一种基于振荡回路的土壤湿度传感器及其工作方法技术

本发明专利技术涉及地质检测设备领域，公开了一种基于振荡回路的土壤湿度传感器及其工作方法。其将两个电极板及处于两电极板之间的土壤视为一个电容器，然后利用振荡回路频率与电容值的关系和电容值与介电常数的关系，通过获取的振荡回路频率值，可反推得到土壤的介电常数，进而得到土壤的湿度值，如此可以排除传输FDR和TDR的线性度不高的缺陷，能够快速实现土壤水分的快速、准确和稳定的测量。此外，所述土壤湿度传感器还具有电路结构简单、成本低廉和应用方便等特点，实用性强，便于实际推广和使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及地质检测设备领域，具体地，涉及一种基于振荡回路的土壤湿度传感器及其工作方法。
技术介绍
现有的土壤墒情测量方法以TDR(Time-DomainReflectometry，时域反射技术)和FDR(Frequency-DomainReflectometer，频域反射技术)为主。其中，TDR技术的工作原理是利用电磁波在不同介电常数的介质中传输速率不一样特性，通过精确测量电磁波从发送端到接收端的时间差，从而得到电磁波在土壤中的传输速率，从而反推出介电常数，并进而得到土壤容积含水量(即湿度值)。而FDR技术是利用电磁脉冲原理，根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数，并进而得到土壤容积含水量。现有的FDR和TDR技术虽然有效，但是都存在线性度低、精度易受环境因素影响、电路复杂、设备较昂贵和现场安装流程复杂等问题，适用性有限。
技术实现思路
针对前述现有技术的问题，本专利技术提供了一种基于振荡回路的土壤湿度传感器及其工作方法，其将两个电极板及处于两电极板之间的土壤视为一个待测容值的平行板电容器，然后利用振荡回路频率与电容值的关系以及电容值与介电常数的关系，通过获取振荡回路的频率值，可反推得到土壤的介电常数，进而得到土壤的湿度值，如此可以排除传统FDR和TDR方法中线性度不高的缺陷，能够快速实现土壤水分的快速、准确和稳定的测量。此外，所述土壤湿度传感器还具有电路结构简单、成本低廉和应用方便等特点，实用性强，便于实际推广和使用。本专利技术采用的技术方案,一方面提供了一种基于振荡回路的土壤湿度传感器，包括平行板电容器、电感、振荡模块、计数模块和处理模块，其中，所述平行板电容器包括两电极板和固定连接两电极板的绝缘件，同时使两电极板相互平行，并分别作为所述平行板电容器的两极；所述平行板电容器的两极与所述电感并联构成一个振荡回路，并使所述振荡回路依次串联所述振荡模块、所述计数模块和所述处理模块。优化的，所述振荡模块包括型号为MC100EL1648D的压控振荡器放大器、第一电容、第八电容、第九电容、第一电阻和第三电阻；所述压控振荡器放大器的第八引脚连接所述第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端与所述压控振荡器放大器的第一引脚之间并联所述振荡回路；所述压控振荡器放大器的第二引脚和第三引脚相连，然后分别连接接地的所述第八电容和接地的所述第九电容；所述压控振荡器放大器的第五引脚和第七引脚相连，然后连接接地的所述第一电容，同时依次串联所述第一电阻和直流电源；所述压控振荡器放大器的第六引脚接地，所述压控振荡器放大器的第四引脚作为所述振荡模块的输出端。优化的，所述计数模块包括型号为MC74HC4040AD的12级二机制纹波计数器、第四电阻和第七电阻；所述12级二机制纹波计数器的第十引脚作为所述计数模块的输入端，并分别连接所述第四电阻的一端和所述第七电阻的一端，所述第四电阻的另一端和所述12级二机制纹波计数器的第十六引脚分别连接直流电源，所述第七电阻的另一端接地；所述12级二机制纹波计数器的第八引脚接地，所述12级二机制纹波计数器的第十一引脚连接所述处理模块的控制输出端，所述12级二机制纹波计数器的12个输出引脚作为所述计数模块的输出端。优化的，所述处理模块包括型号为STM8L151C8T6-48的单片机芯片、第三电容和第五电阻；所述单片机芯片的第二引脚作为所述处理模块的控制输出端，并分别连接所述第三电容的一端和所述第五电阻的一端，所述第五电阻的另一端连接直流电源，所述第三电容的另一端接地。优化的，在所述振荡模块与所述计数模块之间串联有预分频模块。进一步优化的，在所述振荡模块与所述预分频模块之间或在所述预分频模块与所述计数模块之间串联有隔直电容。所述预分频模块采用型号为MC12080D的预分配器。优化的，所述电极板的外表面设有镀锌层。本专利技术采用的技术方案,另一方面提供了一种前述基于振荡回路的土壤湿度传感器的工作方法，包括如下步骤：S101.将平行板电容器插入到待测土壤中；S102.启动振荡模块，对振荡回路进行激励，产生振荡信号；S103.将所述振荡信号导入计数模块，通过计数模块的计数，获取所述振荡信号的频率测量值f；S104.处理模块获取所述频率测量值f，并从本地读取平行板电容器的电极板面积S和板间距离d，然后按照如下公式计算待测土壤的介电常数ε：ϵ=dϵ0SL(2πf)2]]>式中，ε0为真空介电常数，L为振荡回路中电感的电感值；S105.按照如下公式计算待测土壤的湿度值然后输出所述湿度值优化的，当在所述振荡模块与所述计数模块之间串联有预分频模块时，则按照如下公式按照如下公式计算待测土壤的介电常数ε：ϵ=dϵ0SL(2πλf)2]]>式中，ε0为真空介电常数，L为振荡回路中电感的电感值，λ为预分频模块的预分频比。