CN116858927A - 一种土壤湿度感应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土壤湿度感应器，包括激励探头、响应探头和感应网孔腔，激励探头和响应探头都封装在所述的激励壳体内，激励探头包括传输凸板、可调脉冲激励头、转换电路、固周期振荡器；响应探头包括感应凸板、功率接收头、功率感应电路及采集输出电路；激励探头通过感应网孔腔与响应探头固定连接，传输凸板和感应凸板为传能金属板，传输凸板与可调脉冲激励头相连接，感应凸板与功率接收头相连接，转换电路的输出端连接到可调脉冲激励头的输入端，固周期振荡器通过直流电源加载有直流电压，功率接收头的声能输出端连接到功率感应电路的输入端，功率感应电路的电压输出端连接到采集输出电路的模拟‑数字采集接口。本发明采用非接触模式检测土壤内部湿度，具有不易受空气杂质污染、寿命长、检测稳定性高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种小型智能传感器，尤其涉及一种土壤湿度感应器。
背景技术
目前传统的湿度传感器主要采用湿敏电阻或者湿敏电容，不同湿度数值的空气接触到湿敏电阻或湿敏电容，能够对应改变电阻或电容的数值，进而实现对空气湿度的检测，但是这种检测方式都是采用与空气接触感应的方式，很容易受到含有杂质的空气的污染，尤其是在土壤空气湿度的检测过程中，并且杂质长期粘合在检测介质上会改变介质的电气特性，既影响使用寿命，也会影响检测精度和稳定性，如果处于冰点环境或者露点环境状态，此种接触式湿度检测方式的精度和灵敏度会受到很大的影响，同时由于此类湿度传感器必须和大气中的水汽相接触，不能密封，此种状态又增加了对传感器的稳定性和寿命的不利影响。
发明内容
本发明的目的：提供一种通过高频声能信号的衰减比例来对应关联空气中的湿度比例数值的土壤湿度感应器，可以实现设备防污染、降低空气杂质影响和提升检测稳定性及设备寿命。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种土壤湿度感应器，包括激励探头、响应探头和感应网孔腔，所述的激励探头和响应探头都封装在所述的激励壳体内，所述的激励探头包括传输凸板、可调脉冲激励头、转换电路、固周期振荡器；所述的响应探头包括感应凸板、功率接收头、功率感应电路及采集输出电路；所述的激励探头通过感应网孔腔与响应探头固定连接，所述的传输凸板和感应凸板为传能金属板，传输凸板与可调脉冲激励头相连接，感应凸板与功率接收头相连接，所述的转换电路的输出端连接到可调脉冲激励头的输入端，所述的固周期振荡器通过直流电源加载有直流电压，所述的功率接收头的声能输出端连接到功率感应电路的输入端，所述的功率感应电路的电压输出端连接到采集输出电路的模拟-数字采集接口。
上述的土壤湿度感应器，其中，所述的可调脉冲激励头和功率接收头采用了硬质镍金属传能片，所述的硬质镍金属传能片紧密排列，外部采用陶瓷片封装，陶瓷片内表面封装有不锈钢金属屏蔽片。
上述的土壤湿度感应器，其中，所述的转换电路包括了电压-频能转换芯片、增益器及压电接头，所述的电压-频能转换芯片采用了V/F转换器芯片AD650，所述的增益器采用了微型封装电压增益芯片OP42，所述的压电接头采用了声能压电陶瓷片。
上述的土壤湿度感应器，其中，所述的固周期振荡器采用了有源贴片晶体振荡器。
上述的土壤湿度感应器，其中，所述的功率感应电路包括了压电感应器和声能电压输出电路，所述的压电感应器采用了压电换能陶瓷片，所述的声能电压输出电路采用了频能-电压转换芯片AD650。
上述的土壤湿度感应器，其中，所述的采集输出电路采用了国产集成模拟采样功能的微控制芯片CMT2380F17。
本发明通过产生固定频率的声能信号，并通过空气中不同的水汽湿度比例对声能信号造成的衰减影响，在采集端检测确定出声能的衰减数值，从而检测出土壤空气中的湿度数值。本发明具有不易受空气杂质污染、寿命长、检测稳定性高等优点。
附图说明
图1是本发明一种土壤湿度感应器的剖面结构示意图。
图2是本发明一种土壤湿度感应器的电子部件连接原理图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明的实施例。
