CN210037688U - 一种植物茎秆含水率测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种植物茎秆含水率测量装置，包括信号发生器、电流源电路、控制器、一对平行设置的电容极板A、一对平行设置的电容极板B、放大电路、相敏检波电路、A/D转换电路和显示电路，本实用新型能够通过简单的结构实现利用植物细胞的电特性，基于植物的电阻抗测试植物茎秆的含水率的目的，并且装置的使用场景不受限制。

Description

一种植物茎秆含水率测量装置

技术领域

本实用新型涉及农业工程和农作物信息检测技术领域，尤其涉及植物茎秆含水率测量装置。

背景技术

植物的细胞具有电解液特性的组织液和化合物，细胞和细胞液可看作是电容和电阻构成，在不同的含水量时它的电导率会发生变化。国内外学者对基于植物电特性的植物含水率检测进行了大量研究，这些研究为利用电特性对植物含水率检测提供了理论依据。

对于作物需水状况的参数的检测，常见的方法是叶片测量、土壤测量和茎杆测量。叶片测量一般采用事后的方法，不能实时测量；土壤测量可间接测量，但由于作物的不同，相同的土壤水分不能直接作为作物的水分情况。茎杆测量是一种比较直接的测量方法，可直接长时间的测量。

申请号为200910093917.X的发明专利公开了一种多通道电阻抗式含水率监测系统，可用于植物茎秆的含水率的测量。该在先申请公开了植物茎秆的电阻抗和含水量间呈一定关系。该在先申请的公开方案，采用电桥法完成测量，其结构比较复杂只能用于实验室。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种植物茎秆含水率测量装置，该测量装置能够利用植物细胞的电特性，基于植物的电阻抗测试植物茎秆的含水率。

为了实现上述的目的，本实用新型采用了以下的技术方案：

一种植物茎秆含水率测量装置，包括信号发生器、电流源电路、控制器、一对平行设置的电容极板A、一对平行设置的电容极板B、放大电路、相敏检波电路、A/D转换电路和显示电路，控制器与信号发生器的输入端连接，控制器控制信号发生器产生频率可调的正弦波，信号发生器的输出信号给电流源电路，电流源电路将输入信号转化为恒流源信号作为激励源，电容极板A和电容极板B均设置在植物茎秆上，电容极板A和电容极板B沿被测植物茎秆存在错位，电流源电路的输出端连接到电容极板A，电容极板B连接到放大电路的输入端，放大电路将输入信号放大后输出，放大电路的输出端与相敏检波电路的输入端连接，相敏检波电路利用相敏解调技术得到被测植物茎秆细胞组织内部的电阻和电容信息，相敏检波电路通过A/D转换电路与控制器连接，控制器对输入数据进行处理得到电阻抗数据，控制器还与显示电路连接。

作为优选方案，所述植物茎秆含水率测量装置包括信号发生器和电流源电路之间设有幅度调节电路，信号发生器的输出端连接到幅度调节电路的输入端，幅度调节电路用于增大输入信号的幅度，幅度调节电路的输出端与电流源电路的输入端连接，

作为优选，电容极板A的前端为三角形，电容极板A的后端固定到同一安装板上；电容极板B的前端为三角形，电容极板B的后端固定到同一安装板上。

作为优选，信号发生器为直接数字频率合成芯片，可通过控制器进行频率与幅值的调节。采用直接频率合成正弦波，频率高，稳定性好。

作为优选，相敏检波电路采用高精度平衡调制芯片AD630。该芯片具有350KHz的

上述结构的植物茎秆含水率测量装置，通过在作物茎秆配置电极并注入外部的激励信号，然后通过作物茎秆的另一电极获得作物信号，利用相敏检波电路得到作物内部的电阻和电容信息，进而得到电阻抗值。根据对应植物茎秆的电阻抗与含水率关系可以判断植物是否缺水。上述装置的结构简单，不受使用场景限制。

附图说明

图1为本实用新型的模块结构示意图。

图2为本实用新型中信号发生器的电路原理图。

图3为本实用新型中幅度调节电路的电路图。

图4为本实用新型中电流源电路的原理图。

图5为植物茎秆上电容极板A的电容极板B的安装结构示意图。

图6为本实用新型中放大电路图。

图7为本实用新型中相敏检波电路图。

图8为本实用新型中A/D转换电路图。

图9为本实用新型中的控制器电路图。

图10为本实用新型中的显示电路图。

其中：1、信号发生器，2、幅度调节电路，3、电流源电路，4、植物茎秆，41、电容极板A，42、电容极板B，5、放大电路，6、相敏检波电路，7、A/D转换电路，8、控制器，9、显示电路。

具体实施方式

下面结合附图对本专利的优选实施方案作进一步详细的说明。

如图1所示的一种植物茎秆含水率测量装置，包括信号发生器1、幅度调节电路2、电流源电路3、控制器8、一对平行设置的电容极板A41、一对平行设置的电容极板B42、放大电路5、相敏检波电路6、A/D转换电路7和显示电路9，控制器8与信号发生器1的输入端连接，控制器8控制信号发生器1产生频率可调的正弦波，信号发生器1的输出端连接到幅度调节电路2的输入端，幅度调节电路2用于增大输入信号的幅度，幅度调节电路2的输出端与电流源电路3的输入端连接，电流源电路3将输入信号转化为恒流源信号作为激励源，电容极板A41和电容极板B42均设置在植物茎秆4上，电容极板A41和电容极板B42沿被测植物茎秆4存在错位，电流源电路3的输出端连接到电容极板A41，电容极板B42连接到放大电路5的输入端，放大电路5将输入信号放大后输出，放大电路5的输出端与相敏检波电路6的输入端连接，相敏检波电路6利用相敏解调技术得到被测植物茎秆4细胞组织内部的电阻和电容信息，相敏检波电路通过A/D转换电路7与控制器8连接，控制器8对输入数据进行处理得到电阻抗数据，控制器还与显示电路9连接。

