CN104914136A

CN104914136A - 一种差分信号交织控制的土壤含水率传感器

Info

Publication number: CN104914136A
Application number: CN201510245242.1A
Authority: CN
Inventors: 傅文渊; 凌朝东; 李国刚; 刘一平; 林薇
Original assignee: Huaqiao University
Current assignee: Huaqiao University
Priority date: 2015-05-14
Filing date: 2015-05-14
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2035-05-14
Also published as: CN104914136B

Abstract

本发明提供了一种差分信号交织控制的土壤含水率传感器，包括：差分交织控制电路、波形发生器、MCU、电源转换电路和电极模块；所述差分交织控制电路产生两路反相调制信号，并将电极输出信号变化差值反馈到MCU中；电源转换电路提供传感器系统所需的不同电源，保证系统正常工作；波形发生器产生差分交织控制电路所需要的激励输入信号V_in1和V_in2；土壤含水量变化引起电极模块极化，通过双稳态触发器将变化的土壤含水量转化为周期特性信号，利用MCU测量周期特性信号的周期，进而得到土壤含水量。该传感器信号总谐波失真较小，输出信号线性能显著提高，同时降低土壤杂散物质对输出信号的影响。

Description

一种差分信号交织控制的土壤含水率传感器

技术领域

本发明涉及一种土壤含水率传感器。

背景技术

随着电子自动化和传感器技术不断发展,土壤含水率检测成为衡量工农业自动化程度的重要指标。研究土壤水分检测可以自动预测和判定植物需水规律，提高农业电子自动化进程和指导节约农业灌溉用水。传统的土壤含水率测量方法有质量法、中子法、γ射线法、电阻法、电容法、时域反射法、核磁共振法等。其中，质量法原理简单，精度高，已成为标定的测量方法。但是其测量具有不可逆性，无法重复测试。核磁共振法、中子法和γ射线法采用放射性的测量原理，限制了其应用领域。传统的电阻法操作简单，实时性强，然而测量精度较低。时域反射法由于理论性和实用性都很强，且具有不破坏样本、快速和容易操作等优点，是近年来使用较多、发展较快的一种测定土壤含水率的方法，但是该方法测试较为复杂，成本较高。电容法测定土壤含水率实质是测量土壤介电常数。然而，由于土壤含水率传感器电极输出必须要接触土壤，因此土壤的非线性因素会使有效信号失真，通过电极耦合到传感器内部，造成传感器电路性能降低。目前未见相关文献报道研究基于含水率传感器电极输出信号的谐波抑制。

基于此，本文结合电阻法和电容法，提出一种测量土壤含水率的方法，并在此基础上设计了基于差分信号交织控制的土壤含水率传感器。利用集成时基计时器设计差分交织控制电路。该电路包含两个新型双稳态触发器，将触发器输出加载到传感器电极。当土壤的含水率变化时通过电极反馈到双稳态触发器，根据反馈输出信号的变化差计算出土壤含水率。同时，为了抑制电极反馈信号的谐波失真，设计了双端输入双端输出差分形式，并建立数学模型对相关电路元件优化设计和仿真验证。最后，根据建立的数学模型构建传感器硬件结构。实测的结果表明，该传感器具有较好的性能。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题是提供一种土壤含水率传感器，信号总谐波失真较小，输出信号线性性能显著提高，同时降低土壤杂散物质对输出信号的影响。

为了解决上述的技术方案，本发明提供了一种差分信号交织控制的土壤含水率传感器，包括：差分交织控制电路、波形发生器、MCU、电源转换电路和电极模块；

所述差分交织控制电路产生两路反相调制信号，并将电极输出信号变化差值反馈到MCU中；电源转换电路提供传感器系统所需的不同电源，保证系统正常工作；波形发生器产生差分交织控制电路所需要的激励输入信号V_in1和V_in2；土壤含水量变化引起电极模块极化，通过双稳态触发器将变化的土壤含水量转化为周期特性信号，利用MCU测量周期特性信号的周期，进而得到土壤含水量。

在一较佳实施例中：所述差分交织控制电路包括集成式计时器U₁和U₂；所述U₁和U₂的thr端和tri端分别与所述输入信号V_in1和V_in2连接；所述U₁和U₂的con端和gnd端之间分别连接滤波电容C₂和C₄；所述U₁和U₂的rst端与vcc端连接后分别通过降压电阻网络与调谐电容C₁和C₃连接后接入gnd端；所述U₁和U₂的dis端与待检测的土壤连接；所述U₁和U₂的out端与所述电极模块连接。