请参见附图1和附图2所示，一种土壤湿度感应器，包括激励探头1、响应探头2和感应网孔腔3，所述的激励探头1和响应探头2都封装在所述的激励壳体8内，所述的激励探头1包括传输凸板4、可调脉冲激励头5、转换电路6、固周期振荡器7；所述的响应探头2包括感应凸板9、功率接收头10、功率感应电路11及采集输出电路12；所述的激励探头1通过感应网孔腔3与响应探头2固定连接，所述的传输凸板4和感应凸板9为传能金属板，传输凸板4与可调脉冲激励头5相连接，感应凸板9与功率接收头10相连接，所述的转换电路6的输出端连接到可调脉冲激励头5的输入端，所述的固周期振荡器7通过直流电源21加载有直流电压，所述的功率接收头10的声能输出端连接到功率感应电路11的输入端，所述的功率感应电路11的电压输出端连接到采集输出电路12的模拟-数字采集接口。
所述的感应网孔腔3外部采用细密网孔结构，能够使内部空气腔与土壤之间进行空气交换，同时又能够防止土壤颗粒进入感应网孔腔3造成对设备湿度检测的影响，所述的传输凸板4和感应凸板9设置在感应网孔腔3内部两端，所述的传输凸板4和感应凸板9为硬质金属声能传输板，前端有金属凸起，传输凸板4的金属凸起能够便于声能信号的发射，感应凸板9的金属凸起能够便于声能信号的感应接收。所述的传输凸板4和感应凸板9为封闭式的硬质金属声能传输板，能够防止土壤内部空气以及感应网孔腔3内部空气与设备内部部件发生接触而造成水汽侵袭以及杂质、粉尘污染。
所述的可调脉冲激励头5和功率接收头10采用了硬质镍金属传能片13，所述的硬质镍金属传能片13紧密排列，外部采用陶瓷片14封装，陶瓷片内表面封装有不锈钢金属屏蔽片15。所述的可调脉冲激励头5设置在传输凸板4后端，当可调脉冲激励头5振动产生固定频率的声能波时，声能波信号能够激发传输凸板4，将声能信号传输到感应凸板9，感应凸板9能够感应声能信号并同步接收声能信号并传输到后端的功率接收头10。
所述的转换电路6包括了电压-频能转换芯片16、增益器17及压电接头18，所述的电压-频能转换芯片16采用了V/F转换器芯片AD650，所述的增益器17采用了微型封装电压增益芯片OP42，所述的压电接头18采用了声能压电陶瓷片。所述的固周期振荡器7加载直流电压后能够产生固定频率的振荡电压信号，振荡电压信号激励能量较小，因此需要输入到后端的增益器17进行振荡电压增益，增益后的振荡电压信号输入到电压-频能转换芯片16，通过电压-频能转换芯片16将振荡电压信号转换成波动频能信号，由于压电接头18是一种声能压电陶瓷片，当波动频能信号加载到压电接头18两端时，压电接头18会产生匹配频率的机械振动声能信号，高频振动的声能信号进一步加载到可调脉冲激励头5上的紧密排列的硬质镍金属传能片13上，能够将声能信号进行竖直方向上的扩散，以便于扩大声能信号的传输宽度范围。由于声能传输具有多向性，为了减少声能的衰减，外部封装的陶瓷片14内表面的不锈钢金属屏蔽片15能够减少声能向竖直方向的传输损失，而使大部分的声能信号沿水平方向向传输凸板4的方向输出。所述的镍金属传能片13采用竖向紧密排列的硬质镍金属传能片13结构，当声能信号加载到硬质镍金属传能片13上时，整个硬质镍金属传能片13会形成竖向一定范围宽度的声能信号，并透过传输凸板4和感应凸板9传输到功率接收头10。所述的感应网孔腔3通过外部细密网孔与土壤之间进行空气交换，因此感应网孔腔3内部的空气湿度对应了土壤环境的空气湿度，空气中水汽密度越大，水汽对声能信号的吸收越多，因此造成声能波信号的衰减就越大，相反，越是干燥的空气，声能信号的衰减越小，因此空气中不同的湿度比例，会对声能信号造成对应比例的衰减，湿度越大，衰减越大，因此通过检测声能信号衰减的比例数值，就能够对应检测出土壤中的空气湿度数值。
所述的功率感应电路11包括了压电感应器19和声能电压输出电路20，所述的压电感应器19采用了压电换能陶瓷片，所述的声能电压输出电路20采用了频能-电压转换芯片AD650。
