CN108776170B - 一种基于tdr及相位检测技术的高精度水分测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TDR及相位检测技术的高精度水分测量仪，包括测量电路和主控电路，其中测量电路中包含C校模块，主控电路中包含反扫频电路，利用高频信号加至测量电路的两电极，测量高频信号经锁相环的锁相和在TDR时域传输并反馈及处理，通过锁相环的鉴相器，采用拉普拉斯中值定律算法、以微分积分为核心的无限趋近算法计算，实现超高精度水分测量。本发明采用放大器增强高频信号的强度，信号的有效传输距离大幅度提高，最大测量半径达到5m；将PD电压变量值均分后按电压逐次递增的方式，依次分别加至变容二极管的负端，利用反扫频和锁相环的锁相技术分别得出若干个水分测量值，再平均加权运算得到最终水分测量值，测量精度大大提高。

Description

一种基于TDR及相位检测技术的高精度水分测量仪

技术领域

本发明涉及一种高精度水分测量仪，尤其涉及一种基于TDR及相位检测技术的高精度水分测量仪。

背景技术

水分测量仪广泛应用于土壤、粮食、烟草、茶叶、混凝土原料、陶坯原料等的水分测量。以土壤水分的测量为例，水分的精确测量及浇灌控制对于农作物的培育、生长、产量及品质具有极其重要的意义。同样，含水量的精确测量对于粮食、烟草、茶叶的储存加工，以及混凝土原料、陶坯原料的精确配比有着极为重要的作用。

中国专利200420053196.2公开了一种微量水分测定仪，其检测电路主要是将正弦波电源加在第一变压器的初级线圈上，第一变压器的次级线圈通过限流电阻为两检测电极提供工作电源，两检测电极间的电压随着电解液状态的变化而变化，该变化的电压由第二变压器检测，然后送向后续电路进行信号处理。中国专利201610036246.3公开了一种高精度微量水分测量仪检测电路，包括第一电路和第二电路，第一电路与光电耦合器的输入端相连接，第二电路与光电耦合器的输出端相连接，第一电路的电源与第二电路的电源相独立；第一电路中对称波发生器通过限流电阻连接检测电极的正极，检测电极的负极连接第一电路的电源负极；检测电极的正极为检波器提供输入信号，检波器驱动光电耦合器的输入端。此种检测电路使得第一电路与第二电路完全分割开来，而电解液的状态变化反应在第一电路中，避免了第二电路对第一电路的影响，从而提高了测量仪的精度；对称波发生器通过线性分压取得检测信号，使得测量仪能够连续重复测量。但是，随着精度要求的提高，现有的水分测量仪的精度不够，会导致所测量的结果不准确。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供一种基于TDR及相位检测技术的高精度水分测量仪。

本发明为达到上述目的，所采取的技术方案是：一种基于TDR及相位检测技术的高精度水分测量仪，包括测量电路和主控电路，其中测量电路中包含C校模块，主控电路中包含反扫频电路，利用高频信号加至测量电路的两电极，测量高频信号经锁相环的锁相和在TDR时域传输并反馈及处理，通过锁相环的鉴相器，采用拉普拉斯中值定律算法、以微分积分为核心的无限趋近算法计算，实现超高精度水分测量。

进一步的，所述测量电路中采用两级RF放大器，高频信号先经RF₁放大器放大幅度后输出至电极₁，再辐射至两电极所包围的被测物质，此时电极₁上高频信号的频率、时间、相位以及信号的磁滞特性发生改变，改变后的高频信号接入电极₂，并通过与之连接的RF₂放大器进一步的缓冲放大，大幅度扩展了测量半径，测量半径的最大值达到5m。

进一步的，所述水分测量仪包括：MCU、A/D转换器、锁相环电路PLL、压控振荡器VCO、开关K1、K2、K3，RF₁放大器、RF₂放大器、电极₁、电极₂、C_校模块、D/A变容电压反扫描单元、外设；

以锁相环电路PLL的压控振荡器VCO锁定频率信号输出，首先合上K1,经RF₁放大器放大幅度后输出至电极₁，再辐射至两电极所包围的被测物质，此时电极₁上高频信号的频率、时间、相位以及信号的磁滞特性发生改变，改变后的高频信号接入电极₂，合上K2，与之连接的RF₂放大器进一步的缓冲放大，此时频率、相位在设定范围内不发生变化，而高频信号经被测物质辐射并接到电极₂时发生的变化是RF₂放大器的高频信号特性变化量；此特性变化量信号继续接入锁相环电路PLL的PD鉴相器，其中一路频率信号输入端与锁相环鉴相器基本频率信号进行鉴相处理，得到的误差负反馈到锁定电压上，从而得到PD电压的变量值即实时值PD2；此时，若被测物质水分含量增大则PD电压增高，反之PD电压降低；由以上过程，将开关K1、K2断开所测得的PD电压实时变量值PD1为基础值，PD2-PD1得到当前被测目标水分含量对应的PD电压总值，所得PD电压总值为单次测量值；

