CN202075261U - 一种介频式土壤水分传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种介频式土壤水分传感器，属于土壤水分测量技术领域，其技术要点包括壳体，在壳体上设有左探针和右探针，其中所述的左探针依序电连接有稳幅电路和振荡电路；所述的右探针依序电连接有C/V转换电路和V/F转换电路；所述的稳幅电路和C/V转换电路之间通过左、右探针形成的电容连接；所述的V/F转换电路与外部设备通过输出电缆连接；本实用新型旨在提供一种可将土壤含水率信息以频率信号的形式输出，无需使用ADC模数转换电路，在传输过程中不易受外界干扰的介频式土壤水分传感器；用于测量土壤水分。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种土壤水分传感器，更具体地说，尤其涉及一种介频式土壤水分传感器。
背景技术
土壤水分是一切农作物正常生长的基本条件，在农业生产中，精准灌溉要求长期监测和及时获取农田土壤水分空进分布信息，这就需要在田间安装土壤水分传感器。
当前较为成熟的农田土壤水分测量方法有时域反射法(TDR)、频域反射法(FDR)以及驻波率法(SWR)，但是目前它们在应用和推广方面各自都有其不足之处：
中国专利ZL200520005689.3(公告号CN2854589，公告日2007年01月03日)公开了一种基于边缘效应以电容法测量水分含量的一种土壤水分测量传感器，可以比较有效地测量不同深度土壤水分的含量。
中国专利ZL200510089007.6(公告号CN1719245，公告日2006年01月11日)公开了一种同步实时测量土壤水分如电导率的方法及传感器，该发明专利是基于介电理论和频域分析方法的，采用多频率导纳分解法直接测量探针的导纳，分解探针导纳的实部和虚部，通过探针导纳的实部与电损耗的关系得出介质电导率，探针导纳的虚部与介电常数的关系得出介质含水率。
中国专利ZL00233573.5(公告号CN2422643，公告日2001年02月17日)公开了一种新型土壤水分测量传感器，该实用新型实用高频振荡器产生高频信号激励中心探针及与同轴电缆传输线的屏蔽层相连接的外围探针，再通过检波电路来测量土壤水分。
中国专利ZL03206297.4(公告号CN2641646，公告日2004年09月15日)公开了一种基于介电方法的土壤含水率检测装置，该装置消除了因振荡幅度和输出电阻的不一致而造成的误差，性能比较稳定。
上述专利所使用的技术都涉及到高速信号处理电路和土壤介电常数，要得到土壤水分的数字信号还必须使用ADC采集电路，硬件电路复杂，不适合在农业生产中大量推广使用。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对现有土壤水分测量技术之不足，提供一种将土壤含水率信息以频率信号的形式输出，无需使用ADC模数转换电路，在传输过程中不易受外界干扰的介频式土壤水分传感器。
本实用新型的技术方案是这样实现的：一种介频式土壤水分传感器，包括壳体，在壳体 上设有左探针和右探针，其中所述的左探针依序电连接有稳幅电路和振荡电路；所述的右探针依序电连接有C/V转换电路和V/F转换电路；所述的稳幅电路和C/V转换电路之间通过左、右探针形成的电容连接；所述的V/F转换电路与外部设备通过输出电缆连接。
上述的一种介频式土壤水分传感器中，所述的稳幅电路由运算放大器A2和电阻R5、电阻R6、电阻R7构成；电阻R5一端与振荡电路连接，另一端与运算放大器A2的反相输入端连接；电阻R6一端与运算放大器A2的同相输入端连接，另一端接地；电阻R7一端连接在电阻R5与运算放大器A2的反相输入端之间，另一端与运算放大器A2的输出端连接；运算放大器A2的输出端与左探针连接。
