一种基于幅值比检测土壤含水量的系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于幅值比检测土壤含水量的系统，电容式探头和检测电路，所述电容式探头通过连接线与所述检测电路连接，所述电容式探头包括驱动极板、感应极板、绝缘连接杆和插座，所述检测电路包括信号激励源模块、信号放大模块、分压元件、幅值比检测电路模块、电源模块。本发明专利技术的电容式探头结构简单，制作方便，其敏感范围大，对土壤扰动小，给出的基于幅值变比检测电路，可有效避免激励信号源电平变化而影响测量精度，该系统具有成本低，性能稳定，输入输出接口简单等优点，便于二次仪表的开发。

【技术实现步骤摘要】
一种基于幅值比检测土壤含水量的系统
：本专利技术属于土壤含水量检测
，具体是涉及一种基于幅值比检测土壤含水量的系统。
技术介绍
：目前，基于土壤介电特性的土壤含水量按测量原理可分为时域反射法(TDR)、频域反射法(FDR)、驻波率法(SWR)和电容法。电容法具有技术简单、成本低等优点，市面上有相关的商品化产品，如国外DecagonDevics公司生产的ECH2O系列土壤含水量传感器，备受学者青睐。然而学者研究表明ECH2O系列传感器也存在一些不足：①成本还是较高，探头单价60＄左右；②输出信号受供电电压影响；③输出信号受土壤盐分影响；④正、负极板区域敏感度不同。国内相关学者对电容式水分传感器也开展了相关研究，基于土壤介电特设计的探头结构多为铜环式(专利：CN107505361A、CN108195897A、CN105758901A)，多探针插入式(CN101701929A、CN204165927U、CN202676649U、CN104111276A)，平面刀叉式(CN108051485A、CN202974930U)。铜环式使用采用埋入法，不便于快速测量，敏感区域局限于铜环外侧之间；多探针插入式可以直接插入土壤实现快速测量，可这种多针插入对土壤扰动大，测试区域局限于探针之间，敏感范围有限；采用PCB技术制作的平面刀叉式，尺寸小，结构简单，插入对土壤扰动较小，由于电极的形式只能为平面式电容，这样就限制了产品的测量精度及分辨率，并且使用时对于土壤与电极接触的要求很高。从检测技术上来讲，目前电容法土壤含水量传感器普遍采用高频LC谐振技术，如专利CN107505361A、CN108195897A、CN105758901A、CN104977329A；方波激励下的RC充放电检波技术，如专利CN108051485A、CN103662745A、CN204389425U。谐振法电路设计简单，可由于土壤作为非绝缘介质，其等效电容大小与信号频率有关，故谐振法本身就存在测量原理误差。而方波激励下的RC充放电检波技术，尽管检波技术不同，但RC充放电信号都与方波电平有关，张荣标在《WSN土壤湿度采集节点电压补偿方法研究》一文中分析了工作电压对RC充放电信号的影响。
技术实现思路
：为此，本专利技术针对现有技术中土壤含水量检测的缺点，提出了一种基于幅值比检测土壤含水量的系统，其设计了一种结构简单、加工方便、适用于快速现场测量单针插入式探头，并给出了基于幅值变比的检测电路，可有扩大传感器敏感区域，避免激励信号源电平变化而影响电容式土壤含水量检测的测量精度。