作为优选，信号发生器1采用直接数字频率合成芯片来产生正弦波，频率高、稳定性好。本实施例中采用ADS9850芯片，该芯片为DDS芯片，在125MHz的时钟下，输出频率的分辨率达0.0291Hz，频率合成范围宽可达到MHz级，可控制相位，允许相位按增量180°、90°、45°、22.5°、11.25°或这些值的组合进行调整。本实施例中信号发生器的原理图如图2所示。

幅度调节电路2用于增大由信号发生器产生的正弦波的幅度，便于对该信号的后续处理。如图3所示，本实施例中的幅度调节电路3采用ADA4851放大器，该放大器是一种高速运放，轨对轨，带宽175MHz，具有低失调电压、低漂移特性。

幅度调节电路2输出的频率信号，电流源电路3将接收到的频率信号转换为电流信号。如图4，本实施例中的电流源电路3采用Howland电流源电路，电路同样采用ADA4851高速运算放大器，在1KΩ的负载条件下，20KHz-100KHz的频率范围内，输出阻抗可达60MΩ。采用电流源信号作为源励信号，能够减少作物茎杆不同表面阻抗对电路的影响。

本实施例中的测量装置采用相侵入式检测，如图5所示，电容极板A41的电容极板B42直接插入被测植物的茎秆上，这样可实现长时间连续检测。为了方便电容极板插入，优选为电容极板A41的前端为三角形，电容极板A41的后端固定到同一安装板上；电容极板B42的前端为三角形，电容极板B42的后端固定到同一安装板上；电容极板A41和电容极板B42均为片状电极。

由于注入植物茎杆的电流很小，峰值一般只有1mA～4mA之间，所以从电极上测得的电流很小。一般情况下电压的峰值为几毫伏，所以利用放大电路5将信号进行放大。放大电路5的结构如图6所示，放大电路5包括信号放大芯片MAX9939，此芯片可在0.2V/V至157V/V范围内设置差分增益、输入失调电压补偿。它有极高的CMRR，频率最大范围为500KHz。该放大电路5的增益可调，有利于信号的后续处理。

茎杆中的细胞产生的阻性部分与容性部分都与茎杆水分相关，需要利用相敏解调技术得到细胞组织内部的阻性部分与容性部分。当植物茎杆中施加的激励为电流源，在测量电极上采得的信号是实部和虚部信息。相敏检波电路6主要是获取电极上电压的实部信号。如图7，本实施例中的相敏检波电路6利用高精度平衡调制器芯片AD630，该芯片具有350KHz的带宽，能够采用正弦信号代替方波信号作为参考信号进行开关解调，效果更佳。

对于经过相敏检波电路6处理的信号需要传送到控制器8进行处理，此前需要对相敏检波电路6输出的信号进行A/D转换处理，本实施例中的A/D转换电路7如图8所示，该电路为现有技术。

控制器8用于读入A/D转换后的数字量，对其进行处理得到被测物的电阻抗数据。本实施例中的控制器采用51单片机，其电路如图9所示。

本实施例中的显示电路9包括7279芯片，其电路如图10所示，能显示8位数字。于其他实施例中，显示电路也可以包括显示屏，通过显示屏显示信息。

Claims (5)

1.一种植物茎秆含水率测量装置，其特征在于，包括信号发生器、电流源电路、控制器、一对平行设置的电容极板A、一对平行设置的电容极板B、放大电路、相敏检波电路、A/D转换电路和显示电路，控制器与信号发生器的输入端连接，控制器控制信号发生器产生频率可调的正弦波，信号发生器的输出信号给电流源电路，电流源电路将输入信号转化为恒流源信号作为激励源，电容极板A和电容极板B均设置在植物茎秆上，电容极板A和电容极板B沿被测植物茎秆存在错位，电流源电路的输出端连接到电容极板A，电容极板B连接到放大电路的输入端，放大电路将输入信号放大后输出，放大电路的输出端与相敏检波电路的输入端连接，相敏检波电路利用相敏解调技术得到被测植物茎秆细胞组织内部的电阻和电容信息，相敏检波电路通过A/D转换电路与控制器连接，控制器对输入数据进行处理得到电阻抗数据，控制器还与显示电路连接。

2.根据权利要求1所述的一种植物茎秆含水率测量装置，其特征在于，包括信号发生器和电流源电路之间设有幅度调节电路，信号发生器的输出端连接到幅度调节电路的输入端，幅度调节电路用于增大输入信号的幅度，幅度调节电路的输出端与电流源电路的输入端连接。

3.根据权利要求1所述的一种植物茎秆含水率测量装置，其特征在于，电容极板A的前端为三角形，电容极板A的后端固定到同一安装板上；电容极板B的前端为三角形，电容极板B的后端固定到同一安装板上。

4.根据权利要求1所述的一种植物茎秆含水率测量装置，其特征在于，信号发生器为直接数字频率合成芯片。

5.根据权利要求1所述的一种植物茎秆含水率测量装置，其特征在于，相敏检波电路采用高精度平衡调制芯片AD630。

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