上述的一种介频式土壤水分传感器中，所述的振荡电路为文氏桥振荡电路，由运算放大器A1和电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电容C1、电容C2构成；以电阻R1、电阻R2和电容C1、电容C2构成RC串关联网络为正反馈，电阻R3、电阻R4构成电压串联负反馈。
上述的一种介频式土壤水分传感器中，所述的C/V转换电路主要由运算放大器A3、二阶带通滤波器和检波电路构成；运算放大器A3的反相输入端与右探针连接；二阶带通滤波器由运算放大器A4与电阻R9、电阻R10、电阻R11和电容C3、电容C4组成，用于滤除固定频率以外的杂波；检波电路由电容C5、电容C6、二极管D1、二极管D2组成，用于得到与探针电容容量成正比的直流输出电压。
上述的一种介频式土壤水分传感器中，所述的V/F转换电路由V/F转换器与电阻R12、电阻R13、电阻R14和电容C8组成，用于将检波电路输出的电压号转成与电压成正比关系的脉冲频率信号并输出。
上述的一种介频式土壤水分传感器中，所述V/F转换器使用的芯片型号为LM331。
上述的一种介频式土壤水分传感器中，所述的输出电缆包括三根线，分别是电源正极、电源负极和频率输出。
本实用新型采用上述结构后，与现有土壤水分测量技术相比，本实用新型采用两根土壤探针构成电容来测量土壤含水量，土壤含水率大小影响探针电容的容量，将土壤含水率信息以频率信号的形式输出，无需使用ADC模数转换电路，在传输过程中不易受外界干扰，克服了传统的电压信号幅度容易受外界环境的干扰而引起的误差。
附图说明
下面结合附图中的实施例对本实用新型作进一步的详细说明，但并不构成对本实用新型的任何限制。
图1是本实用新型的电路结构原理图；
图2是本实用新型的具体使用状态示意图。
图中：左探针1、右探针2、稳幅电路3、振荡电路4、C/V转换电路5、V/F转换电路6、二阶带通滤波器7、检波电路8、壳体9。
具体实施方式
参阅图1和图2所示，本实用新型的一种介频式土壤水分传感器，包括壳体9，在壳体9上设有左探针1和右探针2，土壤中含有水分和杂质，其中水是土壤中电介质之一，含水率的大小决定了土壤的介电常数，平行等长的左、右探针1，2完全插入土壤中时，与土壤介质共同构成电容，该电容的大小由土壤含水率决定；左探针1依序电连接有稳幅电路3和振荡电路4；右探针2依序电连接有C/V转换电路5和V/F转换电路6；稳幅电路3和C/V转换电路5之间通过左、右探针1，2形成的电容连接；V/F转换电路6与外部设备通过输出电缆连接，输出电缆包括三根线，分别是电源正极、电源负极和频率输出，输出电缆将采集的数据传输至外部设备；稳幅电路3由运算放大器A2和电阻R5、电阻R6、电阻R7构成；电阻R5一端与振荡电路4连接，另一端与运算放大器A2的反相输入端连接；电阻R6一端与运算放大器A2的同相输入端连接，另一端接地；电阻R7一端连接在电阻R5与运算放大器A2的反相输入端之间，另一端与运算放大器A2的输出端连接；运算放大器A2的输出端与左探针1连接，运算放大器A2为一负反馈的反向比例运算电路，可以将振荡信号按比例缩小，并提高信号的稳定性能；振荡电路4为文氏桥振荡电路，由运算放大器A1和电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电容C1、电容C2构成；以电阻R1、电阻R2和电容C1、电容C2构成RC串关联网络为正反馈，电阻R3、电阻R4构成电压串联负反馈；振荡电路4产生的正弦信号经过稳幅电路3之后，形成一个相对稳定的激励信号。