为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种基于幅值比检测土壤含水量的系统，包括电容式探头和检测电路，所述电容式探头通过连接线与所述检测电路连接，所述电容式探头包括驱动极板、感应极板和绝缘连接杆，所述绝缘连接杆的第一端连接所述驱动极板，所述绝缘连接杆的第二端连接所述感应极板，所述绝缘连接杆的顶端安装有与所述连接线连接的插座，所述驱动极板的导电面通过细导线与所述插座的内侧面电连接，所述感应极板与所述插座的外侧面电连接；所述检测电路包括信号激励源模块、信号放大模块、分压元件、幅值比检测电路模块、电源模块，所述信号激励源模块的输出端通过信号放大模块与所述分压元件的输入端连接，所述分压元件的输出端与所述电容式探头的等效电容的输入端连接，所述幅值比检测电路模块的第一输入端通过第一衰减器与信号激励源模块的输出端连接，所述幅值比检测电路模块的第二输入端通过第二衰减器与分压元件的输出端连接，所述幅值比检测电路模块的输出端为系统的信号输出端，所述电源模块分别为所述信号激励源模块、信号放大模块以及所述幅值比检测电路模块供电。作为上述技术方案的优选，所述驱动极板为圆柱探针或者是采用PCB制作的扁平探针，所述感应极板为采用PCB制作的同心圆板，所述驱动极板和所述感应极板的表面均涂覆有绝缘层。作为上述技术方案的优选，所述驱动极板、所述感应极板、所述绝缘连接杆中心轴同轴安装，所述驱动极板的长度为所述感应极板内径的2～4倍，所述感应极板的外径和内径比值范围为2.5～2，所述绝缘连接杆的长度为所述感应极板内径的1.5～2倍。作为上述技术方案的优选，所述插座选取SMA型插座或BNC型插座。作为上述技术方案的优选，所述信号激励源模块采用高频振荡电路，所述高频振荡电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电感L1、三极管Q1，三极管Q1的基极连接第一电阻R1的第一端，第一电阻R1的第二端连接+5V电压，三极管Q1的发射极串联第三电阻R3后接地，三极管Q1的集电极串联第一电感L1后连接+5V电压，第二电阻R2的第一端连接三极管Q1的基极，第二电阻R2的第二端接地，第二电容C2的第一端连接+5V电压，第二电容C2的第二端连接三极管Q1的发射极，第三电容C3的第一端连接第二电容C2的第二端，第三电容C3的第二端连接三极管Q1的集电极，第四电容C4的第一端连接三极管Q1的发射极，第四电容C4的第二端连接信号放大模块的输入端。作为上述技术方案的优选，所述信号激励源模块采用型号为AD9959的DDS芯片，型号为AD9959的DDS芯片是一款四通道、内部时钟频率高达500MHz的直接数字频率合成器芯片，信号激励源模块的输出端输出模拟正弦波信号给信号放大模块的输入端。作为上述技术方案的优选，所述幅值比检测电路模块采用型号为AD8302的芯片U2，芯片U2的2脚串联第五电容C5后与信号激励源模块的输出端连接，芯片U2的6脚串联第六电容C6后与分压元件的输出端连接。作为上述技术方案的优选，所述信号放大模块为高频射频信号放大器，采用型号为HMC1099PM5E的芯片。作为上述技术方案的优选，所述分压元件采用精密电阻或者是精密电容。作为上述技术方案的优选，所述第一衰减器和所述第二衰减器采用型号为HMC658LP2的芯片。本专利技术的有益效果在于：电容式探头结构简单，制作方便，其敏感范围大，对土壤扰动小，给出的基于幅值变比检测电路，可有效避免激励信号源电平变化而影响测量精度，该系统具有成本低，性能稳定，输入输出接口简单等优点，便于二次仪表的开发。附图说明：以下附图仅旨在于对本专利技术做示意性说明和解释，并不限定本专利技术的范围。其中：图1为本专利技术一个实施例的一种基于幅值比检测土壤含水量的系统结构框图；图2为本专利技术一个实施例的第一种电容式探头的第一结构示意图；图3为本专利技术一个实施例的插座结构示意图。图4为本专利技术一个实施例的第一种电容式探头的第二结构示意图；图5为本专利技术一个实施例的第二种电容式探头的第一结构示意图；图6为本专利技术一个实施例的一种基于幅值比检测土壤含水量的系统的电路原理图；图7为本专利技术一个实施例的一种高频振荡电路原理图；图8为本专利技术一个实施例的幅值比检测电路模块的电路原理图。图中符号说明：1-驱动极板，2-感应极板，3-绝缘连接杆，4-插座，5-细导线，101-导电面，401-插座的内侧面，402-插座的外侧面。