CN116930275A - 一种微塑料颗粒下土壤水分盐分浓度监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微塑料颗粒下土壤水分盐分浓度监测装置，包括传感器探头、信号激励源、信号处理电路和微控制器，所述信号处理电路包括峰值检波器、差分放大器和双二阶降噪调节模块，所述双二阶降噪调节模块包括低通‑陷波回转单元和幅值稳定单元，通过设计双二阶降噪调节模块对差分放大器的输出信号进行处理，在测量过程中针对外部干扰源进行消除，提升采集信号幅值的放大线性度，进而提升测量装置的测量精度，使监测装置能够精确反映出土壤介电常数的测量的真实数据，为分析微塑料颗粒下对土壤水分盐分特征提供可靠的数据基础。
Description
技术领域
本发明涉及土壤参数监测技术领域，特别是涉及一种微塑料颗粒下土壤水分盐分浓度监测装置。
背景技术
大块塑料经紫外线照射、碰撞磨损或工业生产等方式，形成粒径小于5mm的颗粒被称为微塑料，土壤中塑料逐年积累，污染土壤生态环境，导致土壤质量下降。为了分析微塑料颗粒下对土壤水分盐分特征的影响，目前的分析方式主要通过测量传感器对土壤的介质特性，介电常数的大小和土壤水分中含盐量的大小有直接的关系。
现有的土壤介电常数的测量系统主要由测量传感器、信号激励源、两个检波器和差分放大器构成，例如申请号为200810167344.6的中国发明专利公开了一种土壤水分测量传感器，土壤水分传感器通过高频信号源发出高频信号,由检波电路将介电常数的变化转换为直流电压输出，差动放大电路将两路直流电压信号之间的幅值差进行运算输出；该技术方案通过差动放大器将两路模拟信号进行放大，由于测量过程中采集信号在传输线中的衰减很容易引入大量有害噪声，且信号放大线性度不好，很容易导致测量结果误差较大。而申请号为201810585359.8的中国发明专利公开了一种土壤水分测量传感器及系统，包括高频信号源、感知单元、信号检测电路、检波电路及A/D转换电路，该技术方案采用A/D转换器将两路模拟信号转换成数字电压，以避免仪表放大电路产生的非线性失真；虽然该技术方案可以提升测量数据的处理效率，但是采用A/D转换电路并无法消除采集信号在传输线中的干扰量，因此在模数转换过程中会存在干扰电压影响测量数据的准确性，因此不能精确反映出土壤介电常数的测量的真实数据。
所以本发明提供一种新的方案来解决此问题。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的在于提供一种微塑料颗粒下土壤水分盐分浓度监测装置。
其解决的技术方案是：一种微塑料颗粒下土壤水分盐分浓度监测装置，包括传感器探头、信号激励源、信号处理电路和微控制器，所述信号处理电路包括峰值检波器、差分放大器和双二阶降噪调节模块，所述差分放大器用于将所述峰值检波器输出信号的幅值进行差分放大，并将放大后的信号送入所述双二阶降噪调节模块中进行处理；所述双二阶降噪调节模块包括低通-陷波回转单元和幅值稳定单元，所述低通-陷波回转单元包括运放器U5和运放器U6，运放器U5的同相输入端通过RC低通网络连接所述差分放大器的输出端，运放器U5的负反馈回路中设置有RC陷波网络；运放器U6用于对运放器U5的输出信号进行回转，并通过驱动缓冲调节组件来对双RC网络滤波过程进行反馈补偿调节；所述幅值稳定单元将所述低通-陷波回转单元的输出信号的幅值进行放大与稳定后输出至所述微控制器中。
作为本发明的一种优选技术方案，所述差分放大器包括运放器U1、运放器U2和运放器U3，运放器U1和运放器U2的同相输入端分别连接所述峰值检波器的输出端，运放器U1的反相输入端与输出端通过电阻R1连接运放器U3的同相输入端，运放器U2的反相输入端与输出端通过电阻R2连接运放器U3的反相输入端和电阻R3的一端，电阻R3的另一端接地，运放器U3的输出端连接所述低通-陷波回转单元的输入端。
作为本发明的一种优选技术方案，所述差分放大器还包括自稳定调节组件，所述自稳定调节组件包括运放器U4，运放器U4的反相输入端连接运放器U3的输出端，并通过并联的电阻R4与电容C1连接三极管VT1的发射极，运放器U4的同相输入端接地，运放器U4的输出端连接三极管VT1的基极，三极管VT1的集电极通过电阻R5连接运放器U3的同相输入端。
作为本发明的一种优选技术方案，所述RC低通网络包括电阻R6、R7和电容C2、C3，电阻R6的一端连接所述差分放大器的输出端，电阻R6的另一端通过电容C2连接所述缓冲调节组件的反馈端，并通过电阻R7连接电容C3的一端和运放器U5的同相输入端，电容C3的另一端接地。
