[實用新型]差分信號交織控制的土壤含水率傳感器

有效

• 申請號: 201520310787.1
• 申請日: 2015-05-14
• 公開（公告）號: CN204679442U
• 公開（公告）日: 2015-09-30
• 發明（設計）人: 傅文淵;凌朝東;李國剛;劉一平;林薇
• 申請（專利權）人: 華僑大學
• 主分類號: G01N27/04
• 分類號: G01N27/04;G01N27/22
• 代理公司: 廈門市首創君合專利事務所有限公司 35204
• 代理人: 張松亭

技術領域

本實用新型涉及一種土壤含水率傳感器。

背景技術

隨著電子自動化和傳感器技術不斷發展,土壤含水率檢測成為衡量工農業自動化程度的重要指標。研究土壤水分檢測可以自動預測和判定植物需水規律，提高農業電子自動化進程和指導節約農業灌溉用水。傳統的土壤含水率測量方法有質量法、中子法、γ射線法、電阻法、電容法、時域反射法、核磁共振法等。其中，質量法原理簡單，精度高，已成為標定的測量方法。但是其測量具有不可逆性，無法重復測試。核磁共振法、中子法和γ射線法采用放射性的測量原理，限制了其應用領域。傳統的電阻法操作簡單，實時性強，然而測量精度較低。時域反射法由于理論性和實用性都很強，且具有不破壞樣本、快速和容易操作等優點，是近年來使用較多、發展較快的一種測定土壤含水率的方法，但是該方法測試較為復雜，成本較高。電容法測定土壤含水率實質是測量土壤介電常數。然而，由于土壤含水率傳感器電極輸出必須要接觸土壤，因此土壤的非線性因素會使有效信號失真，通過電極耦合到傳感器內部，造成傳感器電路性能降低。目前未見相關文獻報道研究基于含水率傳感器電極輸出信號的諧波抑制。

基于此，本文結合電阻法和電容法，提出一種測量土壤含水率的方法，并在此基礎上設計了基于差分信號交織控制的土壤含水率傳感器。利用集成時基計時器設計差分交織控制電路。該電路包含兩個新型雙穩態觸發器，將觸發器輸出加載到傳感器電極。當土壤的含水率變化時通過電極反饋到雙穩態觸發器，根據反饋輸出信號的變化差計算出土壤含水率。同時，為了抑制電極反饋信號的諧波失真，設計了雙端輸入雙端輸出差分形式，并建立數學模型對相關電路元件優化設計和仿真驗證。最后，根據建立的數學模型構建傳感器硬件結構。實測的結果表明，該傳感器具有較好的性能。

實用新型內容

本實用新型所要解決的主要技術問題是提供一種土壤含水率傳感器，信號總諧波失真較小，輸出信號線性性能顯著提高，同時降低土壤雜散物質對輸出信號的影響。

為了解決上述的技術方案，本實用新型提供了一種差分信號交織控制的土壤含水率傳感器，包括：差分交織控制電路、波形發生器、MCU、電源轉換電路和電極模塊；

所述差分交織控制電路產生兩路反相調制信號，并將電極輸出信號變化差值反饋到MCU中；電源轉換電路提供傳感器系統所需的不同電源，保證系統正常工作；波形發生器產生差分交織控制電路所需要的激勵輸入信號V_in1和V_in2；土壤含水量變化引起電極模塊極化，通過雙穩態觸發器將變化的土壤含水量轉化為周期特性信號，利用MCU測量周期特性信號的周期，進而得到土壤含水量。

在一較佳實施例中：所述差分交織控制電路包括集成式計時器U₁和U₂；所述U₁和U₂的thr端和tri端分別與所述輸入信號V_in1和V_in2連接；所述U₁和U₂的con端和gnd端之間分別連接濾波電容C₂和C₄；所述U₁和U₂的rst端與vcc端連接后分別通過降壓電阻網絡與調諧電容C₁和C₃連接后接入gnd端；所述U₁和U₂的dis端與待檢測的土壤連接；所述U₁和U₂的out端與所述電極模塊連接。

在一較佳實施例中：所述輸入信號V_in1和V_in2的幅度相等，相位相差180°。

在一較佳實施例中：電極模塊由兩片8mm?x?120mm金屬組成；兩片金屬電極間距為12mm；每片電極按照均勻分布刻蝕1mm的銅極。

在一較佳實施例中：所述降壓電阻網絡為串聯連接的第一降壓電阻網絡電阻R1、R3；以及串聯連接的第二降壓電阻網絡R2、R4。

相較于現有技術，本實用新型的技術方案具備以下有益效果：