C_校模块由一开关串联校准电容，C_校模块两端并联在两电极上，通过开关的开合，测量出PD电压前后两个值，将两个值做差值运算，得到的变量值与校准电容值进行比较，得到一个校正系数，由此校正系数去校正上述PD电压变量值；

将首次测量获得的PD电压总值，由0至PD电压总值，按照一定的栅格电压n,并以栅格电压n的倍数，n*1、n*2、n*3…n*m,分成若干份，获得若干份对应的PD电压值，反扫频电路逐份将PD电压值加至锁相环变容二极管D₁负端，配合压控振荡器VCO和锁相环电路PLL生成多种不同频率的激发信号，作用到测量目标，每份PD电压值加至变容二极管D₁时形成一个实时电容值，此实时电容值与变容二极管D₂形成一个总电容容量，当锁相环锁定，形成新的PD电压值，而后与在前的PD电压值比较，得到每份的差值；经过多次反扫频过程，得到若干个PD电压差值，将这些PD电压差值分别与对应的前一次经过校正的PD电压差值比较，运算得到多个校正系数，将得到的多个校正系数相加后平均，得到一个总校正系数，再去校正反扫频之前测得的PD电压总值，从而得到校正的PD电压差值，进而通过计算获得更准确的水分含量值。

更进一步，所述电极₁、电极₂采用铜环，RF₁放大器与铜环₁之间设置开关K1，RF₂放大器与铜环₂之间设置开关K2，C校模块与锁相环电路PLL之间设置开关K3；检测时，开关K1、开关K2断开，由开关K3断开和合上后所测得的两个PD电压计算差值，再计算出当前C校模块的磁滞量值，进而计算出C校模块中电容C_较值，将此值与预存的C_较值比较，计算出一个校正系数，以校正测量的对应土壤水分的磁滞变量值，用于提高磁滞变量精度。

更进一步的，所述RF₁放大器输出信号至铜环₁，再传输至待测物质，此时由于不同水分含量的待测物质电介质参数不同，致使信号传输到铜环₂后，使信号的幅度、相位、频率发生变化，铜环₂的信号经过RF₂放大器放大后，再返回到锁相环电路PLL，经锁相环电路PLL与MCU原设置的基础频率比较，产生一个PD电压的相位误差值，由该误差电压负反馈至变容二极管D₂的负极，使得变容二极管D₂容量增大或减小，并配合压控振荡器VCO使其频率及相位等于或无限趋近原设置的基础频率，此时，被包裹的土壤及两铜环所造成的磁滞变量值对应PD₂电压值，PD₂电压值由A/D转换器转化为数据量，断开开关K1和开关K2，依照上述方法再测量变容二极管D₂的负端电压PD₁电压值，此值为变容二极管D₂的基础0值对应的磁滞变量值，而后，由PD₂-PD₁生成一个磁滞变量值，由该值通过算法计算出当前两铜环所测量的水分含量值，将此水分含量值再经过标定，进一步提高测量精度。

更进一步的，所述标定是指利用土壤墒情、酸碱度、盐度或温度。

本发明的有益效果是：

1、由于采用放大器RF₁及RF₂增强高频信号的强度，信号的有效传输距离大幅度提高，信号径向辐射范围大增，因而大大提高了测量范围，最大测量半径达到5m；

2、将第一次所测PD电压变量值均分若干份，将均分后的份按电压逐次递增的方式，依次分别加至变容二极管的负端，利用反扫频和锁相环的锁相技术，分别得出若干个水分测量值，将若干个水分测量值平均加权运算得到最终水分测量值，测量精度大大提高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明电路原理框图。

具体实施方式

实施例1

一种基于TDR及相位检测技术的高精度水分测量仪，包括测量电路和主控电路，其中测量电路中包含C校模块，主控电路中包含反扫频电路，利用高频信号加至测量电路的两电极，测量高频信号经锁相环的锁相和在TDR时域传输并反馈及处理，通过锁相环的鉴相器，采用拉普拉斯中值定律算法、以微分积分为核心的无限趋近算法计算，实现超高精度水分测量。