在一较佳实施例中：所述输入信号V_in1和V_in2的幅度相等，相位相差180°。

在一较佳实施例中：电极模块由两片8mmx120mm金属组成；两片金属电极间距为12mm；每片电极按照均匀分布刻蚀1mm的铜极。

在一较佳实施例中：所述降压电阻网络为串联连接的第一降压电阻网络电阻R1、R3；以及串联连接的第二降压电阻网络R2、R4。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

本发明结合电阻法和电容法，提出一种测量土壤含水率的方法，并在此基础上设计了基于差分信号交织控制的土壤含水率传感器。利用集成时基计时器设计差分交织控制电路。该电路包含两个新型双稳态触发器，将触发器输出加载到传感器电极。当土壤的含水率变化时通过电极反馈到双稳态触发器，根据反馈输出信号的变化差计算出土壤含水率。同时，为了抑制电极反馈信号的谐波失真，设计了双端输入双端输出差分形式，并建立数学模型对相关电路元件优化设计和仿真验证。最后，根据建立的数学模型构建传感器硬件结构。实测的结果表明，该传感器具有较好的性能。

附图说明

图1为本发明优选实施例中土壤含水率传感器的系统架构图；

图2为本发明优选实施例中差分交织控制电路图；

图3为本发明优选实施例中电极模块的剖面图；

图4为本发明优选实施例中差分交织控制电路充电时等效电路图；

图5为本发明优选实施例中差分交织控制电路放电时等效电路图；

图6为传统传感器输出信号的频谱图；

图7为本发明优选实施例中土壤含水率传感器输出信号频谱图；

图8为本发明优选实施例中传感器输出电压与土壤含水量变化关系图；

图9为输入信号频率为1kHz时褐土、潮土与土壤含水量变化关系图；

图10为输入信号频率为10kHz时褐土、潮土与土壤含水量变化关系图；

具体实施方式

下文结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本实施例提供了了一种差分信号交织控制的土壤含水率传感器，主要包含差分交织控制电路、波形发生器、MCU、电源转换电路和电极模块，具体架构由图1所示。差分交织控制电路产生两路反相调制信号，并将电极输出信号变化差值反馈到MCU中。电源转换电路提供传感器系统所需的不同电源，保证系统正常工作。波形发生器产生差分交织控制电路所需要的激励输入信号。

土壤含水量变化引起差分交织控制电路中电极极化，通过双稳态触发器将变化的土壤含水量转化为周期特性，利用MCU测量信号周期，进而得到土壤含水量。

由于土壤水分的介电常数远大于土壤中诸如矿物质颗粒等介质的介电常数，并且介电常数跟随土壤含水量的增加而增大。因此，土壤含水率传感器只需要探测电极阻抗变化，即能检测土壤含水量的变化数值。研究结果表明，信号源频率、土壤含水量、土壤类型和土壤矿物质含量对土壤的介电特性产生影响，其中以信号源频率对介电特性的影响最大。信号失真度是衡量信号频率特性的重要指标。信号在传输过程中由于电路元件的非线性导致谐波分量产生，并且通过内部电路耦合到输出，造成原始信号失真，影响信号传输质量。衡量信号失真度的重要指标是总谐波失真，它表征所有附加谐波失真之和的百分比。本文提出的差分交织控制电路能有效增大信号的无杂散动态范围，减少信号失真度，降低总谐波失真，提高信号传输质量。

图2为差分交织控制电路结构图，其中U1和U2是集成时基计时器。本实施例选用的型号为恩智浦半导体公司研发的555定时器，它是一种模拟和数字功能相结合的集成器件电路，内部包含基本RS触发器、电压比较器、功率输出级以及缓冲器等。由于该时基计时器是模拟和数字混合电路，因此工作的电压范围大，输出可与CMOS、TTL、LVDOS和模拟电平兼容。两个输入信号分别为Vin1和Vin2，输出信号分别为Vout1和Vout2。所述U1和U2的thr端和tri端分别与所述输入信号Vin1和Vin2连接；所述U1和U2的con端和gnd端之间分别连接滤波电容C2和C4；所述U1和U2的rst端与vcc端连接后分别通过降压电阻网络与调谐电容C1和C3连接后接入gnd端，同时作为集成时基计时器的频率控制单元。所述U1和U2的dis端与待检测的土壤连接；所述U1和U2的out端与所述电极模块连接。

