CN204630969U - 测量土壤含水量和温度的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种测量土壤含水量和温度的装置。该装置包括：含水量检测探头；振荡器，其产生高频交流电流；水分检测单元，其前端连接至含水量检测探头，利用高频交流电流，获得包含土壤含水量信息的电压信号；信号提取单元，其提取包含土壤含水量信息的电压信号；以及温度检测单元，其检测土壤的温度；其中，振荡器、水分检测单元、信号提取单元和温度检测单元集成于一PCB板上。本实用新型集成了土壤含水量和温度两项功能，更加贴近于应用实际；同时，各个组成部分简单、有效，制造成本低，后期维护也比较方便。

Description

测量土壤含水量和温度的装置

技术领域

本实用新型涉及土壤物性检测领域，尤其涉及一种测量土壤含水量和温度的装置。

背景技术

土壤含水量的测量在诸多方面有积极意义，例如对黄河三角洲等特殊地带土壤的科学研究，现代农业的灌溉等。常见的测量体积含水量的方法有好几种，其中一种广为使用的技术是通过测量介电常数。水的介电常数大约为80，土壤中其他成分的介电常数大约为4，空气的介电常数是1，改变土壤中水分的含量就会导致土壤介电常数改变，根据介电常数与体积含水量的关系即可得到体积含水量。

当前市场上有很多类似功能的测量装置，但是往往都较为昂贵和笨重，或者功能单一，精度较高的测量装置其技术实现也比较复杂，而且，他们往往功耗较大，无法长期至于田间野外持续测量。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本实用新型提供了一种简单、有效，并且功耗较小的测量土壤含水量和温度的装置。

(二)技术方案

本实用新型测量土壤含水量和温度的装置包括：含水量检测探头；振荡器，其产生高频交流电流；水分检测单元，其前端连接至含水量检测探头，利用高频交流电流，获得包含土壤含水量信息的电压信号；信号提取单元，其提取包含土壤含水量信息的电压信号；以及温度检测单元，其检测土壤的温度；其中，振荡器、水分检测单元、信号提取单元和温度检测单元集成于一PCB板上。

优选地，本实用新型测量土壤含水量和温度的装置中，含水量检测探头为三针不锈钢探头，其等效为具有两电极-第一电极和第二电极，的电容； 该电容在高频交流电流的作用下等效为电阻。优选地，高频交流电流的频率为100MHz。

优选地，本实用新型测量土壤含水量和温度的装置中，水分检测单元包括：分压电阻R1和隔离耦合电容C1；其中，分压电阻R1的一端连接至振荡器的输出端，另一端通过隔离耦合电容C1连接至三针不锈钢探头的第一电极；三针不锈钢探头插入待测土壤中，在分压电阻R1的两端提取出包含土壤含水量信息的电压信号。

优选地，本实用新型测量土壤含水量和温度的装置中，温度检测单元包括：第二电阻R2、第二电容C2、第三电阻R3和热敏电阻RT；其中，第二电阻R2的第一端连接至直流电压，其第二端连接至第二电容C2、第三电阻R3和热敏电阻RT的第二端，作为温度检测单元的信号输出端；第二电容C2、第三电阻R3和热敏电阻RT的第一端共同连接至地；由热敏电阻RT探测土壤温度，包含温度信息的电压信号由温度检测单元的信号输出端输出。

优选地，本实用新型测量土壤含水量和温度的装置还包括：主控芯片，其具有两个模拟采集通道，其中一个模拟采集通道采集信号提取模块提取的包含土壤含水量信息的电压信号，另一个模拟采集通道采集温度检测单元输出的包含温度信息的电压信号。

优选地，本实用新型测量土壤含水量和温度的装置中，主控芯片为8位单片机，其具有一控制振荡器工作状态的引脚。当引脚为高电平时，振荡器工作，该装置采集土壤数据；当引脚为低电平时，振荡器不工作，该装置处于最低功耗状态。

优选地，本实用新型测量土壤含水量和温度的装置还包括：输出单元，其包括若干电阻、电容和集成运放，由电阻和电容组成积分电路，将不同占空比的矩形波转换为恒定的直流电压，并经由集成运放和电阻组成的电压跟随器输出。

优选地，本实用新型测量土壤含水量和温度的装置还包括：电源模块，其为振荡器、水分检测单元和温度检测单元提供工作电压。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本实用新型测量土壤含水量和温度的装置 具有以下有益效果：

(1)集成了土壤含水量和温度两项功能，更加贴近于应用实际；

(2)各个组成部分简单、有效，制造成本低，后期维护也比较方便。

附图说明

图1为根据本实用新型实施例测量土壤含水量和温度的装置的结构示意图；

图2为图1所示装置中土壤含水量测量模块的电路图；

图3为图1所示装置中温度检测单元的电路图。

具体实施方式

本实用新型提供一种同时具备土壤含水量测量和土壤温度测量两种功能的装置，其具有低功耗、低成本的优点，适用于长期的野外测量。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，将不再详细说明。

在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种测量土壤含水量和温度的装置。图1为根据本实用新型实施例测量土壤含水量和温度的装置的结构示意图。如图1所示，本实施例测量土壤含水量和温度的装置包括：三针不锈钢探头、电源模块、主控芯片、振荡器、水分检测单元、信号提取单元、温度检测单元和信号输出单元。其中，除了三针不锈钢探头之外，电源模块、主控芯片、振荡器、水分检测单元、信号提取单元、温度检测单元和信号输出单元均集成于一块矩形的PCB电路板上。PCB电路板由环氧树脂材料密封。

