[發明專利]基于鎖相環技術的超高測量精度電容法土壤水分測量儀

在審

• 申請號: 201710953020.4
• 申請日: 2017-10-13
• 公開（公告）號: CN107505361A
• 公開（公告）日: 2017-12-22
• 發明（設計）人: 張永立;賀新民;葉志剛;崔家寬;陳光祖;楊浩
• 申請（專利權）人: 徐州市偉思水務科技有限公司;張永立
• 主分類號: G01N27/22
• 分類號: G01N27/22
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種電容法土壤水分測量儀，特別是基于鎖相環技術的超高測量精度電容法土壤水分測量儀。

背景技術

水分是土壤的一個重要組成部分，不僅影響土壤的物理性質，是土壤肥力的一個重要因素，而且是一切作物賴以生存的基本條件，對土壤水分的了解和研發在理論和生產上都有重要的意義，其應用領域如：1、耕耘、灌溉及施肥的農業活動，可采用本土壤水分測量儀事先測量土壤中的含水量，做到實時在線，根據需水量智能化的灌溉，最大限度的節約農業灌溉用水。2、在進行一些工程建設（如鐵路、公路、水電站、渠道、房屋等）時，利用土壤水分儀測量土壤水分情況也是必不可少的資料。3、還可以應用到混凝土攪拌過程中實時在線監測控制，糧食水分的監測測量，甚至可以用到山洪泥石流的水分實時監測報警。

當今幾種土壤水分的測量方法，有以下幾種；1，頻域反射法、2，時域反射法、3，中子法、4，負壓法、5，電阻法、6，電容法；除了頻域反射法和電容法，其他方法或多或少存在需要介入式，測量精度不高，穩定性及測量結果重復性差等缺點，而中子法測量精確度高，但又存在有輻射的缺點。

電容法土壤水分儀為非介入式測量方法，其結構包括有普通LC振蕩器，LC振蕩器所產生的高頻信號震蕩頻率穩定性較差，約為10^-3~10^-5 Hz，高頻信號震蕩頻率激發在擬合電容的兩銅環上，高頻頻率隨擬合電容容值變化而變化，以擬合電容變化量值反演運算獲得對應土壤的水分含量的偏差量，因此現有水分儀的上述缺點或技術缺陷，其精度、分辨率及穩定性不會太高。

發明內容

本發明的目的是要提供一種測量精確度高的基于鎖相環技術的電容法土壤水分測量儀。

本發明的目的是這樣實現的：該水分測量儀包括：單片機MCU、AD轉換器、鎖相環電路PLL、壓控振蕩器VCO、變容二極管和擬合電容；

單片機MCU的輸出端與鎖相環電路PLL的輸入端連接，鎖相環電路PLL的鎖相電壓PD同時與壓控振蕩器VCO的輸入端、變容二極管的負極、開關K1和AD轉換器的輸入端連接，AD轉換器的輸出端與單片機MCU的輸入端連接；變容二極管的正極接地；開關K1的另一端通過擬合電容接地。

進一步的，變容二極管的正極與校準電容連接，同時接地；校準電容的另一端與開關K2的一端連接，開關K2的另一端與變容二極管的負極連接。

所述的單片機MCU包括鍵盤和顯示器及外圍繞構件，鍵盤與單片機MCU的輸入端連接，顯示器與單片機MCU輸出端連接。

所述的擬合電容包括：密封頂蓋、PVC絕緣支架、傳感器節點、銅環、PVC絕緣管和圓錐堵頭；在PVC絕緣管兩端分別連接有密封頂蓋和圓錐堵頭，在PVC絕緣管內間斷有PVC絕緣支架在兩個PVC絕緣支架之間有傳感器節點。

所述的鎖相環電路PLL有鎖相環芯片（U4），鎖相環芯片（U4）的1腳通過射極跟隨器和電阻R3與AD轉換器連接，鎖相環芯片（U4）的20腳通過串聯的電容（C12）（C11）和電阻R3與AD轉換器（U5）連接，在電容（C11）上并聯有電阻（R4）；鎖相環芯片（U4）的8腳通過電容（C15）接地，鎖相環芯片（U4）的9腳接地；鎖相環芯片（U4）的7腳通過串聯的電容（C13）（C7）與變容二極管（Dz）的負極和開關K1連接；鎖相環芯片（U4）的19腳通過串聯的晶振和電容（C14）接電源，鎖相環芯片（U4）的17腳接電源，鎖相環芯片（U4）的15腳和16腳接為單片機接口（U3）；變容二極管（Dz）的負極通過串聯的開關K1、電容（C8）（C9）與擬合電容接口的2端連接，變容二極管（Dz）的正極通過電容（C10）與擬合電容接口的1端連接，變容二極管（Dz）的正極接地，變容二極管的二端并聯有電容（C6）和電感，同時還并聯有串聯的開關K2校準電容；變容二極管（Dz）的負極與AD轉換器（U5）連接。

所述的壓控振蕩器VCO有振蕩芯片（U1），振蕩芯片（U1）的2腳通過電容（C1）接地，振蕩芯片（U1）的3腳同時與電阻（R1）（R2）和電容（C5）連接，電阻（R2）另一端接電源，電容（C5）與電阻（R1）并聯后再與電容（C4）串聯，并接地；在振蕩芯片（U1）的3腳和4腳之間跨接有電容（C2），振蕩芯片（U1）的5腳接地，振蕩芯片（U1）的9腳接電源，振蕩芯片（U1）的8腳通過電容（C3）與變容耦合器的變容二極管（Dz）的負極連接。