实施例2

作为实施例1的优化设计，所述测量电路中采用两级RF放大器，高频信号先经RF₁放大器放大幅度后输出至电极₁，再辐射至两电极所包围的被测物质，此时电极₁上高频信号的频率、时间、相位以及信号的磁滞特性发生改变，改变后的高频信号接入电极₂，并通过与之连接的RF₂放大器进一步的缓冲放大，大幅度扩展了测量半径，测量半径的最大值达到5m。

实施例3

作为实施例1、2的一种具体电路设计，所述水分测量仪包括：MCU、A/D转换器、锁相环电路PLL、压控振荡器VCO、RF₁放大器、RF₂放大器、电极₁、电极₂、C校模块、D/A变容电压反扫描单元、外设；

以锁相环电路PLL的压控振荡器VCO锁定频率信号输出，首先经RF₁放大器放大幅度后输出至电极₁，再辐射至两电极所包围的被测物质，此时电极₁上高频信号的频率、时间、相位以及信号的磁滞特性发生改变，改变后的高频信号接入电极₂，并通过与之连接的RF₂放大器进一步的缓冲放大，此时频率、相位在设定范围内不发生变化，而高频信号经被测物质辐射并接到电极₂时发生的变化是RF₂放大器的高频信号特性变化量；此特性变化量信号继续接入锁相环电路PLL的PD鉴相器，其中一路频率信号输入端与锁相环鉴相器基本频率信号进行鉴相处理，得到的误差负反馈到锁定电压上，从而得到PD电压的变量值；此时，若被测物质水分含量增大则PD电压增高，反之PD电压降低，由PD电压经计算获得当前被测物质的水分含量；

C校模块由一开关串联校准电容，C校模块两端并联在两电极上，通过开关的开合，测量出PD电压前后两个值，将两个值做差值运算，得到的变量值与校准电容值进行比较，得到一个校正系数，由此校正系数去校正上述PD电压变量值，同时校正被测物质的水分含量值，从而得到更高的测量精度；

将测量获得的PD电压的变量值，由0至PD电压变量值中的最高值，按照一定的栅格电压分成若干份，获得若干份对应的PD电压值，反扫频电路逐份将PD电压值加至锁相环变容二极管D₁负端，每份PD电压值加至变容二极管D₁时形成一个实时电容值，此实时电容值与变容二极管D₂形成一个总电容容量，此时锁相环锁定，形成新的PD电压值与在前加入的PD电压值比较，得到每一份的差值，将这些差值进行平均、加权运算，运算所获得水分含量值精度进一步提高。

实施例4

作为实施例3的一种具体设计，所述电极₁、电极₂采用铜环，RF₁放大器与铜环₁之间设置开关K1，RF₂放大器与铜环₂之间设置开关K2，C校模块与锁相环电路PLL之间设置开关K3；检测时，开关K1、开关K2断开，由开关K3断开和合上后所测得的两个PD电压计算差值，再计算出当前C校模块的磁滞量值，进而计算出C校模块中电容C_较值，将此值与预存的C_较值比较，计算出一个校正系数，以校正测量的对应土壤水分的磁滞变量值，用于提高磁滞变量精度。

所述RF₁放大器输出信号至铜环₁，再传输至待测物质，此时由于不同水分含量的待测物质电介质参数不同，致使信号传输到铜环₂后，使信号的幅度、相位、频率发生变化，铜环₂的信号经过RF₂放大器放大后，再返回到锁相环电路PLL，经锁相环电路PLL与MCU原设置的基础频率比较，产生一个PD电压的相位误差值，由该误差电压负反馈至变容二极管D₂的负极，使得变容二极管D₂容量增大或减小，并配合压控振荡器VCO使其频率及相位等于或无限趋近原设置的基础频率，此时，被包裹的土壤及两铜环所造成的磁滞变量值对应PD₂电压值，PD₂电压值由A/D转换器转化为数据量，断开开关K1和开关K2，依照上述方法再测量变容二极管D₂的负端电压PD₁电压值，此值为变容二极管D₂的基础0值对应的磁滞变量值，而后，由PD₂-PD₁生成一个磁滞变量值，由该值通过算法计算出当前两铜环所测量的水分含量值，将此水分含量值再经过标定，进一步提高测量精度。

实施例5

如图1所示，作为一个具体测试的实施方案，在土壤水分测量中，该水分测量仪主要包括：单片机MCU、AD转换器、锁相环电路PLL、压控振荡器VCO、RF放大器1、RF放大器2、变容二极管D1、D2和两个并排放置的铜环、C校模块、D/A变容电压反扫描单元；MCU含扫频数据。

