CN2641646Y

CN2641646Y - 基于介电方法的土壤含水率检测装置

Info

Publication number: CN2641646Y
Application number: CN 03206297
Authority: CN
Inventors: 孙宇瑞; 马道坤; 林剑辉
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2004-09-15
Anticipated expiration: 2013-07-29

Abstract

本实用新型公开了一种基于介电方法的土壤含水率检测装置，包括外壳、上固定板、下固定板、线路板A、线路板B、双针探头、LCD显示屏和供电装置；LCD显示屏设置在线路板B上，并通过上固定板与外壳固定，供电装置固定在外壳上，双针探头平行分布于下固定板上，通过螺母与其固定，并通过外壳的内壁插槽与外壳固定；双针探头与线路板A电连接，线路板A的输出连接线路板B的输入，线路板B的电路输出传送给LCD显示屏显示。本实用新型通过巧妙的电路设计，消除了因为振荡幅度和输出电阻的不一致而造成的测量误差；仪器结构上为传感器与显示器一体化结构，结构紧凑，使用简便，大大减小了分布参数的影响，价格低廉，性能稳定。

Description

基于介电方法的土壤含水率检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种测量土壤含水率的检测装置，尤其涉及一种基于介电方法的土壤含水率集成检测装置，属于介电物理与高频测量技术领域。

背景技术

农业生产活动中经常需要检测土壤与作物栽培基质水分，比如在农业气象监测，土壤墒情监测，智能化灌溉控制系统等应用中，都需要有一种精确性，稳定性，实时性较高的土壤含水率测量装置。时域反射技术TDR(Time DomianReflectrometry)(TOPP，1980)、频域分解技术FD(Frequency Decompostion)(Hilhorst，1996)、传输线驻波法SWR(Standing Wave Ratio)(Gaslin andMuller，1996)，电容传感器CS(Capacitance Sensor)(Tomas，1966，Dean，1987，Gardiner，1991 and 1998，Gaudu，1993)等测量手段都是基于介电原理发展起来的测量方法。TDR与FD的技术实现非常复杂，因而导致商品化仪器价格昂贵。传输线驻波法不仅需要在传感器中内置一段相当长的高频传输线，而且目前的这种测量方法受振荡器输出参数的影响很大，因此对振荡器的输出幅度与输出阻抗匹配要求很高。电容法的缺点为它的探头一般都做成标准的同轴线形式，虽然理论上它的测量精度很高，但是田间测量很难插入土壤层。若将土样从被测点取出装入同轴线探极之间，将会破坏被测土样本身的实际物理环境。因此以上这些方法在我国的实际应用中都存在一定的不适应性，很难做到大范围推广使用。

特别还应指出的是基于驻波比原理的测量方案目前是测量探针的反射电压，其反射幅值既与被测介质的介电常数有关，也与振荡器的输出幅度变化有关。此外，基于TDR、FD、SWR和电容传感器等测量原理的测量装置都是采取传感器与测量仪表相互分离的物理结构。这种物理结构不仅会给操作者带来使用上的不便，更主要的是在高频测量电路设计上会带来非常复杂的分布参数，从而导致测量系统的测量精度明显下降及其研制成本的提高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足提出一种实用的、价格低廉的基于介电方法的土壤含水率检测装置，利用探针阻抗计算方法的数学模型，消除了高频振荡器输出电阻与振荡幅度不一致对测量精度的影响，有效提高了测量精度和抗干扰性。

本实用新型的又一目的在于针对现有技术的不足提出一种基于介电方法的土壤含水率检测装置，采用传感器与显示器一体化结构，大大减少了分布参数的影响。

本实用新型的目的是通过如下技术方案实现的：一种基于介电方法的土壤含水率检测装置，包括：外壳、上固定板、下固定板、线路板A、线路板B、双针探头、LCD显示屏和供电装置；LCD显示屏设置在线路板B上，并通过上固定板与外壳固定，供电装置固定在外壳上，双针探头平行固定于下固定板上，通过螺母与其固定，并通过外壳的内壁插槽与外壳固定；双针探头与线路板A电连接，线路板A的输出连接线路板B的输入，线路板B的电路输出传送给LCD显示屏显示。

