CN107505361A - 基于锁相环技术的超高测量精度电容法土壤水分测量仪 - Google Patents
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Abstract
一种基于锁相环技术的超高测量精度电容法土壤水分测量仪，属于电容法土壤水分测量仪。该水分测量仪的单片机MCU的输出端与锁相环电路PLL的输入端连接，锁相环电路PLL的锁相电压PD同时与压控振荡器VCO的输入端、变容二极管的负极、开关K1、开关K2和AD转换器的输入端连接，AD转换器的输出端与单片机MCU的输入端连接；变容二极管的正极与校准电容连接，同时接地；校准电容的另一端与开关K2的另一端连接；开关K1的另一端通过拟合电容接地。优点：实现非介入式、且单个传感或立体多层传感式测量土壤及其它类似应用的水分，并实现测量的超高稳定性，大大提高了测量的分辨率、可靠性和精度，从根本上解决了现有测量方法测量精度差，中心线漂移严重的弊端。
Description
技术领域
本发明涉及一种电容法土壤水分测量仪，特别是基于锁相环技术的超高测量精度电容法土壤水分测量仪。
背景技术
水分是土壤的一个重要组成部分，不仅影响土壤的物理性质，是土壤肥力的一个重要因素，而且是一切作物赖以生存的基本条件，对土壤水分的了解和研发在理论和生产上都有重要的意义，其应用领域如：1、耕耘、灌溉及施肥的农业活动，可采用本土壤水分测量仪事先测量土壤中的含水量，做到实时在线，根据需水量智能化的灌溉，最大限度的节约农业灌溉用水。2、在进行一些工程建设（如铁路、公路、水电站、渠道、房屋等）时，利用土壤水分仪测量土壤水分情况也是必不可少的资料。3、还可以应用到混凝土搅拌过程中实时在线监测控制，粮食水分的监测测量，甚至可以用到山洪泥石流的水分实时监测报警。
当今几种土壤水分的测量方法，有以下几种；1，频域反射法、2，时域反射法、3，中子法、4，负压法、5，电阻法、6，电容法；除了频域反射法和电容法，其他方法或多或少存在需要介入式，测量精度不高，稳定性及测量结果重复性差等缺点，而中子法测量精确度高，但又存在有辐射的缺点。
电容法土壤水分仪为非介入式测量方法，其结构包括有普通LC振荡器，LC振荡器所产生的高频信号震荡频率稳定性较差，约为10-3~10-5 Hz，高频信号震荡频率激发在拟合电容的两铜环上，高频频率随拟合电容容值变化而变化，以拟合电容变化量值反演运算获得对应土壤的水分含量的偏差量，因此现有水分仪的上述缺点或技术缺陷，其精度、分辨率及稳定性不会太高。
发明内容
本发明的目的是要提供一种测量精确度高的基于锁相环技术的电容法土壤水分测量仪。
本发明的目的是这样实现的：该水分测量仪包括：单片机MCU、AD转换器、锁相环电路PLL、压控振荡器VCO、变容二极管和拟合电容；
单片机MCU的输出端与锁相环电路PLL的输入端连接，锁相环电路PLL的锁相电压PD同时与压控振荡器VCO的输入端、变容二极管的负极、开关K1和AD转换器的输入端连接，AD转换器的输出端与单片机MCU的输入端连接；变容二极管的正极接地；开关K1的另一端通过拟合电容接地。
进一步的，变容二极管的正极与校准电容连接，同时接地；校准电容的另一端与开关K2的一端连接，开关K2的另一端与变容二极管的负极连接。
所述的单片机MCU包括键盘和显示器及外围绕构件，键盘与单片机MCU的输入端连接，显示器与单片机MCU输出端连接。
所述的拟合电容包括：密封顶盖、PVC绝缘支架、传感器节点、铜环、PVC绝缘管和圆锥堵头；在PVC绝缘管两端分别连接有密封顶盖和圆锥堵头，在PVC绝缘管内间断有PVC绝缘支架在两个PVC绝缘支架之间有传感器节点。