作为本发明的一种优选技术方案，所述RC陷波网络包括电阻R11、R12和电容C6、C7，电阻R11和电容C6的一端连接运放器U5的反相输入端，电阻R11的另一端连接电阻R12和电容C7的一端，电容C7的另一端接地，电阻R12和电容C6的另一端通过电阻R10连接运放器U5的输出端，并通过电容C8连接运放器U6的同相输入端，运放器U6的反相输入端与输出端连接所述缓冲调节组件的输入端。
作为本发明的一种优选技术方案，所述缓冲调节组件包括三极管VT2，三极管VT2的集电极连接电容C2的另一端，并通过电容C4连接三极管VT2的基极和电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接运放器U6的输出端和二极管D1的阴极，二极管D1的阳极接地，三极管VT2的发射极通过并联的电阻R9与电容C5接地。
作为本发明的一种优选技术方案，所述幅值稳定单元包括运放器U7，运放器U7的反相输入端连接电阻R12的另一端，运放器U7的同相输入端通电阻R16接地，运放器U7的输出端通过二极管D2连接三极管VT3的发射极和MOS管Q1的栅极，并通过并联的电阻R17与电容C10连接三极管VT3的基极MOS管Q1的漏极通电阻R19连接+5V电源，MOS管Q1的源极与三极管VT2的集电极连接电阻R18、R20、电容C11的一端和所述微控制器，电阻R18的另一端连接电位器RP2的滑动端和运放器U6的同相输入端，电位器RP2的另一端接地，电阻R20与电容C11的另一端并联接地。
作为本发明的一种优选技术方案，所述运放器U5的反相输入端还设置有调零电路，所述调零电路包括电位器RP1，电位器RP1的一端连接-5V电源和稳压二极管DZ1的阳极，电位器RP1的另一端通过电阻R14连接稳压二极管DZ1的阴极和电阻R15的一端，电位器RP1的滑动端通过电阻R13连接运放器U5的反相输入端，电阻R15的另一端连接+5V电源，并通过电容C9接地。
作为本发明的一种优选技术方案，所述传感器探头选用HJ16-TDR-3型土壤水分传感器。
作为本发明的一种优选技术方案，所述微控制器选用STM32型单片机。
通过以上技术方案，本发明的有益效果为：
1.本发明通过设计双二阶降噪调节模块对差分放大器的输出信号进行处理，利用低通-陷波回转单元可以有效滤除外部高频环境噪声和传输电磁噪声干扰，并通过驱动缓冲调节组件来对双RC网络滤波过程进行反馈补偿调节，确保测量信号的有效输出，幅值稳定单元将衰减后的信号幅值快速提升，并通过稳定调节使测量信号输出更加精准；
2.为了防止差分放大过程中信号幅值出现失调，在差分放大器上还设置有自稳定调节组件进行持续稳定进行反馈调节，有效提升差分放大器输出信号幅值的稳定性；
3.在运放器U5的反相输入端设置调零电路，通过调零电路使运放器U5反相输入端的直流偏置电压为0，从而消除运放器件本身的误差，提高信号幅值放大的线性度；
4.本发明通过传感器探头来测量土壤的介电常数，以此反映土壤中的水分盐分浓度，并在测量过程中针对外部干扰源进行消除，提升采集信号幅值的放大线性度，进而提升测量装置的测量精度，使监测装置能够精确反映出土壤介电常数的测量的真实数据，为分析微塑料颗粒下对土壤水分盐分特征提供可靠的数据基础。
附图说明
图1为本发明的系统模块结构图。
图2为本发明差分放大器的电路原理图。
图3为本发明双二阶降噪调节模块的电路原理图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图1至附图3对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书附图为参考。
下面将参照附图描述本发明的各示例性的实施例。
如图1所示，一种微塑料颗粒下土壤水分盐分浓度监测装置，包括传感器探头、信号激励源、信号处理电路和微控制器，其中，传感器探头在信号激励源的作用下，由于其探针与土壤中组成的阻抗系统的水含量不同，导致采集到的电信号发生不同程度的变化，这种变化是由于土壤水含量的变化对土壤在电场作用下极化强度起的，以至于直接对土壤的介电常数造成明显的影响，本实施例的传感器探头选用HJ16-TDR-3型土壤水分传感器，可以将土壤介电常数转换成4-20mA的电信号输出；