所述线路板A上包括高频振荡器和检波滤波电路以及运算电路，高频振荡器为计算机主板上常用的贴片式晶体振荡器，检波电路是由四个二极管D1-D4构成一个两路倍频检波电路，高频检波信号分别经过电容C1、C2与电阻R1和电容C3、C4与电阻R2构成的两路π型滤波电路输出，再由四个运算放大器A1-A4组成运算电路。

所述线路板B上包括一片A/D转换芯片和LCD显示屏，A/D转换芯片将模拟电压信号转换为数字信号后，送至LCD显示屏显示。

还包括用于校准的调零装置，调零装置固定在外壳上，调零装置与电路板A相连接，它控制电路原理图2中的W1，通过改变可变电阻的阻值实现零点校准。调零装置有一可调旋钮露于外壳外，用普通螺丝刀即可实现调零功能。

所述下固定板底部设有一层用于防水的还氧树脂胶板。

所述的双针探头是可更换的，双针探头与下固定板为活动连接。

所述双针探头通过螺母与下固定板固定，并通过外壳的内壁插槽与外壳固定。

所述的外壳、上固定板与下固定板由塑料制成，双针探头的材料为铜。

本实用新型为一种实用的、价格非常低廉的土壤含水率测量装置，测量对象为农田土壤或是温室栽培基质。其创新点主要有三点，(1)应用计算机主板上常用的贴片晶体振荡器，通过巧妙的电路设计，消除了因为振荡幅度和输出电阻的不一致而造成的测量误差；(2)测量方法中除法的实现不需要昂贵的模拟除法器件，而是通过动态地利用A/D的基准电压来实现；(3)仪器结构上为传感器与显示器一体化结构，大大减小了分布参数的影响。

优点主要体现在使用简便，结构紧凑，价格低廉，性能稳定，适用性强，抗干扰性好，测量用时短。

附图说明

图1为本实用新型检测原理电路图；

图2为本实用新型电路原理图；

图3为本实用新型外形结构图；

图4为本实用新型内部结构图；

具体实施方式

本实用新型的理论基础为基于探针阻抗计算方法的数学模型，采用直接测量探针(两针结构)的高频阻抗变化，通过探针阻抗与被测物料介电系数的数学建模定量估计被测物料的含水率。该方法经过电路设计与信号处理使得传感器的输出与高频信号源的振荡幅度与输出电阻无关，在测量方法上不需要引入任何传输线做阻抗变换，有效地消除高频振荡器的输出电阻与输出幅度对测量精度的影响，测量装置物理结构上为传感器与显示器一体化集成结构。

本实用新型的测量原理描述如下：

根据对象建立探针阻抗Zp计算模型，对于多针结构

Z_{p} = - jξ \frac{120}{\sqrt{ϵ}} \ln \frac{R}{r} ctg \frac{ω \sqrt{ϵ}}{c} l - - - (1)

在式(1)中：

c＝电磁波在真空中的传播速度，这里c＝3×108m/s；

ω＝振荡器的振荡频率；

ζ＝探针数的权值系数，对于两针结构，ζ＝1；

R＝与探针几何尺寸相关，对于两针结构，R为两针间的距离；

r＝探针的半径；

ε＝介电材料的相对介电常数

L＝探针几何长度

测量原理电路如图1所示，设

为高频振荡器的输出电压，

与分别表示a与b点的电位，Z₀为高频振荡器的输出阻抗，Z₁为测量电路引入的附加阻抗，容易算出

Δ U_{ab} = \hat{U_{a}} - \hat{U_{b}} = \hat{E} \frac{Z_{1}}{Z_{0} + Z_{1} + Z_{p}} - - - (2)

式(2)表明差动电压ΔU_ab与高频振荡器输出幅度

输出阻抗Z₀、引入阻抗Z₁和探针阻抗Z_p皆有关。因为商品化的高频振荡器输出幅度

输出阻抗Z₀存在着很大的离散性，为了尽可能地排除这些因素对测量结果的影响，

根据电路原理图(图2)可以得出：

\hat{E} = \hat{U_{z}} \frac{Z_{p}}{Z_{1}} (1 + \frac{Z_{0}}{Z_{1} + Z_{p}}),

将此式带入公式(2)

中即可得公式(3)：

Δ U_{ab} = \hat{U_{a}} - {\hat{U}}_{b} = \hat{U_{a}} \frac{Z_{p}}{Z_{1} + Z_{p}} - - - (3)

如果令：

η (ϵ) = \frac{Δ U_{ab}}{\hat{U_{a}}} = \frac{Z_{p}}{Z_{p} + Z_{1}} - - - (4)