以下分别对本实施例测量土壤含水量和温度的装置的各个组成部分进行详细描述。

电源模块为整个电路，包括：信号提取单元、主控芯片和信号输出单元等，提供稳定、无纹波的工作电压，其包括恒压芯片、电容、电感等元器件。

振荡器产生100MHz的高频交流电流，高频电流进入水分检测单元， 作用于三针不锈钢探头，产生与所测土壤含水量相对应的电压信号。

三针不锈钢探头固定于矩形PCB板上，后端连接至水分检测单元。三针不锈钢探头、振荡器和水分检测单元共同组成土壤含水量测量模块。

图2为图1所示装置中土壤含水量测量模块的电路图。如图2所示，振荡器J提供100MHz的高频交流电流。三针不锈钢探头在土壤中等效为一个具有两电极-第一电极和第二电极，的电容。其中，第二电极连接至地。并且，在高频交流电流作用下，上述电容等效为电阻，该电阻值随着土壤含水量的变化而变化。

如图2所示，水分检测单元包括：分压电阻R1和隔离耦合电容C1。分压电阻R1的一端连接至振荡器J的输出端，另一端通过隔离耦合电容C1连接至三针不锈钢探头的第一电极。三针不锈钢探头插入待测土壤中，振荡器J提供100MHz的高频交流电流，就可以在分压电阻R1的两端提取出包含土壤含水量信息的电压信号。

信号提取单元在分压电阻R1的两端提取电压信号，经过整流滤波放大后，将信号送入主控芯片的模拟电压采集端口。其中，信号提取单元包括二极管、滤波电容、电阻、集成运放，其中电阻和集成运放构成差分放大电路，对分压电阻两端的电压值进行差分放大，放大后电压信号进入主控芯片。

图3为图1所示装置中温度检测单元的电路图。如图3所示，该温度检测单元包括：第二电阻R2、第二电容C2、第三电阻R3和热敏电阻RT。其中，第二电阻R2的第一端连接至电源模块，由电源模块提供直流电压V，其第二端连接至第二电容C2、第三电阻R3和热敏电阻RT的第二端，即整个温度检测单元的信号输出端。第二电容C2、第三电阻R3和热敏电阻RT的第一端共同连接至地。

当土壤温度发生变化时，相应地热敏电阻的阻值改变，相应地温度检测单元输出信号Ut的值发生改变。Ut直接进入主控芯片的模拟电压采集端口。

主控芯片为8位低功耗单片机，其一引脚控制振荡器的工作状态，当该引脚为高电平时，振荡器工作，整个装置此时采集土壤数据，当该引脚为低电平时，振荡器不工作，整个装置处于最低功耗状态(休眠状态)。 此外，主控芯片具有两个模拟采集通道，可以同时采集温度检测单元的温度数据和信号提取单元的水分数据。主控芯片处理温度检测单元和信号提取单元的数据，转换成与温度值和水分含量值相对应的占空比，以矩形波的形式传递给信号输出单元。

输出单元包括若干电阻、电容和集成运放，电阻和电容组成积分电路，将不同占空比的矩形波转换为恒定的直流电压，并经由集成运放和电阻组成的电压跟随器输出。

至此，已经结合附图对本实用新型实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本实用新型测量土壤含水量和温度的装置有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

本实用新型可以用来测量土壤含水量和土壤温度，简单可靠，功耗较低，操作简便，具有较好的推广应用前景。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测量土壤含水量和温度的装置，其特征在于，包括：

含水量检测探头；

振荡器，其产生高频交流电流；

水分检测单元，其前端连接至含水量检测探头，利用所述高频交流电流，获得包含土壤含水量信息的电压信号；

信号提取单元，其提取所述包含土壤含水量信息的电压信号；

温度检测单元，其检测土壤的温度；以及

其中，所述振荡器、水分检测单元、信号提取单元和温度检测单元集成于一PCB板上。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述含水量检测探头为三针不锈钢探头，其等效为具有两电极-第一电极和第二电极，的电容；该电容在所述高频交流电流的作用下等效为电阻。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述高频交流电流的频率为100MHz。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述水分检测单元包括：分压电阻(R1)和隔离耦合电容(C1)；

其中，分压电阻(R1)的一端连接至振荡器的输出端，另一端通过隔离耦合电容(C1)连接至三针不锈钢探头的第一电极；三针不锈钢探头插入待测土壤中，在分压电阻(R1)的两端提取出包含土壤含水量信息的电压信号。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述温度检测单元包括：第二电阻(R2)、第二电容(C2)、第三电阻(R3)和热敏电阻(RT)；

其中，第二电阻(R2)的第一端连接至直流电压，其第二端连接至第二电容(C2)、第三电阻(R3)和热敏电阻(RT)的第二端，作为温度检测单元的信号输出端；第二电容(C2)、第三电阻(R3)和热敏电阻(RT)的第一端共同连接至地；由热敏电阻(RT)探测土壤温度，包含温度信息的电压信号由温度检测单元的信号输出端输出。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：

主控芯片，其具有两个模拟采集通道，其中一个模拟采集通道采集信号提取模块提取的包含土壤含水量信息的电压信号，另一个模拟采集通道采集温度检测单元输出的包含温度信息的电压信号。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述主控芯片为8位单片机，其具有一控制振荡器工作状态的引脚。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述主控芯片中：

当所述引脚为高电平时，振荡器工作，该装置采集土壤数据；

当所述引脚为低电平时，振荡器不工作，该装置处于最低功耗状态。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于，还包括：

输出单元，其包括若干电阻、电容和集成运放，由电阻和电容组成积分电路，将不同占空比的矩形波转换为恒定的直流电压，并经由集成运放和电阻组成的电压跟随器输出。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于，还包括：

电源模块，其为所述振荡器、水分检测单元和温度检测单元提供工作电压。