CN112649476A - 一种高精度土壤电导率测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度土壤电导率测量装置及其测量方法，使用信号发生器产生所需的高精度激励信号，信号发生器输出的数字信号经过数字模拟转换器转换为模拟信号输出；从数字模拟转换器输出的模拟信号经过缓冲器缓冲后通过精密电阻和输出电容后连接到测量探针上；再使用差分运算放大器采集精密电阻两端的差分电压信号并转换为单端信号；使用可编程增益放大器对单端信号进行处理，将处理后的单端信号经过低通滤波器滤波后进入到模拟数字转换器中转换为数字信号并由数字信号处理器接收并进行处理，计算出两探针之间的阻抗，在数字信号处理器上将此数据转换为电导率值并通过通用异步收发器进行输出。本发明能有效的提高电导率测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种高精度土壤电导率测量装置及其测量方法，属于电导率测量领域。
背景技术
农业种植中想取得较高的产量及较好的质量，合理的施肥灌溉是非常重要的，现在的农田管理主要依靠管理人员的经验，有很大的主观性。经常会过度的实用农药化肥，造成浪费的同时也污染了环境。对农田环境中电导率参数的实时测量，可以用于指导农业生产中的灌溉、施肥等作业活动，结合水肥一体化设施实现农田环境的自动化灌溉、达到精准施肥、节省人力物力的效果。
传统的土壤电导率在线测定方法一般使用MCU的GPIO接输出矩形波或者搭建专用的振荡电路来产生激励信号，比如公布号为CN104678180A，专利名称为一种土壤电导率的测量装置及方法中，使用ICL8038搭建振荡电路作为激励信号源；激励信号通过分压电阻或者电流源的形式输出到测量探针上，通过测量探针上的分压从而计算出土壤的电导率；为测量探针分压电压，传统的方式是搭建检波电路将交流信号转化为等比例的直流信号，然后再进行测量，但仍存在以下问题：
1、激励源的输出精度不高、特别通过MCU的GPIO输出方波、其输出峰峰值及占空比受电源供电、环境温湿度等影响较大，从而对精度产生了较大的不利影响；
2、在被检测信号由交流通过检波电路转化为直流信号的过程中存在信号的失真，且要求被测信号幅值不能过小，否则无法准确测量，检测灵敏度很低；
3、由于接收电路较低的灵敏度需要较强的激励信号、以及激励源的精度不高都导致了一定程度上会产生土壤极化的问题，从而影响到了被测土壤；
4、由于真实的土壤阻抗表现为复阻抗形式，除电阻特性外探针之间还会存在不可忽略的电容，而传统测量手段中使用的检波电路无法排除掉这些容抗所产生的不利影响。
发明内容
为解决背景技术中提及的问题，本发明提供一种高精度土壤电导率测量装置及其测量方法。
本发明所采用的技术方案为：
一种高精度土壤电导率测量装置，包括信号发生器、数字模拟转换器、缓冲器、精密电阻、输出电容、测量探针、差分运算放大器、可编程增益放大器、低通滤波器、模拟数字转换器、数字信号处理器和通用异步收发器，信号发生器用于产生高精度激励信号并将高精度激励信号传输至数字模拟转换器，数字模拟转换器用于将信号发生器产生的高精度激励信号转换为模拟信号输出，缓冲器用于对从数字模拟转换器输出的模拟信号进行缓冲后再依次通过精密电阻、输出电容后连接到测量探针上，差分运算放大器用于采集精密电阻两端的差分电压信号并将其转换为单端信号，可编程增益放大器用于对差分运算放大器传输的单端信号进行增益调节，低通滤波器用于将经过可编程增益放大器调节之后的信号进行滤波，将信号回路中存在的高频干扰噪声过滤掉，模拟数字转换器用于将经低通滤波器滤波后的信号转换为数字信号，数字信号处理器用于对模拟数字转换器传输的数字信号进行处理得到实数部分然后将实数部分对应的阻抗转换为电导率值并通过通用异步收发器的接口进行输出，数字信号处理器也用于采样信号发生器输出的原始信号数据以及调整可编程增益放大器的放大倍数。
优选的是，数字模拟转换器的精度为10bit，转换率为2Mbps。
进一步的优选，精密电阻的精度大于0.5%，温漂小于50ppm。
进一步的优选，输出电容采用1uF/2000V高压瓷片将探针与内部电路隔离开。