显然，η(ε)仅与探针阻抗Z_p与附加阻抗Z₁有关，与

及Z₀无关。如果在确定Z₁时满足在空气中Z_p＞＞Z₁，则有，

η(ε＝1)≈1 (5)

若以θ(ε)表示土壤容积含水率，并且令

θ (ϵ) = 1 - η (ϵ) = 1 - \frac{Δ U_{ab}}{\hat{U_{a}}} = \frac{Z_{1}}{Z_{p} + Z_{1}} - - - (6)

式(6)表明：

(1)可以借助于测量阻抗Z_p变化实现土壤容积含水率的测量：

(2)θ(ε)与探针阻抗的Z_p对应关系可通过标定来确定；

(3)整个测量过程的实现只需做一次除法与减法运算，所得结果与及Z₀无关。

根据上述结论，可以通过探针阻抗与被测物料介电系数之间的对应关系建立数学建模定量估计被测物料的含水率。

其中，结论(3)中，整个测量过程的实现只需做一次除法运算，本实用新型的测试方法中不需要昂贵的模拟除法器件，而是通过动态地利用A/D的基准电压来实现：如图2所示，其硬件电路叙述如下：

由四个二极管D₁-D₄构成两路倍压检波电路，高频检波信号分别经过C₁、C₂与R₁和C₃、C₄与R₂两路π滤波器输出至运算放大器A₁与A₂。A₁与A₂为两个阻抗变换器，运算放大器A₃完成上述式(6)中的减法运算，A₄的功能为零点补偿，通过调整W₁达到系统调零，W₁即为调零装置的调零旋钮。式(6)中的除法运算借助于A/D转换器TSC7106来实现，这是根据双斜积分A/D转换器的工作原理，如下式所示：

N_{x} = \frac{V_{x}}{V_{R}} N_{m} - - - (7)

上式中：V_x＝被转换的模拟电压；

V_R＝A/D转换器的参考基准电压；

N_M＝为A/D转换器满量程转换数值；

N_X＝对应于V_x的被转换数值。

本实用新型的电路原理图如图2所示：电路包括高频振荡器和检波滤波电路、运算电路以及A/D转换芯片、LCD显示屏，其中，高频振荡器和检波滤波电路、运算电路在线路板A上，A/D转换芯片和LCD显示屏在线路板B上；高频振荡器为计算机主板上常用的贴片式晶体振荡器OSC，晶体振荡器OSC的输出信号为高频电压信号，信号在经过探针后，由于探针阻抗的改变，高频信号也发生了相应的改变，然后该信号传送给检波电路，检波电路是由四个二极管D1-D4构成一个两路倍频检波电路，高频检波信号分别经过电容C1、C2与电阻R1和电容C3、C4与电阻R2构成的两路π型滤波电路输出，输出信号为直流电压信号，该信号再传送到由A1，A2，A3，A4四个运算放大器组成的运算电路，运算器输出的模拟电压值信号送到线路板B3上的A/D转换芯片TSC7106，由TSC7106将模拟电压信号转换为数字信号，再送到LCD显示屏5显示。

根据上述原理所制造的含水率测试装置的外形结构如图3所示，外形可见的部分包括：外壳1、上固定板4、LCD显示屏5、下固定板6、双针探头7和调零装置8上的调零旋钮10。

本实用新型内部结构如图4所示：包括：外壳1、线路板A2、线路板B3、上固定板4、LCD显示屏5、下固定板6、双针探头7和供电装置9，还包括调零装置8。LCD显示屏5设置在线路板B3上，并通过上固定板4与外壳1固定，调零装置8和供电装置9固定在线路板B3与线路板A2之间的外壳1上，调零装置8与电路板A2相连接，它控制电路原理图2中的W1，调零装置有一可调旋钮10露于外壳外，用普通螺丝刀即可实现调零功能；供电装置9为各部件供电，双针探头7平行分布于下固定板6上，通过螺母11与其固定，并通过外壳的内壁插槽与外壳1固定。