C/V转换电路5由运算放大器A3、反馈电阻R8、二阶带通滤波器7和检波电路8构成；运算放大器A3与反馈电阻R8组成电容-交流电压转换电路，它所输入的激励信号是固定的，其输出的交流电压与两探针的电容大小成正比；运算放大器A3的反相输入端与右探针2连接；二阶带通滤波器7由运算放大器A4与电阻R9、电阻R10、电阻R11和电容C3、电容C4组成，其中心频率与激励信号的频率相同，用于滤除固定频率以外的杂波；检波电路8由电容C5、电容C6、二极管D1、二极管D2组成，用于得到与探针电容容量成正比的直流输出电压。V/F转换电路6由V/F转换器与电阻R12、电阻R13、电阻R14和电容C8组成，用于将检波电路8输出的电压号转成与电压成正比关系的脉冲频率信号并输出，因此在接口端只有电源、地线及频率输出三个接口，从而土壤水分传感器的使用变得简单、方便；本实施例中的V/F转换器使用的芯片型号为LM331。
本实用新型具体使用时，将左、右探针1，2的自由端插入待测土壤中，使其形成电容，连接电源，启动外部设备，振荡电路4产生的正弦信号经过稳幅电路3之后，形成一个相对稳定的激励信号，该激励信号激励C/V转换电路5中的电容-交流电压转换电路得到一个与左、右 探针1，2所形成电容容量成正比的交流电压信号，交流电压信号经检波电路8转换成与探针电容的容量成正比例的直流电压信号；再通过V/F转换电路6将该直流电压信号转换成与之成正比的频率信号并输出给外部设备。
Claims (7)
1.一种介频式土壤水分传感器，包括壳体(9)，在壳体(9)上设有左探针(1)和右探针(2)，其特征在于，所述的左探针(1)依序电连接有稳幅电路(3)和振荡电路(4)；所述的右探针(2)依序电连接有C/V转换电路(5)和V/F转换电路(6)；所述的稳幅电路(3)和C/V转换电路(5)之间通过左、右探针(1，2)形成的电容连接；所述的V/F转换电路(6)与外部设备通过输出电缆连接。
2.根据权利要求1所述的一种介频式土壤水分传感器，其特征在于，所述的稳幅电路(3)由运算放大器A2和电阻R5、电阻R6、电阻R7构成；电阻R5一端与振荡电路(4)连接，另一端与运算放大器A2的反相输入端连接；电阻R6一端与运算放大器A2的同相输入端连接，另一端接地；电阻R7一端连接在电阻R5与运算放大器A2的反相输入端之间，另一端与运算放大器A2的输出端连接；运算放大器A2的输出端与左探针(1)连接。
3.根据权利要求1所述的一种介频式土壤水分传感器，其特征在于，所述的振荡电路(4)为文氏桥振荡电路，由运算放大器A1和电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电容C1、电容C2构成；以电阻R1、电阻R2和电容C1、电容C2构成RC串关联网络为正反馈，电阻R3、电阻R4构成电压串联负反馈。
4.根据权利要求1所述的一种介频式土壤水分传感器，其特征在于，所述的C/V转换电路(5)主要由运算放大器A3、二阶带通滤波器(7)和检波电路(8)构成；运算放大器A3的反相输入端与右探针(2)连接；二阶带通滤波器(7)由运算放大器A4与电阻R9、电阻R10、电阻R11和电容C3、电容C4组成，用于滤除固定频率以外的杂波；检波电路(8)由电容C5、电容C6、二极管D1、二极管D2组成，用于得到与探针电容容量成正比的直流输出电压。
5.根据权利要求4所述的一种介频式土壤水分传感器，其特征在于，所述的V/F转换电路(6)由V/F转换器与电阻R12、电阻R13、电阻R14和电容C8组成，用于将检波电路(8)输出的电压号转成与电压成正比关系的脉冲频率信号并输出。
6.根据权利要求5所述的一种介频式土壤水分传感器，其特征在于，所述V/F转换器使用的芯片型号为LM331。
7.根据权利要求1所述的一种介频式土壤水分传感器，其特征在于，所述的输出电缆包括三根线，分别是电源正极、电源负极和频率输出。
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