输入端由波形发生器产生幅度相等，相位相差180度的差分输入V_in1和V_in2。能够抵消固有噪声和干扰，同时消除影响无杂散动态范围的偶次项谐波因素。信号输入严重影响A、B两点的介电特性。采用差分信号作为输入能抑制输入信号的偶次项谐波，提高信号的线性度。当土壤含水量发生改变时，A、B两端信号按照较大的线性度发生变化，避免土壤矿物杂质等因素影响，进而提高集成时基计时器的测量精度。

电极模块剖面图如图3所示，由两片8mmx120mm金属组成。两片金属电极间距为12mm。每片电极按照均匀分布刻蚀1mm的铜极，增大探测极化效应的能力，有效减少平板电容器的电力线边缘效应，提高测量精度。

上述差分交织控制电路的工作原理如下：当输入端信号V_in1和V_in2相位相差180度，因此V_in1和V_in2在同一时刻的电平数值呈现相反状态，即V_in1为高电平时，V_in2为低电平，而V_in1为低电平时，V_in2为高电平。由集成时基计时器的原理得，当输入信号V_in2电压幅度小于1/3V_dd时，内部触发器输出为高电平，因此out端口输出为高电平。如果输入信号幅度继续增大，若V_in2电压幅度大于2/3V_dd时，内部触发器处于置数状态，输出为低电平。此时输入电压继续增大，电路维持该状态不改变。当输入电压幅度在区间1/3V_dd～2/3V_dd时，输出电压维持输入电压幅度1/3V_dd时的状态。

当输入信号V_in2电压幅度小于1/3V_dd时，差分交织控制电路等价于D端开路，电容C₁两端电势增加，电路对C₁充电，同时电容C₄通过阻抗Z_x和R_m1泄放电荷。等效电路如图4所示。当输入信号V_in2电压幅度大于2/3V_dd时，差分交织控制电路等价于A端开路，电容C₄两端电势增加，电源对C₄充电。与此同时，集成时基计时器的D端导通，电容C₁通过阻抗Z_x和R_m2泄放电荷。等效电路如图5所示。

差分交织控制电路的等效电路原理如图4所示，其中Z_x为土壤水分检测的等效阻抗，R_m1和R_m2分别为集成时基计时器等效内阻。在充电状态，电容C₄上电压的初始值u(0^-)不等于零，则该电容电压等效的拉普拉斯变换结果为u(s)＝I(s)/(sC₄)+u(0^-)/s，I(s)为通过该电容的电流。充电状态时，C₄两端电压不断升高，C₁两端电压通过Z_x和R_m1放电，电压降低。放电状态时，C₁两端电压不断升高，C₄两端电压通过Z_x和R_m2放电。不妨设充电状态C₄两端电压为u₀(s)，电容C₁上电压的初始值为u’(0^-)、A和B点电压分别为u_0A(s)和u_0B(s)。放电状态C₄两端电压为u₁(s)，A和B点电压分别为u_1A(s)和u_1B(s)。

因此，设置C₁＝C₄，R₃＝R₄，R₁＝R₂，则土壤水分阻抗Z_x与差分交织控制电路输出信号周期T满足关系式，

T = \frac{C_{1}^{2} {(R_{1} + R_{3})}^{2} {(Z_{x} + R_{3})}^{2}}{Z_{x} (R_{1} + R_{3}) + R_{1} (4 R_{1} - 3 R_{3})} \cdot (V_{dd} - 2 \arctan (\frac{2 (Z_{x} (R_{1} + R_{3}) + R_{1} (4 R_{1} - 3 R_{3}))}{C_{1} (R_{1} + R_{3}) (Z_{x} + R_{3})})) - - - (1)

当土壤水分发生变化时，传感器电极探测土壤阻抗Z_x改变，引起差分交织控制电路的信号周期T发生相应变化。通过MCU控制器测量T，即可得到土壤含水量变化数值。

为了对上述分析结论进行验证，采用电子设计自动化软件Multsim进行模拟仿真。仿真设定的条件为C₁＝C₄＝0.005μF，R₃＝R₄＝4k_Ω，R₁＝R₂＝4k_Ω，输入信号幅度分别为12V和12V，相位分别为0度和180度，信号频率为1kHz。