所述的锁相环电路PLL有锁相环芯片（U4），锁相环芯片（U4）的1脚通过射极跟随器和电阻R3与AD转换器连接，锁相环芯片（U4）的20脚通过串联的电容（C12）（C11）和电阻R3与AD转换器（U5）连接，在电容（C11）上并联有电阻（R4）；锁相环芯片（U4）的8脚通过电容（C15）接地，锁相环芯片（U4）的9脚接地；锁相环芯片（U4）的7脚通过串联的电容（C13）（C7）与变容二极管（Dz）的负极和开关K1连接；锁相环芯片（U4）的19脚通过串联的晶振和电容（C14）接电源，锁相环芯片（U4）的17脚接电源，锁相环芯片（U4）的15脚和16脚接为单片机接口（U3）；变容二极管（Dz）的负极通过串联的开关K1、电容（C8）（C9）与拟合电容接口的2端连接，变容二极管（Dz）的正极通过电容（C10）与拟合电容接口的1端连接，变容二极管（Dz）的正极接地，变容二极管的二端并联有电容（C6）和电感，同时还并联有串联的开关K2校准电容；变容二极管（Dz）的负极与AD转换器（U5）连接。
所述的压控振荡器VCO有振荡芯片（U1），振荡芯片（U1）的2脚通过电容（C1）接地，振荡芯片（U1）的3脚同时与电阻（R1）（R2）和电容（C5）连接，电阻（R2）另一端接电源，电容（C5）与电阻（R1）并联后再与电容（C4）串联，并接地；在振荡芯片（U1）的3脚和4脚之间跨接有电容（C2），振荡芯片（U1）的5脚接地，振荡芯片（U1）的9脚接电源，振荡芯片（U1）的8脚通过电容（C3）与变容耦合器的变容二极管（Dz）的负极连接。
有益效果及优点，由于采用了上述方案，基于锁相环技术的电容法土壤水分测量仪，利用锁相PD电压的高稳定性、高解析性、线性度极好，且以量级为10^-9超高精度的稳定频率施加在拟合电容即铜环上去激发土壤并测量其变化量再计算出土壤水分的值，也克服了上述的变化频率激发土壤并测出的土壤水分含量的误差，再之锁相环的PD电压具无限趋近中心线的特点，进一步使本仪器的测量结果的达到超高精度、高分辨率，且具有测量性能的超高一致性与可再现性。实现非介入式、且单个传感或立体多层传感式测量土壤及其它类似应用的水分，并实现测量的超高稳定性，与现有技术相比，大大提高了测量的分辨率、可靠性和精度，测量达精度±0.15-1％，重复性达±0.3-1％。从根本上解决了现有测量方法测量精度差，中心线漂移严重的弊端。
附图说明：
图1是本发明的结构图。
图2为本发明第二实施例的结构图。
图3是本发明的VCO输出频率变化曲线图。
图4是发明的拟合电容结构图。
图5是本发明第二实施例的锁相环电路PLL和压控振荡器VCO的电路图。
图中，1、密封顶盖；2、PVC绝缘支架；3、传感器节点；4、铜环；5、PVC绝缘管；6、圆锥堵头。
具体实施方式
实施例1：该水分测量仪包括：单片机MCU、AD转换器、锁相环电路PLL、压控振荡器VCO、变容二极管和拟合电容；
单片机MCU的输出端与锁相环电路PLL的输入端连接，锁相环电路PLL的锁相电压PD同时与压控振荡器VCO的输入端、变容二极管的负极、开关K1和AD转换器的输入端连接，AD转换器的输出端与单片机MCU的输入端连接；变容二极管的正极接地；开关K1的另一端通过拟合电容接地。
所述的单片机MCU包括键盘和显示器及外围绕构件，键盘与单片机MCU的输入端连接，显示器与单片机MCU输出端连接。
所述的拟合电容包括：密封顶盖1、PVC绝缘支架2、传感器节点3、铜环4、PVC绝缘管5和圆锥堵头6；在PVC绝缘管5两端分别连接有密封顶盖1和圆锥堵头6，在PVC绝缘管5内间断有PVC绝缘支架2在两个PVC绝缘支架2之间有传感器节点3。
所述的锁相环电路PLL有锁相环芯片U4，锁相环芯片U4的1脚通过射极跟随器和电阻R3与AD转换器连接，锁相环芯片U4的20脚通过串联的电容C12、C11和电阻R3与AD转换器U5连接，在电容C11上并联有电阻R4；锁相环芯片U4的8脚通过电容C15接地，锁相环芯片U4的9脚接地；锁相环芯片U4的7脚通过串联的电容C13、C7与变容二极管Dz的负极和开关K1连接；锁相环芯片U4的19脚通过串联的晶振和电容C14接电源，锁相环芯片U4的17脚接电源，锁相环芯片U4的15脚和16脚接为单片机接口U3；变容二极管Dz的负极通过串联的开关K1、电容C8、C9与拟合电容接口的2端连接，变容二极管Dz的正极通过电容C10与拟合电容接口的1端连接，变容二极管Dz的正极接地，变容二极管的二端并联有电容C6和电感，同时还并联有串联的开关K2校准电容；变容二极管Dz的负极与AD转换器U5连接。