进一步的优选，模拟数字转换器的采样频率为信号发生器产生的高精度激励信号输出频率的2的n次方倍，其中n为大于0的整数。
基于一种高精度土壤电导率测量装置的测量方法，包括如下步骤：
步骤一：将信号发生器的输出设定为峰峰值200mV，频率100KHz的正弦波数字信号，然后通过数字模拟转换器将这些信号转换为模拟信号；
步骤二：将可编程增益放大器的增益设定为最小增益，此时从差分运放放大器输出的信号不经过放大而直接进入到低通滤波器中；
步骤三：将模拟数字转换器的采样率设定为信号发生器的输出频率的8倍，即800KHz；
步骤四：启动模拟数字转换器进行采样数据，数字信号处理器的核心通过数据总线实时读取模拟数字转换器采样之后的数据；
步骤五：数字信号处理器根据模拟数字转换器采样数据的峰峰值大小自动调整可编程增益放大器的放大倍数，实现量程的自动切换；
步骤六：完成可编程增益放大器增益调节之后，数字信号处理器继续实时读取模拟数字转换器采样数据，完成1024次采样之后进行1024点的快速傅立叶变换运算；
步骤七：经过快速傅立叶变换运算之后得到512组复数分别对应不同频率的信号，提取其中对应正弦波数字信号频率的采样信号数据；
步骤八：数字信号处理器同时采样信号发生器输出的正弦波数字信号的原始数据并且跟模拟数字转换器采样保持同步，同样将采集到的数据进行快速傅立叶变换运算得到对应正弦波数字信号频率的数据；
步骤九：数字信号处理器计算信号发生器输出的正弦波数字信号于采样返回信号之间的相位差，再根据信号回路中存在的已测定相位延迟进行矫正，然后通过复数运算计算出复阻抗并取其实部；
步骤十：在数字信号处理器上利用计算到的数据进行数据表查表，得到电导率数据，然后通过通用异步收发器的接口进行输出，其中，数据表为通过实验测定的数据表格；
步骤十一：重复以上步骤，持续测定电导率。
本发明的有益效果在于：
1.采用信号发生器作为信号激励源，输出信号精度高，幅值可调节，可根据不同的土壤类型调节不同的激励信号频率；
2.采用可编程增益放大器实现自动增益调节，扩展了测量范围提高了测量精度；
3.采用高速模拟数字转换器实时采样并配合算法可以实现复阻抗的测量，排除了容性效应对电导率测量的影响，提高了测量精度。
附图说明
图1为本发明的连接关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做具体的介绍。
如图1所示：本实施例是一种高精度土壤电导率测量装置，测量装置包括信号发生器、数字模拟转换器、缓冲器、精密电阻、输出电容、测量探针、差分运算放大器、可编程增益放大器、低通滤波器、模拟数字转换器、数字信号处理器和通用异步收发器，信号发生器用于产生高精度激励信号并将高精度激励信号传输至数字模拟转换器，数字模拟转换器用于将信号发生器产生的高精度激励信号转换为模拟信号输出，缓冲器用于对从数字模拟转换器输出的模拟信号进行缓冲后再依次通过精密电阻、输出电容后连接到测量探针上，差分运算放大器用于采集精密电阻两端的差分电压信号并将其转换为单端信号，可编程增益放大器用于对差分运算放大器传输的单端信号进行增益调节，低通滤波器用于将经过可编程增益放大器调节之后的信号进行滤波，将信号回路中存在的高频干扰噪声过滤掉，模拟数字转换器用于将经低通滤波器滤波后的信号转换为数字信号，数字信号处理器用于对模拟数字转换器传输的数字信号进行处理得到实数部分然后将实数部分对应的阻抗转换为电导率值并通过通用异步收发器的接口进行输出，数字信号处理器也用于采样信号发生器输出的原始信号数据以及调整可编程增益放大器的放大倍数，即
使用信号发生器产生所需的高精度激励信号，其所产生信号的波形、相位、幅值、频率等参数可以精确的设定；
信号发生器输出的数字信号经过数字模拟转换器转换为模拟信号输出；
从数字模拟转换器输出的模拟信号再经过缓冲器进一步缓冲后通过精密电阻和输出电容后连接到测量探针上；
当被测土壤的电导率发生变化时将导致通过精密电阻上的电流发生变化，从而精密电阻上会产生一定的电压差，此电压差信号即包含计算电导率所需要的信息；
使用差分运算放大器采集精密电阻两端的电压信号并将其转换为单端信号，此电压信号与流过探针的电流成正比，而从探针流过的电流与被测土壤的电导率成正比；