图5为传统传感器输出信号频谱图，图6为本实施例提出的差分交织控制的土壤含水量传感器输出信号频谱图。频谱结果由傅立叶分析获得，Multsim模拟仿真的信号谐波阶数为15。从图中可以看出，在基波频率为1kHz时，采用经典单端电路结构时，二阶谐波电压幅度为0.429V，三阶谐波电压幅度为0.852V，其总谐波失真(THD)为45.05％。采用本文提出的差分交织控制电路结构时，二阶谐波的电压幅度为0.016V，三阶谐波为1.12V，其总谐波失真为31.14％。由定理2可知，本文提出的差分交织控制电路结构由于在A、B端口互为差分信号，因此偶次项谐波将被极大的抵消，虽然三阶谐波略有增大，但是系统电路的总谐波失真仍然有较大改善，其THD减少了13.91％。

为不失一般性，选用福建地区的褐土和潮土进行试验。土壤含水率传感器输出为电压信号，该电压大小由土壤含水率、土壤介电特性、输入信号源和电极特性等影响。利用理论计算的传感器输出电压来进行设计，具体关系如式(17)所示。选择标定的方法来验证传感器输出电压与土壤含水率的关系，以及土壤阻抗与土壤含水率的对应关系。试验具体步骤如下：

1.将试验土壤低温加热至110摄氏度烘干，持续时间为12小时；

2.将试验土壤冷却，放置密闭容器24小时；

3.采用质量法配置一定比率的土壤，其土壤含水率分别为5％、10％、15％、20％、25％、27％、30％、35％、38％和41％；

4.将传感器电极插入试验土壤，电极需要没入土壤中，记录输出电压；

5.经过计算，得到不同输入信号频率的土壤阻抗和土壤含水量的关。由图7示出，传感器输出电压随土壤含水量增加而呈现非线性递减变化。

土壤含水量为15％～30％时，传感器输出电压线性变化。标定法与本文提出的理论计算数值在土壤含水量为9％～30％之间吻合较好，误差率不超过5％。而由于土壤介电特性导致在含水量35％～45％之间的误差率较大，达到10％。

图9和图10分别为输入信号频率为1kHz和10kHz时，褐土、潮土与土壤含水量变化关系图。测试结果表明，无论是褐土还是潮土，土壤阻抗随土壤含水量的增加而减小。标定法与本文提出的理论计算数值在褐土和潮土含水量上具有较好的吻合度。输入信号频率分别为1kHz和10kHz，土壤含水量在5％-45％之间时，土壤阻抗测试误差不超过2％。由此可见，本文提出的差分交织控制的土壤含水量传感器是一种快速实时测量土壤含水率的方法。

本实施例结合电阻法和电容法，设计了一种基于差分交织电路控制的土壤含水率传感器。分析影响土壤介电常数的因素，建立了差分交织控制电路的数学模型。根据建立的模型得到传感器输出端的信号总谐波失真较传统结构减少13.91％，输出信号线性性能显著提高，同时降低土壤杂散物质对输出信号的影响。通过MCU控制器测量由土壤阻抗变化引起的信号周期，得到土壤含水量变化数值。针对褐土和潮土，分别采用1kHz和10kHz信号频率测试基于差分交织电路控制的土壤含水率传感器的性能。测试结果表明，传感器输出电压随土壤含水量增加而呈现非线性递减变化，含水量为9％～45％之间的误差不超过10％。同时，土壤含水量在5％-45％之间时，土壤阻抗测试误差不超过2％。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种土壤含水率传感器，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种差分信号交织控制的土壤含水率传感器，其特征在于包括：差分交织控制电路、波形发生器、MCU、电源转换电路和电极模块；

2.根据权利要求1所述的一种差分信号交织控制的土壤含水率传感器，其特征在于：所述差分交织控制电路包括集成式计时器U₁和U₂；所述U₁和U₂的thr端和tri端分别与所述输入信号V_in1和V_in2连接；所述U₁和U₂的con端和gnd端之间分别连接滤波电容C₂和C₄；所述U₁和U₂的rst端与vcc端连接后分别通过降压电阻网络与调谐电容C₁和C₃连接后接入gnd端；所述U₁和U₂的dis端与待检测的土壤连接；所述U₁和U₂的out端与所述电极模块连接。

3.根据权利要求2所述的一种差分信号交织控制的土壤含水率传感器，其特征在于：所述输入信号V_in1和V_in2的幅度相等，相位相差180°。

4.根据权利要求2所述的一种差分信号交织控制的土壤含水率传感器，其特征在于所述：电极模块由两片8mm x 120mm金属组成；两片金属电极间距为12mm；每片电极按照均匀分布刻蚀1mm的铜极。

5.根据权利要求2所述的一种差分信号交织控制的土壤含水率传感器，其特征在于：所述降压电阻网络为串联连接的第一降压电阻网络电阻R1、R3；以及串联连接的第二降压电阻网络R2、R4。