信号处理电路包括峰值检波器、差分放大器和双二阶降噪调节模块，峰值检波器用于获取传感器探头的输出信号峰值幅度，差分放大器用于将峰值检波器输出信号的幅值进行差分放大，并将放大后的信号送入双二阶降噪调节模块中进行处理。
在具体实施过程中，如图2所示，差分放大器的具体结构包括运放器U1、运放器U2和运放器U3，运放器U1和运放器U2的同相输入端分别连接所述峰值检波器的输出端，运放器U1的反相输入端与输出端通过电阻R1连接运放器U3的同相输入端，运放器U2的反相输入端与输出端通过电阻R2连接运放器U3的反相输入端和电阻R3的一端，电阻R3的另一端接地，运放器U3的输出端连接所述低通-陷波回转单元的输入端；其中，运放器U1和运放器U2分别用于对两个峰值检波器的输出信号幅值进行跟随放大，然后再送入运放器U3中获取两路信号的幅值差；
为了防止差分放大过程中信号幅值出现失调，在差分放大器上还设置有自稳定调节组件，自稳定调节组件包括运放器U4，运放器U4的反相输入端连接运放器U3的输出端，并通过并联的电阻R4与电容C1连接三极管VT1的发射极，运放器U4的同相输入端接地，运放器U4的输出端连接三极管VT1的基极，三极管VT1的集电极通过电阻R5连接运放器U3的同相输入端；其中，运放器U4对U3的差分放大过程进行反馈调节，同时在运放器U4的输出端设置三极管VT1来增强反馈深度，并利用相位补偿原理提升反馈信号的波形稳定性，保证三极管VT1的集电极可以持续稳定进行反馈调节，从而有效提升差分放大器输出信号幅值的稳定性。
由于电信号在传输线内的衰减以及外部干扰源的影响，差分放大器的输出信号幅值较弱且存在有害噪声，因此采用双二阶降噪调节模块对差分放大器的输出信号进行处理；如图3所示，双二阶降噪调节模块包括低通-陷波回转单元和幅值稳定单元，低通-陷波回转单元包括运放器U5和运放器U6，运放器U5的同相输入端通过RC低通网络连接差分放大器的输出端，运放器U5的负反馈回路中设置有RC陷波网络；运放器U6用于对运放器U5的输出信号进行回转，并通过驱动缓冲调节组件来对双RC网络滤波过程进行反馈补偿调节；幅值稳定单元将低通-陷波回转单元的输出信号的幅值进行放大与稳定后输出至所述微控制器中；
其中，RC低通网络包括电阻R6、R7和电容C2、C3，电阻R6的一端连接所述差分放大器的输出端，电阻R6的另一端通过电容C2连接所述缓冲调节组件的反馈端，并通过电阻R7连接电容C3的一端和运放器U5的同相输入端，电容C3的另一端接地；RC陷波网络包括电阻R11、R12和电容C6、C7，电阻R11和电容C6的一端连接运放器U5的反相输入端，电阻R11的另一端连接电阻R12和电容C7的一端，电容C7的另一端接地，电阻R12和电容C6的另一端通过电阻R10连接运放器U5的输出端，并通过电容C8连接运放器U6的同相输入端，运放器U6的反相输入端与输出端连接缓冲调节组件的输入端；
进一步的，缓冲调节组件包括三极管VT2，三极管VT2的集电极连接电容C2的另一端，并通过电容C4连接三极管VT2的基极和电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接运放器U6的输出端和二极管D1的阴极，二极管D1的阳极接地，三极管VT2的发射极通过并联的电阻R9与电容C5接地；
在低通-陷波回转单元工作过程中，RC低通网络与运放器U5构成低通滤波器对差分放大器输出信号进行低通降噪处理，可以有效滤除外部高频环境噪声对测量信号产生的干扰；同时，传输线中存在的电磁噪声也会严重影响测量信号的准确性，因此在运放器U5的负反馈回路中设置RC陷波网络来对特定频率的电磁噪声进行滤除，从而使有害噪声得到很好地抑制，保证测量信号能够准确输出；为了能使双二阶降噪网络工作更加稳定，采用运放器U6对运放器U5的输出信号进行回转，并通过驱动缓冲调节组件来对双RC网络滤波过程进行反馈补偿调节，其中运放器U6利用跟随器原理对运放器U6的输出信号进行采样回转，并将其输出信号反馈至三极管VT2的基极使其导通，三极管VT2作为调节管作用于双RC网络滤波过程，通过电阻R9与电容C5构成阻容缓冲器来降低三极管VT2发射极信号幅值波动，进而降低双RC网络滤波过程的波动量，确保测量信号的有效输出。
进一步的，运放器U5的反相输入端还设置有调零电路，调零电路包括电位器RP1，电位器RP1的一端连接-5V电源和稳压二极管DZ1的阳极，电位器RP1的另一端通过电阻R14连接稳压二极管DZ1的阴极和电阻R15的一端，电位器RP1的滑动端通过电阻R13连接运放器U5的反相输入端，电阻R15的另一端连接+5V电源，并通过电容C9接地；通过调零电路使运放器U5反相输入端的直流偏置电压为0，从而消除运放器件本身的误差，使运放器U5的输出信号幅值只受到输入信号的影响，提高信号幅值放大的线性度。