所述的压控振荡器VCO有振荡芯片U1，振荡芯片U1的2脚通过电容C1接地，振荡芯片U1的3脚同时与电阻R1、R2和电容C5连接，电阻R2另一端接电源，电容C5与电阻R1并联后再与电容C4串联，并接地；在振荡芯片U1的3脚和4脚之间跨接有电容C2，振荡芯片U1的5脚接地，振荡芯片U1的9脚接电源，振荡芯片U1的8脚通过电容C3与变容耦合器的变容二极管Dz的负极连接。
图4为拟合电容的结构图，拟合电容是由多个土壤剖面水分传感器节点组合而成，基于拟合电容实现土壤水分测量。土壤剖面水分传感器则容易受到土壤盐分、电导等的影响即存在介质损耗。因此，适当提高土壤剖面水分传感器的测量频率，使其处于高频频段，设定为100MHz左右为适中。土壤水分仪指示土壤的含水量是一个循环扫描各个土壤剖面水分传感器节点的过程。
土壤剖面水分传感器的测量是：基于高频电磁边缘场效应，传土壤剖面水分感器节点探头的两个敏感电极之间被施加的高频电场能量足够高时，电极间电场耦合强度与含水土壤显著相关，此时探头的两个电极即构成一个可变等效电容器，周围土壤充当该电容器的介质，然后将这个可变电容器作为高频振荡器外接并联LC谐振回路的组成部分。当土壤含水量发生变化时，土壤所表征的介电常数发生变化，随即探头感知的等效电容也发生变化，从而引起高频振荡器的输出频率发生变化，再经信号调理后土壤剖面水分传感器节点的输出电信号也发生了改变。最后，由土壤剖面水分传感器节点的输出电信号即可反演出土壤的含水量。
图1中，由PLL锁相环电路PLL、压控振荡器VCO以及变容二极管组合成一套锁相环高频发生器，在图4中，有两个铜环沿着以轴向并间距一定的距离放置，其物理结构并由高频电场激发并拟合电容Cx，众所周知锁相环在变容二极管的配合下，并由单片机MCU通过I²C总线与图中所示的锁相环电路PLL所连接通信，由单片机MCU置入一个频点的频率数据如100MHz即可在VCO上锁定本频率，同时变容二极管的两端也可以测到本振荡频率，根据锁相环的原理，此振荡频率会不同的设置频率变化并锁定，锁定地极为准确，如100MHz，并且在变容二极管的负端（-），呈现的压控振荡电压VCO电压，在一定的时间域内电压值极其稳定，即无限趋近于一个“中心值”；同时拟合电容Cx并联在变容二极管的两端，拟合电容两端与两铜环相连，接入高频振荡信号，实际上等于拟合电容在高频激发频率的作用下与周围的“包络”土壤相互作用，再反馈生成一个拟合电容，并具有一定的电容值，再根据锁相环的原理，变容二极管的容量变化会引起压控振荡器VCO输出频率变化，此频率输入到锁相环电路PLL内，同时，由单片机MCU对锁相环电路PLL所设置的频率进行比较，会得到一个误差电压，并会反馈回二极管的负端（-），重新调节压控振荡器VCO的输出频率，重复以上过程，直至压控振荡器VCO输出的频率为100MHz，并达到与设置频率即单片机MCU、锁相环电路PLL两个晶振的相同频率精度，可以达到大于等于10-9量级，当压控振荡器VCO电压以极精确的频率输出后，并稳定在此频点上，则变容二极管的负端电压会在一定时间域内相对极其稳定在一个值上，由于拟合电容Cx是并联在变容二极管两端的，即属于拟合电容Cx模拟电容的变化值，就是以上所述的变容二极管总容量的变化量,此变化值即以上所述的由锁相环电路PLL重新获得的稳态状态，并反映到变容二极管上的一个实时电压值，而这个值恰好对应于拟合电容Cx的一个变容量，相对于测量前的似合电容Cx值，要么大于要么小于，而此差值为电压值在由相应的算法换算成拟合电容Cx的电容值，由此电容值实际上对应于两铜环“包络”一定体积或者一定重量的土壤含水量的变化量，也是由拟合电容Cx容值并结合当前的其他参数土壤体积、土壤类型、土壤重量并结合一定的之前的设计经验表格数据（如温度系数、土壤类型系数）进行标定，再根据相应的数据模型换算成实际的土壤水分含量。