先把K1、K2合上，同时断开K3，高频信号加至两个铜环之间并激发周围的土壤，具体为高频信号先经过放大器RF1加至铜环1，再传输至土壤，此时由于不同水分含量的土壤电介质参数不同，造成了信号的反射、折射、信号的磁滞变化，致使信号传输到铜环2后，会使其信号的幅度、相位、频率等参数发生变化，由铜环2的信号经过RF2放大器放大后再返回到锁相环PLL单元，经过PLL单元与MCU原设置的基础频率比较后会产生一个相位误差值即PD电压误差电压，由误差电压负反馈至变容二极管D2的负极使得变容二极管容量增大或减小并配合VCO使其频率及相位等于或无限接近原设置的基础频率，PD2电压值即对应了当前被包裹的土壤及两铜环所造成的磁滞变量值，PD2电压由AD单元转化为数据量，断开开关1和开关2，依照上述方法再测量变容二极管的负端电压PD1，此值即为变容二极管D2的基础0值对应的磁滞变量值，此磁滞变量值=PD2-PD1，由该差值通过一定的算法就计算出当前两铜环的所测量的土壤水分含量值，此土壤水分值可以经过土壤墒情、酸碱度、盐度及温度等标定后以进一步提高测量精度。由开关1、开关2断开，并由开关3断开和合上过程测得的PD电压前后差值，再计算出当前C校的磁滞量值，进而计算出C校值与之前预存的C校值比较，计算出一个校正系数以校正上述的对应土壤水分的测量对应磁滞变量值以进一步的提高磁滞变量精度即提高测量精度，测量范围距本仪器最大半径为5m。

反扫频电路原理：先由上述过程获得的当前被测土壤纯磁滞变量值，由此纯磁滞变量值，比如等分10份，包括第1份、第2份、第3份……一直到第10份纯磁滞变量值，由D/A单元生成对应的逐份PD电压值，先用第1份PD电压值加至变容二极管的负端，由上述过程测量获得对应当前份PD电压值，也就是获得了当前份的纯磁滞变量值并存储，以此类推，再用第2份、第3份……第10份去测量对应的磁滞变量值并存储，由这10份值进行平均、微分积分、均方根等运算，获得最终测量结果，即测量纯磁滞变量值，纯磁滞变量值再结合上述各标定系数计算出的土壤水分含量精度，所述标定是指利用土壤墒情、酸碱度、盐度或温度。重复性、可靠性得到最大限度的提高。

本发明既可以单独测量局部区域的农作物土壤水分，也可以智能联网的形式测控大范围的土壤水分并上传到相关服务中心，同时利用手机APP实现访问查询和实时控制。

使用土壤水分传感器能动态跟踪掌握农作物根系在土层中的具体深度位置、作物根系的动态吸收消耗水分情况；使用土壤水分传感器所记录生成的土壤水分曲线图，能够以直观、量化的方式展现出土壤中不同土层的水分含量随着时间的变化情况，进而做出农田灌溉中的灌溉深度、灌溉量、灌溉开始时间、灌溉持续时间、灌溉量上限、土壤水分含量下限等关键因素。实现科学灌溉不光减少水资源的浪费，对于提高农作物产量及品质也大有裨益。

本发明由于采用放大器RF₁及RF₂增强高频信号的强度，信号的有效传输距离大幅度提高，信号径向辐射范围大增，因而大大提高了测量范围，最大测量半径达到5m；

将第一次所测PD电压变量值均分若干份，将均分后的份按电压逐次递增的方式，依次分别加至变容二极管的负端，利用反扫频和锁相环的锁相技术，分别得出若干个水分测量值，将若干个水分测量值平均加权运算得到最终水分测量值，测量精度大大提高。

本申请实施例只是用于说明本申请所公开的技术特征，本领域技术人员通过简单的替换所进行的改变，仍然属于本申请所保护的范围。

Claims (2)

1.一种基于TDR及相位检测技术的高精度水分测量仪，包括测量电路和主控电路，其特征在于：其中测量电路中包含C_校模块，主控电路中包含反扫频电路，利用高频信号加至测量电路的两电极，测量高频信号经锁相环的锁相和在TDR时域传输并反馈及处理，通过锁相环的鉴相器，采用拉普拉斯中值定律算法、以微分积分为核心的无限趋近算法计算，实现超高精度水分测量，所述测量电路中采用两级RF放大器，高频信号先经RF₁放大器放大幅度后输出至第一电极，再辐射至两电极所包围的被测物质，此时第一电极上高频信号的频率、时间、相位以及信号的磁滞特性发生改变，改变后的高频信号接入第二电极，并通过与之连接的RF₂放大器进一步的缓冲放大，大幅度扩展了测量半径，测量半径的最大值达到5m；