幅值稳定单元采用运放器U7与MOS管Q1对电信号幅值进一步增强处理，使其达到微处理器可识别范围，具体的，运放器U7的反相输入端连接电阻R12的另一端，运放器U7的同相输入端通电阻R16接地，运放器U7的输出端通过二极管D2连接三极管VT3的发射极和MOS管Q1的栅极，并通过并联的电阻R17与电容C10连接三极管VT3的基极MOS管Q1的漏极通电阻R19连接+5V电源，MOS管Q1的源极与三极管VT2的集电极连接电阻R18、R20、电容C11的一端和所述微控制器，电阻R18的另一端连接电位器RP2的滑动端和运放器U6的同相输入端，电位器RP2的另一端接地，电阻R20与电容C11的另一端并联接地；
在幅值稳定单元工作过程中，通过并联的电阻R17与电容C10对三极管VT3的基极导通信号进行稳定，从而提升三极管VT3的工作稳态，三极管VT3作为调节管对运放器U7的输出信号进行稳定调节，进而使MOS管Q1跟随放大输出的电信号幅值更加稳定，最后再通过RC滤波后送入微控制器中，完成对电信号幅值的放大降噪调节；具体的，微控制器选用STM32型单片机，通过STM32型单片机自带的A/D转换电路将调理后的电信号幅值转换成数字量进行读取，实现对土壤介电常数的精准测量。
综上所述，本发明通过传感器探头来测量土壤的介电常数，以此反映土壤中的水分盐分浓度，为了提升测量装置的测量精度，首先在差分放大器上设置有稳定调节组件来防止信号幅值出现失调，提升差分放大器输出信号幅值的稳定性；其次，由于电信号在传输线内的衰减以及外部干扰源的影响，差分放大器的输出信号幅值较弱且存在有害噪声，因此设计双二阶降噪调节模块对差分放大器的输出信号进行处理，其中低通-陷波回转单元可以有效滤除外部高频环境噪声和传输电磁噪声干扰，并通过驱动缓冲调节组件来对双RC网络滤波过程进行反馈补偿调节，确保测量信号的有效输出，幅值稳定单元将衰减后的信号幅值快速提升，并通过稳定调节使测量信号输出更加精准，从而使监测装置能够精确反映出土壤介电常数的测量的真实数据，为分析微塑料颗粒下对土壤水分盐分特征提供可靠的数据基础。
以上所述是结合具体实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施仅局限于此；对于本发明所属及相关技术领域的技术人员来说，在基于本发明技术方案思路前提下，所作的拓展以及操作方法、数据的替换，都应当落在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微塑料颗粒下土壤水分盐分浓度监测装置，包括传感器探头、信号激励源、信号处理电路和微控制器，其特征在于：所述信号处理电路包括峰值检波器、差分放大器和双二阶降噪调节模块，所述差分放大器用于将所述峰值检波器输出信号的幅值进行差分放大，并将放大后的信号送入所述双二阶降噪调节模块中进行处理；
所述双二阶降噪调节模块包括低通-陷波回转单元和幅值稳定单元，所述低通-陷波回转单元包括运放器U5和运放器U6，运放器U5的同相输入端通过RC低通网络连接所述差分放大器的输出端，运放器U5的负反馈回路中设置有RC陷波网络；运放器U6用于对运放器U5的输出信号进行回转，并通过驱动缓冲调节组件来对双RC网络滤波过程进行反馈补偿调节；所述幅值稳定单元将所述低通-陷波回转单元的输出信号的幅值进行放大与稳定后输出至所述微控制器中。
2.根据权利要求1所述一种微塑料颗粒下土壤水分盐分浓度监测装置，其特征在于：所述差分放大器包括运放器U1、运放器U2和运放器U3，运放器U1和运放器U2的同相输入端分别连接所述峰值检波器的输出端，运放器U1的反相输入端与输出端通过电阻R1连接运放器U3的同相输入端，运放器U2的反相输入端与输出端通过电阻R2连接运放器U3的反相输入端和电阻R3的一端，电阻R3的另一端接地，运放器U3的输出端连接所述低通-陷波回转单元的输入端。
3.根据权利要求2所述一种微塑料颗粒下土壤水分盐分浓度监测装置，其特征在于：所述差分放大器还包括自稳定调节组件，所述自稳定调节组件包括运放器U4，运放器U4的反相输入端连接运放器U3的输出端，并通过并联的电阻R4与电容C1连接三极管VT1的发射极，运放器U4的同相输入端接地，运放器U4的输出端连接三极管VT1的基极，三极管VT1的集电极通过电阻R5连接运放器U3的同相输入端。