另外，由于下固定板直接与地面接触，为避免地面潮湿的水蒸气对外壳内部件的影响，在下固定板底部设置一层用于防水的还氧树脂胶板，或者刷一层防水涂料。

需要说明的是：所述双针探头是可更换式的，探头的更换方法为：打开外壳，旋下螺母11，取出已经磨损的探头，换上新更换的探头，旋好螺母11，合好外壳。由于探头直接插入土壤中测试，对探头的损坏较为严重，探头严重磨损后，测量值的误差会增大，所以当探头损坏时，可以及时更换。另外，对不于同的土壤不需要更换不同的探头。

双针探头7与线路板A2电连接，线路板A2的输出连接线路板B3的输入，线路板B3的输出控制LCD显示屏5的显示。线路板A2上包括高频振荡器和检波滤波电路以及运算电路，该高频振荡器为计算机主板上常用的贴片式晶体振荡器，而检波电路而是由四个二极管D1-D4构成一个两路倍频检波电路，高频检波信号分别经过电容C1、C2与电阻R1和电容C3、C4与电阻R2构成的两路π型滤波电路输出，再由四个运算放大器A1-A4组成运算电路；线路板B3上包括A/D转换芯片和LCD显示屏，运算放大器输出的模拟电压值信号送到线路板B3上的型号为TSC7106的A/D转换芯片，由TSC7106将模拟电压信号转换为数字信号，再送到LCD显示屏5显示。

外壳1、上固定板4与下固定板6由塑料制成，双针探头的材料为铜。

装置供电采用四节五号电池供电，电池放于供电装置9中。

测量表层土壤(10cm以内)时，可以将双针探头7直接插入到土壤中，这时，高频振荡器产生高频正弦波信号，该信号通过双针探头7时，由于不同湿度的土壤的介电常数不同，引起双针探头7的阻抗发生变化，电路检测到这个变化后，通过内部电路将其转化成相应的土壤含水率的值，然后从LCD显示屏5即可读出该土壤的含水率百分比值。

有上所述可知：本实用新型应用计算机主板上常用的贴片晶体振荡器，通过巧妙的电路设计，消除了因为振荡幅度和输出电阻的不一致而造成的测量误差；另外，测量方法中除法的实现不需要昂贵的模拟除法器件，而是通过动态地利用A/D的基准电压来实现，价格低廉，性能稳定；再有，仪器结构上为传感器与显示器一体化结构，结构紧凑，使用简便，大大减小了分布参数的影响。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims

1、一种基于介电方法的土壤含水率检测装置，其特征在于：包括，外壳、上固定板、下固定板、线路板A、线路板B、双针探头、LCD显示屏和供电装置；LCD显示屏设置在线路板B上，并通过上固定板与外壳固定，供电装置固定在外壳上，双针探头平行固定于下固定板上；双针探头与线路板A电连接，线路板A的输出连接线路板B的输入，线路板B的电路输出传送给LCD显示屏显示。

2、根据权利要求1所述的基于介电方法的土壤含水率检测装置，其特征在于：还包括用于校准的调零装置，调零装置固定在外壳上，与电路板A相连接，调零装置有一可调旋钮露于外壳外，调节旋钮可实现调零功能。

3、根据权利要求1所述的基于介电方法的土壤含水率检测装置，其特征在于：所述线路板A上包括高频振荡器和检波滤波电路以及运算电路，高频振荡器为计算机主板上常用的贴片式晶体振荡器，检波电路是由四个二极管D1-D4构成一个两路倍频检波电路，高频检波信号分别经过电容C1、C2与电阻R1和电容C3、C4与电阻R2构成的两路π型滤波电路输出，再由四个运算放大器A1-A4组成运算电路。

4、根据权利要求1所述的基于介电方法的土壤含水率检测装置，其特征在于：所述线路板B上包括A/D转换芯片和LCD显示屏，A/D转换芯片将模拟电压信号转换为数字信号后，送至LCD显示屏显示。

5、根据权利要求1所述的基于介电方法的土壤含水率检测装置，其特征在于：所述下固定板底部设有一层用于防水的还氧树脂胶板。

6、根据权利要求1所述的基于介电方法的土壤含水率检测装置，其特征在于：所述的双针探头是可更换的，双针探头与下固定板为活动连接。

7、根据权利要求1或6所述的基于介电方法的土壤含水率检测装置，其特征在于：所述双针探头通过螺母与下固定板固定，并通过外壳的内壁插槽与外壳固定。

8、根据权利要求1所述的基于介电方法的土壤含水率检测装置，其特征在于：所述的外壳、上固定板与下固定板由塑料制成，双针探头由铜制成。