飽和土壤之含水量。

2. 傾斜儀(Tiltmeter)：量測單軸向傾斜量變化，支援比例類比電壓與 數位 SPI 輸出，提供單軸上兩方向高精度、靈敏度之傾斜角量測。

3. 液位計(Liquid Level Transducer)：以電子薄膜式壓力計，量測開孔豎 井液位，以高精度 ADC 模組與 MCU 連結。

4. 雨量計(Rain Gauge)：用於量測降雨，依操作方式可分為非自記式 雨量計與自計式雨量計，又依量測方式可分為虹吸式雨量計、秤重 式雨量計、傾斗式雨量計等。

3.2.1 電容電容電容電容式式式式土壤水份計土壤水份計土壤水份計 土壤水份計

目前市售之研究級現地土壤水分計成本較高，且尺寸不易整合於 監測模組，因此本研究透過量測土壤介電係數，間接量測土壤含水量 變化，以評估土壤內基質吸力。

本研究採用 Catnip Electronics 設計製作之電容式土壤水份計(圖 3.2)，其具有低成本、高解析度與高重複性等優勢，工作電壓 3.3V~5V，

工作溫度 0~85℃，並採用 I²C(Inter-Integrated Circuit)通訊界面與微控制 器與周邊設備整合。I²C 是內部整合電路的稱呼，是一種串列通訊匯流 排，I²C 連接方式如圖 3.3，至少須有一主控端(Master, 通常由微處理 器擔任)，負責發送時脈與位址訊號，所有 I²C 元件之資料線(SDA)、時 脈線(SCL)連接，具有可多組元件串聯、連接線數量少等優勢。

圖 圖 圖

圖 3.2 電容式電容式電容式電容式土壤水份土壤水份土壤水份土壤水份計計計計

圖圖

圖圖 3.3 I²C 連接方式連接方式連接方式連接方式

圖 3.4 為含水量計數位訊號輸出與土壤體積飽和度之關係圖，試驗 土壤於邊坡現地取得，土壤體積飽和度為在控制體積含水量下，固定 土水比例求得，圖中可見此含水量計具備足夠之重複性與一致性。

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圖 3.4 Catnip 數位訊號輸出與數位訊號輸出與數位訊號輸出與土壤體積飽和度關係圖數位訊號輸出與土壤體積飽和度關係圖土壤體積飽和度關係圖土壤體積飽和度關係圖

土壤水份計可進行分佈式地層含水量量測，透過多組電容感測裝 設於探棒表面(圖 3.5)，即可同時監測探棒長度內土層不同深度之含水 量，亦可提供降雨時浸潤面隨時間/降雨量的變化。

R1 at Z1

R₂ at Z₂ Rn at Zn

θ_n=f(Rn) at Zn

Ground surface 土層監測模組

圖 圖圖

圖 3.5 土層監測模組與分佈式含水量監測示意圖土層監測模組與分佈式含水量監測示意圖土層監測模組與分佈式含水量監測示意圖 土層監測模組與分佈式含水量監測示意圖 3.2.2 傾斜儀傾斜儀傾斜儀傾斜儀

本計畫使用之傾斜儀為 Murata Electronics 所生產之高精度傾斜儀 SCA103T(圖 3.6)，量測單軸向傾斜量變化，採差分量測(Differential measurement)原理補償雜訊及誤差。大部分的雜訊來源對於同樣的感測 原件有相同的影響程度，透過單軸上兩方向之輸出經差分處理移除誤 差，可有效降低一般量測雜訊干擾，提昇長期穩定性及減低溫度影響。

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圖圖 3.6 SCA103T 傾斜儀傾斜儀傾斜儀 傾斜儀

傾斜儀支援比例類比電壓與數位 SPI (Serial Peripheral Interface

Bus)輸出，提供單軸上兩方向高精度、靈敏度之傾斜角量測。量測範 圍±15 度，標稱解析度可達 0.001 度(10Hz BW 類比輸出)。圖 3.7 為以 16-bit ADC 模組讀取類比輸出與直接數位輸出之訊號解析度比較，顯 示類比輸出解析度與穩定性較高，故本計畫以 16-bit ADC 模組，以確 保解析度達 0.05 度以下，因傾斜儀為輔助觀測且採用長期趨勢為判讀 依據，0.05 度尚可接受。

圖圖

圖圖 3.7 傾斜儀數位與類比輸出解析度比較傾斜儀數位與類比輸出解析度比較傾斜儀數位與類比輸出解析度比較傾斜儀數位與類比輸出解析度比較

傾斜儀工作電壓 5V 與多數微控器相同，可直接以 Wemos lolin 32 內部穩壓晶片供給電源。將傾斜儀固定於土層監測模組上，長時間監 測因土層滑移所造成之傾斜角改變量。SCA103T 類比電壓比例輸出標 定如圖 3.8 所示，顯示 SCA103T 具有足夠之線性、重複性以及解析度。

3.2.3 沉水式液位計沉水式液位計沉水式液位計沉水式液位計

現有深層滑動監測模組之地下水位量測，採用國產之沉水式液位 計(圖 3.9)，其具備有以下幾點特色，包含：

1. 內置微型信號處理電路，可進行遠程傳輸；

2. 抗干擾強，長期穩定性好；

圖 圖圖

圖 3.8 傾斜儀類比電壓比例輸出標定傾斜儀類比電壓比例輸出標定傾斜儀類比電壓比例輸出標定傾斜儀類比電壓比例輸出標定 3. 防結露，防雷擊設計；

4. 316 不銹鋼隔離膜片；

5. 堅固密封、高可靠、高精度等。

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圖 3.9 沉水式沉水式沉水式液位計沉水式液位計液位計液位計

此感測器為類比輸出，因此感測模組需整合類比-數位轉換器使 用，本研究以 16-bit 之 ADC 模組，確保水位解析度達 1 cm 以下，室 內校正結果如圖 3.10 所示。液位計工作電壓為 24V，與模組輸入電壓 不同，故需以升壓晶片將輸入電壓變壓以供液位計使用。

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圖 3.10 液位計校正結果液位計校正結果液位計校正結果液位計校正結果 3.2.4 雨量計雨量計雨量計雨量計

本計畫採用雙傾斗式雨量計，搭配微控制器組成自計式雨量計，

其原理為利用傾斗計算降雨量，雨水經由口徑 200 mm 的承雨口流入傾 斗，到達一定雨量時，傾斗傾倒且同時帶動磁簧開關並產生脈衝信號 (pulse)，利用微控器讀取高低電位變化計算傾斗傾到次數，搭配微控制 器組成自計式雨量計。

採用之雙傾斗雨量計解析度為 0.2 mm，因解析度較高對降雨量觀 測較為敏銳，對降雨強度較大之降雨所產生之系統性誤差則經由室內

試驗對記錄器示值加以修正，其結果如圖 3.11，室內試驗室利用體積 量測儀記錄十分鐘內通過雨量計之總流量，控制流量大小可模擬不同 的降雨強度，本試驗最大十分鐘雨量為 94 mm/10min，大約為 564 mm/hr，根據 WMO 建議檢驗範圍至少達 500mm/hr，可滿足氣候變遷 下的極端降雨事件。

圖 圖 圖

圖 3.11 雨量計雨量計雨量計器示值雨量計器示值器示值校正器示值校正校正 校正