图1中，变容二极管负载的电压即压控振荡器VCO电压，这个电压在锁相环电路PLL当中是一个重要的参数，这个电压实际是由锁相环电路PLL内部的鉴相器PD来生成的锁相调节电压，并输入给变容二极管负端，这个电压就是决定了压控振荡器VCO输出频率信号的信号值，根据锁相环的原理，这个电压则开始是一个基本电压值，最终在锁相环电路PLL的鉴相器PD单元控制下并结合以上所述，最终无限趋近一个中心电压值（如图3所示），这个中心电压值不是一个绝对0值，只是某一瞬时时间段的相对稳定值，这期间实际上包括已锁频未锁频两种状态，锁定之前其鉴相器PD电压是以某一“中心线”电压上振荡，并随时间的推移而变化，但锁相环电路各参数正确时，并有正确的设置频率时，即会达到最终让锁相电压趋向一个实际鉴相器PD电压值，实际这就达到一个锁频状态，当前的锁相电压即对应的与被测土壤水分含量高度相关，重点指出由于采用锁相环电路PLL，代表被测锁相电容的电压AD值，无限趋近，并以微分积分的形式趋近一满足中值定理的中心线，相对几十或几个毫秒时间内极其相对稳定可靠可信，并具备很强的重现性。
更进一步获得变容二极管的负端，一个变化的“中心线”电压，此“中心线”电压经过一定时间即被锁定，事实上很快，这个电压实际上对应了当前的压控振荡器VCO的准确的振荡频率，也即锁频，当前的压控振荡器VCO电压是极稳定的，这个贡献也来自于锁相环电路PLL和单片机MCU单元的各自的晶振的精确度和稳定度，其一般的精度都可达到10-9，结合这个晶振的精度，再依托于鉴相器PD锁相环比较器单元即“差值泵”获得的误差校正，从而最终获得的关键电压是非常稳定和精确的，也即获得变容二极管负端的电压，这个压控振荡器VCO锁相电压只是一个相对稳定的电压，它对应的电容值是当前总容量值，这个锁相电压值对应的当前被测土壤拟合电容值+当前变容二极管基础电容值。如以1％土壤水分含量为距离变化，由于拟合电容Cx与变容二极管并联，变容二极管实际上会以1％的土壤水分增加量的步距对应的拟合电容Cx的容值步距增加，锁相环电路PLL则为了保证原设置频率的输出，则会让锁相环电压以积分微分甚至运用拉普拉斯中值定理的框架下，无限趋近一个“中心线”，压控振汇器VCO电压值，实际上就是一个栅格电压，这一个个栅格电压，对应土壤水分的一个个测量值。
以上所述，本技术领域方案可以实现，高精度高分辨率的测量，但是，这仅针对于仪器开机后不间断的测量情况。即实现了动态的高精度高分辨率，但是，关于关机以后再开机的情况，无论从温度及硬件的漂移因素等方面考虑，就会出现对被测土壤相同水分含量所对应的拟合电容Cx，完全不变化的情况下出现重复测量时的偏差问题，即让其与变容二极管并联后，所测到的变容二极管的负端的“中心线”压控振荡器VCO锁相电压，会有零点漂移或与上一次开机的值不一致，尽管其误差很小，但如果不采取一定的措施，会让本仪器不能发挥其最高的精度和分辨率及重复性精度，由此引入“相对测量法”，并加上了由校准电容构成的校准部分，重点指出这部分只是为了让本仪器实现最高的性能技术指标，但并不是对本专利的限制。
实施例2：变容二极管的正极与校准电容连接，同时接地；校准电容的另一端与开关K2的一端连接，开关K2的另一端与变容二极管的负极连接。
相对测量法：
图2中，相对测量法有两个测量值，1、一个最基础的基本值，如图2的变容二极管，当外界校准电路C校、拟合电容Cx均通过如图所示开关断开后，单独对变容二极管的负端测量电压的AD值，即为当前实时基础测量值。2、所谓另一个测量值即为当校准电容C校或者拟合电容Cx分别通过开关1或开关2分别合上后，此时再测量变容二极管的负端即获得实时测量值实际是至少两个电容分别并联后所形成的电压AD值。
这两个值做减法运算后获得的值即为拟合电容Cx相对测量值或校准电容C校相对测量值；以上两个相对测量值，以差分的原理测量获得值，此值具有极高的稳定性，极高的可重复性以及极高的可再现性，并具有极高的精度，同时又消除了变容二极管，由于各种因素所带来的零点漂移所带来的种种影响，尤其是对基础电容测量所带来的影响，这就是本相对测量法的技术原理和所带来的技术效果。
采用校准电容来对测量值进行校准：
所述对测量值进行相对测量，其精度、分辨率以及稳定性相当高，但是由于变容二极管的压控振荡率VCO电压非线性诸多因素的影响，将会对精度、分辨率，特别是具有超高精度的要求时，则或多或少的有一定的影响，因此又引入了校准电容这一技术结构。