所述水分测量仪包括：MCU、A/D转换器、锁相环电路PLL、压控振荡器VCO、开关K1、开关K2、开关K3，RF₁放大器、RF₂放大器、第一电极、第二电极、C_校模块、D/A变容电压反扫描单元、外设；以锁相环电路PLL的压控振荡器VCO锁定频率信号输出，首先合上开关K1，经RF₁放大器放大幅度后输出至第一电极，再辐射至两电极所包围的被测物质，此时第一电极上高频信号的频率、时间、相位以及信号的磁滞特性发生改变，改变后的高频信号接入第二电极，合上开关K2，与之连接的RF₂放大器进一步的缓冲放大，此时频率、相位在设定范围内不发生变化，而高频信号经被测物质辐射并接到第二电极时发生的变化是RF₂放大器的高频信号特性变化量；此特性变化量信号继续接入锁相环电路PLL的PD鉴相器，其中一路频率信号输入端与锁相环鉴相器基本频率信号进行鉴相处理，得到的误差负反馈到锁定电压上，从而得到PD电压的变量值即实时值PD₂；此时，若被测物质水分含量增大则PD电压增高，反之PD电压降低；由以上过程，将开关K1、开关K2断开所测得的PD电压实时变量值PD₁为基础值，PD₂-PD₁得到当前被测目标水分含量对应的PD电压总值，所得PD电压总值为单次测量值；C_校模块由一开关串联校准电容，C_校模块两端并联在两电极上，通过开关的开合，测量出PD电压前后两个值，将两个值做差值运算，得到的变量值与校准电容值进行比较，得到一个校正系数，由此校正系数去校正上述PD电压变量值；将首次测量获得的PD电压总值，由0至PD电压总值，按照一定的栅格电压n，并以栅格电压n的倍数，n*1、n*2、n*3…n*m ,分成若干份，获得若干份对应的PD电压值，反扫频电路逐份将PD电压值加至锁相环变容二极管D₁负端，配合压控振荡器VCO和锁相环电路PLL生成多种不同频率的激发信号，作用到测量目标，每份PD电压值加至变容二极管D₁时形成一个实时电容值，此实时电容值与变容二极管D₂形成一个总电容容量，当锁相环锁定，形成新的PD电压值，而后与在前的PD电压值比较，得到每份的差值；经过多次反扫频过程，得到若干个PD电压差值，将这些PD电压差值分别与对应的前一次经过校正的PD电压差值比较，运算得到多个校正系数，将得到的多个校正系数相加后平均，得到一个总校正系数，再去校正反扫频之前测得的PD电压总值，从而得到校正的PD电压差值，进而通过计算获得更准确的水分含量值；

所述第一电极、第二电极采用铜环，RF₁放大器与第一铜环之间设置开关K1，RF₂放大器与第二铜环之间设置开关K2，C_校模块与锁相环电路PLL之间设置开关K3；检测时，开关K1、开关K2断开，由开关K3断开和合上后所测得的两个PD电压计算差值，再计算出当前C_校模块的磁滞量值，进而计算出C_校模块中电容C_较值，将此值与预存的C_较值比较，计算出一个校正系数，以校正测量的对应土壤水分的磁滞变量值，用于提高磁滞变量精度；而后，由PD₂-PD₁生成一个磁滞变量值，由该值通过算法计算出当前两铜环所测量的水分含量值，将此水分含量值再经过标定，进一步提高测量精度，所述标定是指利用土壤墒情、酸碱度、盐度或温度。

2.根据权利要求1所述的基于TDR及相位检测技术的高精度水分测量仪，其特征在于：所述RF₁放大器输出信号至第一铜环，再传输至待测物质，此时由于不同水分含量的待测物质电介质参数不同，致使信号传输到第二铜环后，使信号的幅度、相位、频率发生变化，第二铜环的信号经过RF₂放大器放大后，再返回到锁相环电路PLL，经锁相环电路PLL与MCU原设置的基础频率比较，产生一个PD电压的相位误差值，由该PD电压的相位误差值至变容二极管D₂的负极，使得变容二极管D₂容量增大或减小，并配合压控振荡器VCO使其频率及相位等于或无限趋近原设置的基础频率，此时，被包裹的土壤及两铜环所造成的磁滞变量值对应PD₂电压值，PD₂电压值由A/D转换器转化为数据量，断开开关K1和开关K2，再测量变容二极管D₂的负端电压PD₁电压值，此值为变容二极管D₂的基础0值对应的磁滞变量值。

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