使用可编程增益放大器对单端信号进行进一步处理，将信号的幅度调节到最适宜测量的范围内；
经过可编程增益放大器调节之后的信号经过低通滤波器滤波，将信号回路中存在的高频干扰噪声过滤掉；
滤波后的信号进入到模拟数字转换器中转换为数字信号，为保证所需信号的特征不丢失，模拟数字转换器采样频率设定为信号发生器输出信号频率的8倍；
数字信号由数字信号处理器接收并进行处理，数字信号处理器首先对离散的数字信号加矩形窗，窗宽度为1024，每当数字信号处理器完整的接收到1024次采样数据后才会进行下一步的运算；
然后数字信号处理器对1024组数据使用快速傅里叶变换变换到复频域，得到512组复数，取其中对应信号发生器输出信号频率的实部；
取出的实数部分对应为两探针之间的阻抗，在数字信号处理器上通过查表将此数据转换为电导率值并通过通用异步收发器接口进行输出。
基于该测量装置的电导率测量方法具体包括如下步骤：
步骤一：将信号发生器的输出设定为峰峰值200mV，频率100KHz的正弦波数字信号，然后通过数字模拟转换器将这些信号转换为模拟信号；
步骤二：将可编程增益放大器的增益设定为最小增益，此时从差分运放放大器输出的信号不经过放大而直接进入到低通滤波器中；
步骤三：将模拟数字转换器的采样率设定为信号发生器的输出频率的8倍，即800KHz；
步骤四：启动模拟数字转换器进行采样数据，数字信号处理器的核心通过数据总线实时读取模拟数字转换器采样之后的数据；
步骤五：数字信号处理器根据模拟数字转换器采样数据的峰峰值大小自动调整可编程增益放大器的放大倍数，实现量程的自动切换；
步骤六：完成可编程增益放大器增益调节之后，数字信号处理器继续实时读取模拟数字转换器采样数据，完成1024次采样之后进行1024点的快速傅立叶变换运算；
步骤七：经过快速傅立叶变换运算之后得到512组复数分别对应不同频率的信号，提取其中对应正弦波数字信号频率的采样信号数据；
步骤八：数字信号处理器同时采样信号发生器输出的正弦波数字信号的原始数据并且跟模拟数字转换器采样保持同步，同样将采集到的数据进行快速傅立叶变换运算得到对应正弦波数字信号频率的数据；
步骤九：数字信号处理器计算信号发生器输出的正弦波数字信号于采样返回信号之间的相位差，再根据信号回路中存在的已测定相位延迟进行矫正，然后通过复数运算计算出复阻抗并取其实部；
步骤十：在数字信号处理器上利用计算到的数据进行数据表查表，得到电导率数据，然后通过通用异步收发器的接口进行输出，其中，数据表为通过实验测定的数据表格；
步骤十一：重复以上步骤，持续测定电导率。
本实施例中，数字模拟转换器的精度为10bit，转换率为2Mbps，它可以保证0-100KHz信号的准确输出转换。
本实施例中，精密电阻的精度大于0.5%，温漂小于50ppm。
本实施例中，输出电容采用1uF/2000V高压瓷片将探针与内部电路隔离开。
本发明采用信号发生器作为信号激励源，输出信号精度高，幅值可调节，可根据不同的土壤类型调节不同的激励信号频率；采用可编程增益放大器实现自动增益调节，扩展了测量范围提高了测量精度；采用高速模拟数字转换器实时采样并配合算法可以实现复阻抗的测量，排除了容性效应对电导率测量的影响，提高了测量精度。
以上所述仅是本发明专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明专利原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明专利的保护范围。
Claims (6)
1.一种高精度土壤电导率测量装置，其特征在于：包括信号发生器、数字模拟转换器、缓冲器、精密电阻、输出电容、测量探针、差分运算放大器、可编程增益放大器、低通滤波器、模拟数字转换器、数字信号处理器和通用异步收发器，所述信号发生器用于产生高精度激励信号并将高精度激励信号传输至所述数字模拟转换器，所述数字模拟转换器用于将信号发生器产生的高精度激励信号转换为模拟信号输出，所述缓冲器用于对从数字模拟转换器输出的模拟信号进行缓冲后再依次通过精密电阻、输出电容后连接到测量探针上，所述差分运算放大器用于采集精密电阻两端的差分电压信号并将其转换为单端信号，所述可编程增益放大器用于对差分运算放大器传输的单端信号进行增益调节，所述低通滤波器用于将经过可编程增益放大器调节之后的信号进行滤波，将信号回路中存在的高频干扰噪声过滤掉，所述模拟数字转换器用于将经低通滤波器滤波后的信号转换为数字信号，所述数字信号处理器用于对模拟数字转换器传输的数字信号进行处理得到实数部分然后将实数部分对应的阻抗转换为电导率值并通过所述通用异步收发器进行输出，所述数字信号处理器也用于采样信号发生器输出的原始信号数据以及调整可编程增益放大器的放大倍数。