具体为参见图2，校准电容C校采用高精度的云母电容，在常规下，其稳定性可做到±0.01％，用于校正以上所述的拟合电容的测量值，此校准电容C校也是通过开关2合上或断开，同时拟合电容的开关也断开，此时获得校准电容C校的相对测量值，与之前的设计经验校准电容C校值进一步比较，又获得新的一个校准系数，用此系数去相乘或相除上述的相对测量值，经过进一步的精度校正，则相对测量值即获得的拟合电容Cx的电容值，具有超高的精度、分辨率、重复性精度。
最后将拟合电容的容值并结合土壤水分的电信号数据模型，则反演出当前土壤的水分含量，当然期间也应用了一些的查表数据、温漂系数数据、土壤类型墒情校准系数等进行进一步的校正和标定，以更进一步提高测量值的精度和准确度。
其它与实施例1同。
Claims (6)
1.基于锁相环技术的超高测量精度电容法土壤水分测量仪，其特征是：该水分测量仪包括：单片机MCU、AD转换器、锁相环电路PLL、压控振荡器VCO、变容二极管和拟合电容；单片机MCU的输出端与锁相环电路PLL的输入端连接，锁相环电路PLL的锁相电压PD同时与压控振荡器VCO的输入端、变容二极管的负极、开关K1和AD转换器的输入端连接，AD转换器的输出端与单片机MCU的输入端连接；变容二极管的正极接地；开关K1的另一端通过拟合电容接地。
2.根据权利要求1所述的基于锁相环技术的超高测量精度电容法土壤水分测量仪，其特征是：变容二极管的正极与校准电容连接，同时接地；校准电容的另一端与开关K2的一端连接，开关K2的另一端与变容二极管的负极连接。
3.根据权利要求1所述的基于锁相环技术的超高测量精度电容法土壤水分测量仪，其特征是：所述的单片机MCU包括键盘和显示器及外围绕构件，键盘与单片机MCU的输入端连接，显示器与单片机MCU输出端连接。
4.根据权利要求1所述的基于锁相环技术的超高测量精度电容法土壤水分测量仪，其特征是：所述的拟合电容包括：密封顶盖、PVC绝缘支架、传感器节点、铜环、PVC绝缘管和圆锥堵头；在PVC绝缘管两端分别连接有密封顶盖和圆锥堵头，在PVC绝缘管内间断有PVC绝缘支架在两个PVC绝缘支架之间有传感器节点。
5.根据权利要求1所述的基于锁相环技术的超高测量精度电容法土壤水分测量仪，其特征是：所述的锁相环电路PLL有锁相环芯片（U4），锁相环芯片（U4）的1脚通过射极跟随器和电阻R3与AD转换器连接，锁相环芯片（U4）的20脚通过串联的电容（C12）（C11）和电阻R3与AD转换器（U5）连接，在电容（C11）上并联有电阻（R4）；锁相环芯片（U4）的8脚通过电容（C15）接地，锁相环芯片（U4）的9脚接地；锁相环芯片（U4）的7脚通过串联的电容（C13）（C7）与变容二极管（Dz）的负极和开关K1连接；锁相环芯片（U4）的19脚通过串联的晶振和电容（C14）接电源，锁相环芯片（U4）的17脚接电源，锁相环芯片（U4）的15脚和16脚接为单片机接口（U3）；变容二极管（Dz）的负极通过串联的开关K1、电容（C8）（C9）与拟合电容接口的2端连接，变容二极管（Dz）的正极通过电容（C10）与拟合电容接口的1端连接，变容二极管（Dz）的正极接地，变容二极管的二端并联有电容（C6）和电感，同时还并联有串联的开关K2校准电容；变容二极管（Dz）的负极与AD转换器（U5）连接。
6.根据权利要求1所述的基于锁相环技术的超高测量精度电容法土壤水分测量仪，其特征是：所述的压控振荡器VCO有振荡芯片（U1），振荡芯片（U1）的2脚通过电容（C1）接地，振荡芯片（U1）的3脚同时与电阻（R1）（R2）和电容（C5）连接，电阻（R2）另一端接电源，电容（C5）与电阻（R1）并联后再与电容（C4）串联，并接地；在振荡芯片（U1）的3脚和4脚之间跨接有电容（C2），振荡芯片（U1）的5脚接地，振荡芯片（U1）的9脚接电源，振荡芯片（U1）的8脚通过电容（C3）与变容耦合器的变容二极管（Dz）的负极连接。
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