综上，采用本专利技术所提供的一种基于振荡回路的土壤湿度传感器及其工作方法，具有如下有益效果：(1)其将两个电极板及处于两电极板之间的土壤视为一个待测容值的平行板电容器，然后利用振荡回路频率与电容值的关系以及电容值与介电常数的关系，通过获取振荡回路的频率值，可反推得到土壤的介电常数，进而得到土壤的湿度值，如此可以排除传统FDR和TDR方法中线性度不高的缺陷，能够快速实现土壤水分的快速、准确和稳定的测量；(2)可以实现在一定区域范围内的单点单深度，多点多深度的快速土壤湿度测量；(3)采用TTL电平串行数字信号输出，可具有很强的抗干扰能力，具备远距离传输能力；(4)所述土壤湿度传感器还具有电路结构简单、成本低廉和应用方便等特点，实用性强，便于实际推广和使用。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术提供的基于振荡回路的土壤湿度传感器的结构框图。图2是本专利技术提供的基于振荡回路的土壤湿度传感器的电路图。图3是本专利技术提供的基于振荡回路的土壤湿度传感器的工作方法流程图。上述附图中：1、电容101、电极板2、振荡模块3、计数模块4、处理模块5、预分频模块。具体实施方式以下将参照附图，通过实施例方式详细地描述本专利技术提供的基于振荡回路的土壤湿度传感器及其工作方法。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本专利技术，但并不构成对本专利技术的限定。本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。实施例一图1示出了本专利技术提供的基于振荡回路的土壤湿度传感器的结构框图，图2示出了本专利技术提供的基于振荡回路的土壤湿度传感器的电路图，图3示出了本专利技术提供的基于振荡回路的土壤湿度传感器的工作方法流程图。本实施例提供的所述基于振荡回路的土壤湿度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于振荡回路的土壤湿度传感器，其特征在于，包括平行板电容器(1)、电感(L1)、振荡模块(2)、计数模块(3)和处理模块(4)，其中，所述平行板电容器(1)包括两电极板(101)和固定连接两电极板(101)的绝缘件，同时使两电极板(101)相互平行，并分别作为所述平行板电容器(1)的两极；所述平行板电容器(1)的两极与所述电感(L1)并联构成一个振荡回路，并使所述振荡回路依次串联所述振荡模块(2)、所述计数模块(3)和所述处理模块(4)。

【技术特征摘要】
1.一种基于振荡回路的土壤湿度传感器，其特征在于，包括平行板电容器(1)、电感(L1)、振荡模块(2)、计数模块(3)和处理模块(4)，其中，所述平行板电容器(1)包括两电极板(101)和固定连接两电极板(101)的绝缘件，同时使两电极板(101)相互平行，并分别作为所述平行板电容器(1)的两极；所述平行板电容器(1)的两极与所述电感(L1)并联构成一个振荡回路，并使所述振荡回路依次串联所述振荡模块(2)、所述计数模块(3)和所述处理模块(4)。2.如权利要求1所述的一种基于振荡回路的土壤湿度传感器，其特征在于，所述振荡模块(2)包括型号为MC100EL1648D的压控振荡器放大器、第一电容(C1)、第八电容(C8)、第九电容(C9)、第一电阻(R1)和第三电阻(R3)；所述压控振荡器放大器的第八引脚(BIAS)连接所述第三电阻(R3)的一端，所述第三电阻(R3)的另一端与所述压控振荡器放大器的第一引脚(TANK)之间并联所述振荡回路；所述压控振荡器放大器的第二引脚(VCC1)和第三引脚(VCC2)相连，然后分别连接接地的所述第八电容(C8)和接地的所述第九电容(C9)；所述压控振荡器放大器的第五引脚(AGC)和第七引脚(VEE2)相连，然后连接接地的所述第一电容(C1)，同时依次串联所述第一电阻(R1)和直流电源(VCC)；所述压控振荡器放大器的第六引脚(VEE1)接地，所述压控振荡器放大器的第四引脚(OUT)作为所述振荡模块(2)的输出端。3.如权利要求1所述的一种基于振荡回路的土壤湿度传感器，其特征在于，所述计数模块(3)包括型号为MC74HC4040AD的12级二机制纹波计数器、第四电阻(R4)和第七电阻(R7)；所述12级二机制纹波计数器的第十引脚(CLOCK)作为所述计数模块(3)的输入端，并分别连接所述第四电阻(R4)的一端和所述第七电阻(R7)的一端，所述第四电阻(R4)的另一端和所述12级二机制纹波计数器的第十六引脚(VCC1)分别连接直流电源(VCC)，所述第七电阻(R7)的另一端接地；所述12级二机制纹波计数器的第八引脚(GND)接地，所述12级二机制纹波计数器的第十一引脚(RESET)连接所述处理模块(4)的控制输出端，所述12级二机制纹波计数器的12个输出引脚(Q1～Q12)作...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷印杰，冯思宇，伍泓屹，陈文杰，张德茂，
申请(专利权)人：四川云农高地智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51