4.根据权利要求1所述一种微塑料颗粒下土壤水分盐分浓度监测装置，其特征在于：所述RC低通网络包括电阻R6、R7和电容C2、C3，电阻R6的一端连接所述差分放大器的输出端，电阻R6的另一端通过电容C2连接所述缓冲调节组件的反馈端，并通过电阻R7连接电容C3的一端和运放器U5的同相输入端，电容C3的另一端接地。
5.根据权利要求4所述一种微塑料颗粒下土壤水分盐分浓度监测装置，其特征在于：所述RC陷波网络包括电阻R11、R12和电容C6、C7，电阻R11和电容C6的一端连接运放器U5的反相输入端，电阻R11的另一端连接电阻R12和电容C7的一端，电容C7的另一端接地，电阻R12和电容C6的另一端通过电阻R10连接运放器U5的输出端，并通过电容C8连接运放器U6的同相输入端，运放器U6的反相输入端与输出端连接所述缓冲调节组件的输入端。
6.根据权利要求5所述一种微塑料颗粒下土壤水分盐分浓度监测装置，其特征在于：所述缓冲调节组件包括三极管VT2，三极管VT2的集电极连接电容C2的另一端，并通过电容C4连接三极管VT2的基极和电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接运放器U6的输出端和二极管D1的阴极，二极管D1的阳极接地，三极管VT2的发射极通过并联的电阻R9与电容C5接地。
7.根据权利要求6所述一种微塑料颗粒下土壤水分盐分浓度监测装置，其特征在于：所述幅值稳定单元包括运放器U7，运放器U7的反相输入端连接电阻R12的另一端，运放器U7的同相输入端通电阻R16接地，运放器U7的输出端通过二极管D2连接三极管VT3的发射极和MOS管Q1的栅极，并通过并联的电阻R17与电容C10连接三极管VT3的基极MOS管Q1的漏极通电阻R19连接+5V电源，MOS管Q1的源极与三极管VT2的集电极连接电阻R18、R20、电容C11的一端和所述微控制器，电阻R18的另一端连接电位器RP2的滑动端和运放器U6的同相输入端，电位器RP2的另一端接地，电阻R20与电容C11的另一端并联接地。
8.根据权利要求6所述一种微塑料颗粒下土壤水分盐分浓度监测装置，其特征在于：所述运放器U5的反相输入端还设置有调零电路，所述调零电路包括电位器RP1，电位器RP1的一端连接-5V电源和稳压二极管DZ1的阳极，电位器RP1的另一端通过电阻R14连接稳压二极管DZ1的阴极和电阻R15的一端，电位器RP1的滑动端通过电阻R13连接运放器U5的反相输入端，电阻R15的另一端连接+5V电源，并通过电容C9接地。
9.根据权利要求1所述一种微塑料颗粒下土壤水分盐分浓度监测装置，其特征在于：所述传感器探头选用HJ16-TDR-3型土壤水分传感器。
10.根据权利要求1所述一种微塑料颗粒下土壤水分盐分浓度监测装置，其特征在于：所述微控制器选用STM32型单片机。
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| CN202310953706.9A CN116930275A (zh) | 2023-07-28 | 2023-07-28 | 一种微塑料颗粒下土壤水分盐分浓度监测装置 |
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| CN116930275A true CN116930275A (zh) | 2023-10-24 |
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| CN (1) | CN116930275A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117530698B (zh) * | 2024-01-05 | 2024-03-22 | 深圳市双佳医疗科技有限公司 | 一种基于人工智能的生理信号采集处理系统 |
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2023
- 2023-07-28 CN CN202310953706.9A patent/CN116930275A/zh active Pending
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