当衰减后的声能信号传输到功率接收头10后，会使功率接收头10上紧密排列的硬质镍金属传能片13产生对应频率的振动，从而使硬质镍金属传能片13吸收整个声能信号，硬质镍金属传能片13将声能信号关联的高频振动信号加载到压电感应器19上时，会使压电感应器19两端的电极上输出对应关联的波动频能信号，波动频能信号输入到声能电压输出电路20后会对应转换成相关联的模拟电压信号，因此当前输出的模拟电压信号就对应关联了经过当前土壤湿度空气而发生衰减后的声能信号。
所述的采集输出电路12采用了国产集成模拟采样功能的微控制芯片CMT2380F17。所述的采集输出电路12通过模拟-数字采集接口采集接收声能电压输出电路20输出的模拟电压信号并对应转换成数字电压信号，不同数值的数字电压信号对应关联了经过不同土壤湿度空气衰减后的声能信号。输出的数字电压信号数值与衰减后的声能信号的标定方法，实验室封闭环境下，将感应网孔腔3中通入湿度下限数值的空气，此时通过采集输出电路12采集转换对应的数字电压信号作为量程下限数值，同步地，将湿度上限数值的空气通入感应网孔腔3，此时通过采集输出电路12采集转换对应的数字电压信号数值作为量程上限数值，然后将两种状态下的数字电压信号数值设定为本设备的湿度检测量程，当整个设备布置到土壤中时，采集输出电路12采集的实际数字电压信号数值与湿度检测量程进行比例换算，就能够实际检测出当前土壤环境空气中的湿度数值。由于采集输出电路12集成了无线射频传输电路，因此整个设备能够通过无线射频传输方式将土壤湿度数值无线发送到采集控制终端，而无需外加连接电缆，因此使用便捷，操作方便，成本低。
所述的感应网孔腔3与激励探头1和响应探头2之前采用螺纹连接，由于设备的长期使用会使空气中体积细小的粉尘堆积在传输凸板4和感应凸板9上，从而对湿度的检测精度造成影响，本发明可以方便的实现螺纹拆卸并进行传输凸板4和感应凸板9的清洁，因此能够有效避免土壤空气中的细密粉尘造成对设备检测精度和稳定性的不良影响。
综上所述，本发明采用了无线方式传输的声能信号的衰减比例来检测空气中的湿度数值，避免了设备部件与空气的直接接触，具有不易受粉尘泥土污染、检测精度高，稳定性好，设备使用寿命长等优点。
Claims (5)
1.一种土壤湿度感应器，其特征在于：包括激励探头（1）、响应探头（2）和感应网孔腔（3），所述的激励探头（1）和响应探头（2）都封装在所述的激励壳体（8）内，所述的激励探头（1）包括传输凸板（4）、可调脉冲激励头（5）、转换电路（6）、固周期振荡器（7）；所述的响应探头（2）包括感应凸板（9）、功率接收头（10）、功率感应电路（11）及采集输出电路（12）；所述的激励探头（1）通过感应网孔腔（3）与响应探头（2）固定连接，所述的传输凸板（4）和感应凸板（9）为传能金属板，传输凸板（4）与可调脉冲激励头（5）相连接，感应凸板（9）与功率接收头（10）相连接，所述的转换电路（6）的输出端连接到可调脉冲激励头（5）的输入端，所述的固周期振荡器（7）通过直流电源（21）加载有直流电压，所述的功率接收头（10）的声能输出端连接到功率感应电路（11）的输入端，所述的功率感应电路（11）的电压输出端连接到采集输出电路（12）的模拟-数字采集接口。
2.根据权利要求1所述的土壤湿度感应器，其特征在于：所述的可调脉冲激励头（5）和功率接收头（10）采用了硬质镍金属传能片（13），所述的硬质镍金属传能片（13）紧密排列，外部采用陶瓷片（14）封装，陶瓷片内表面封装有不锈钢金属屏蔽片（15）。
3.根据权利要求1所述的土壤湿度感应器，其特征在于：所述的转换电路（6）包括了电压-频能转换芯片（16）、增益器（17）及压电接头（18），所述的电压-频能转换芯片（16）采用了V/F转换器芯片AD650，所述的增益器（17）采用了微型封装电压增益芯片OP42，所述的压电接头（18）采用了声能压电陶瓷片。
4.根据权利要求1所述的土壤湿度感应器，其特征在于：所述的功率感应电路（11）包括了压电感应器（19）和声能电压输出电路（20），所述的压电感应器（19）采用了压电换能陶瓷片，所述的声能电压输出电路（20）采用了频能-电压转换芯片AD650。
5.根据权利要求1所述的土壤湿度感应器，其特征在于：所述的采集输出电路（12）采用了国产集成模拟采样功能的微控制芯片CMT2380F17。
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