具体实施方式：如图1所示，本专利技术的一种基于幅值比检测土壤含水量的系统，包括电容式探头和检测电路，所述电容式探头通过连接线与所述检测电路连接。如图2、图3所示，所述电容式探头包括驱动极板本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于幅值比检测土壤含水量的系统，包括电容式探头和检测电路，所述电容式探头通过连接线与所述检测电路连接，其特征在于：所述电容式探头包括驱动极板(1)、感应极板(2)和绝缘连接杆(3)，所述绝缘连接杆(3)的第一端连接所述驱动极板(1)，所述绝缘连接杆(3)的第二端连接所述感应极板(2)，所述绝缘连接杆(3)的顶端安装有与所述连接线连接的插座(4)，所述驱动极板(1)的导电面(101)通过细导线(5)与所述插座(4)的内侧面(401)电连接，所述感应极板(2)与所述插座(4)的外侧面(402)电连接；所述检测电路包括信号激励源模块、信号放大模块、分压元件、幅值比检测电路模块、电源模块，所述信号激励源模块的输出端通过信号放大模块与所述分压元件的输入端连接，所述分压元件的输出端与所述电容式探头的等效电容的输入端连接，所述幅值比检测电路模块的第一输入端通过第一衰减器与信号激励源模块的输出端连接，所述幅值比检测电路模块的第二输入端通过第二衰减器与分压元件的输出端连接，所述幅值比检测电路模块的输出端为系统的信号输出端，所述电源模块分别为所述信号激励源模块、信号放大模块以及所述幅值比检测电路模块供电。...

【技术特征摘要】
1.一种基于幅值比检测土壤含水量的系统，包括电容式探头和检测电路，所述电容式探头通过连接线与所述检测电路连接，其特征在于：所述电容式探头包括驱动极板(1)、感应极板(2)和绝缘连接杆(3)，所述绝缘连接杆(3)的第一端连接所述驱动极板(1)，所述绝缘连接杆(3)的第二端连接所述感应极板(2)，所述绝缘连接杆(3)的顶端安装有与所述连接线连接的插座(4)，所述驱动极板(1)的导电面(101)通过细导线(5)与所述插座(4)的内侧面(401)电连接，所述感应极板(2)与所述插座(4)的外侧面(402)电连接；所述检测电路包括信号激励源模块、信号放大模块、分压元件、幅值比检测电路模块、电源模块，所述信号激励源模块的输出端通过信号放大模块与所述分压元件的输入端连接，所述分压元件的输出端与所述电容式探头的等效电容的输入端连接，所述幅值比检测电路模块的第一输入端通过第一衰减器与信号激励源模块的输出端连接，所述幅值比检测电路模块的第二输入端通过第二衰减器与分压元件的输出端连接，所述幅值比检测电路模块的输出端为系统的信号输出端，所述电源模块分别为所述信号激励源模块、信号放大模块以及所述幅值比检测电路模块供电。2.根据权利要求1所述的一种基于幅值比检测土壤含水量的系统，其特征在于：所述驱动极板(1)为圆柱探针或者是采用PCB制作的扁平探针，所述感应极板(2)为采用PCB制作的同心圆板，所述驱动极板(1)和所述感应极板(2)的表面均涂覆有绝缘层。3.根据权利要求1所述的一种基于幅值比检测土壤含水量的系统，其特征在于：所述驱动极板(1)、所述感应极板(2)、所述绝缘连接杆(3)中心轴同轴安装，所述驱动极板(1)的长度为所述感应极板(2)内径的2～4倍，所述感应极板(2)的外径和内径比值范围为2.5～2，所述绝缘连接杆(3)的长度为所述感应极板(2)内径的1.5～2倍。4.根据权利要求1所述的一种基于幅值比检测土壤含水量的系统，其特征在于：所述插座(4)选取SMA型插座或BNC...

【专利技术属性】
技术研发人员：盛庆元，高琦樑，余方彬，张西良，沃金平，
申请(专利权)人：绍兴职业技术学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33