2.根据权利要求1所述的一种高精度土壤电导率测量装置，其特征在于，所述数字模拟转换器的精度为10bit，转换率为2Mbps。
3.根据权利要求1所述的一种高精度土壤电导率测量装置，其特征在于，所述精密电阻的精度大于0.5%，温漂小于50ppm。
4.根据权利要求1所述的一种高精度土壤电导率测量装置，其特征在于，所述输出电容采用1uF/2000V高压瓷片将探针与内部电路隔离开。
5.根据权利要求1所述的一种高精度土壤电导率测量装置，其特征在于，所述模拟数字转换器的采样频率为信号发生器产生的高精度激励信号输出频率的2的n次方倍，其中n为大于0的整数。
6.基于权利要求1所述的一种高精度土壤电导率测量装置的测量方法，其特征在于，所述电导率测量方法包括如下步骤：
步骤一：将信号发生器的输出设定为峰峰值200mV，频率100KHz的正弦波数字信号，然后通过数字模拟转换器将这些信号转换为模拟信号；
步骤二：将可编程增益放大器的增益设定为最小增益，此时从差分运放放大器输出的信号不经过放大而直接进入到低通滤波器中；
步骤三：将模拟数字转换器的采样率设定为信号发生器的输出频率的8倍，即800KHz；
步骤四：启动模拟数字转换器进行采样数据，数字信号处理器的核心通过数据总线实时读取模拟数字转换器采样之后的数据；
步骤五：数字信号处理器根据模拟数字转换器采样数据的峰峰值大小自动调整可编程增益放大器的放大倍数，实现量程的自动切换；
步骤六：完成可编程增益放大器增益调节之后，数字信号处理器继续实时读取模拟数字转换器采样数据，完成1024次采样之后进行1024点的快速傅立叶变换运算；
步骤七：经过快速傅立叶变换运算之后得到512组复数分别对应不同频率的信号，提取其中对应正弦波数字信号频率的采样信号数据；
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步骤九：数字信号处理器计算信号发生器输出的正弦波数字信号于采样返回信号之间的相位差，再根据信号回路中存在的已测定相位延迟进行矫正，然后通过复数运算计算出复阻抗并取其实部；
步骤十：在数字信号处理器上利用计算到的数据进行数据表查表，得到电导率数据，然后通过通用异步收发器的接口进行输出，其中，数据表为通过实验测定的数据表格；
步骤十一：重复以上步骤，持续测定电导率。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011601085.0A CN112649476A (zh) | 2020-12-30 | 2020-12-30 | 一种高精度土壤电导率测量装置及其测量方法 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112858393A (zh) * | 2021-04-25 | 2021-05-28 | 湖南大学 | 一种基于频率步进原理的tdr测试电导率方法 |
| CN114646798A (zh) * | 2022-05-24 | 2022-06-21 | 青岛鼎信通讯股份有限公司 | 一种应用于中压载波的电流采样电路及方法 |
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2020
- 2020-12-30 CN CN202011601085.0A patent/CN112649476A/zh active Pending
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