一种基于TDR及相位检测技术的高精度水分测量仪制造技术

本发明专利技术公开了一种基于TDR及相位检测技术的高精度水分测量仪，包括测量电路和主控电路，其中测量电路中包含C校模块，主控电路中包含反扫频电路，利用高频信号加至测量电路的两电极，测量高频信号经锁相环的锁相和在TDR时域传输并反馈及处理，通过锁相环的鉴相器，采用拉普拉斯中值定律算法、以微分积分为核心的无限趋近算法计算，实现超高精度水分测量。本发明专利技术采用放大器增强高频信号的强度，信号的有效传输距离大幅度提高，最大测量半径达到5m；将PD电压变量值均分后按电压逐次递增的方式，依次分别加至变容二极管的负端，利用反扫频和锁相环的锁相技术分别得出若干个水分测量值，再平均加权运算得到最终水分测量值，测量精度大大提高。

A high precision moisture measuring instrument based on TDR and phase detection technology

The invention discloses a high-precision moisture measuring instrument based on TDR and phase detection technology, which comprises a measuring circuit and a main control circuit. The measuring circuit includes a C-calibration module, and the main control circuit contains a reverse sweep frequency circuit. The high-frequency signal is added to the two electrodes of the measuring circuit to measure the phase-locked and phase-locked high-frequency signals through a phase-locked loop. Time-domain transmission, feedback and processing, phase-locked loop phase detector, Laplace median law algorithm and infinite approximation algorithm with differential integral as the core are used to achieve ultra-high precision moisture measurement. The invention adopts an amplifier to enhance the strength of high frequency signal, the effective transmission distance of the signal is greatly increased, and the maximum measuring radius reaches 5m; after dividing the value of the PD voltage variable equally, it is added to the negative end of the varactor in turn by increasing the voltage step by step, and a number of them are obtained respectively by using the technology of reverse sweep frequency and phase-locked loop. The final moisture content is obtained by measuring the moisture content and the average weighted operation, and the measurement accuracy is greatly improved.

【技术实现步骤摘要】
一种基于TDR及相位检测技术的高精度水分测量仪
本专利技术涉及一种高精度水分测量仪，尤其涉及一种基于TDR及相位检测技术的高精度水分测量仪。
技术介绍
水分测量仪广泛应用于土壤、粮食、烟草、茶叶、混凝土原料、陶坯原料等的水分测量。以土壤水分的测量为例，水分的精确测量及浇灌控制对于农作物的培育、生长、产量及品质具有极其重要的意义。同样，含水量的精确测量对于粮食、烟草、茶叶的储存加工，以及混凝土原料、陶坯原料的精确配比有着极为重要的作用。中国专利200420053196.2公开了一种微量水分测定仪，其检测电路主要是将正弦波电源加在第一变压器的初级线圈上，第一变压器的次级线圈通过限流电阻为两检测电极提供工作电源，两检测电极间的电压随着电解液状态的变化而变化，该变化的电压由第二变压器检测，然后送向后续电路进行信号处理。中国专利201610036246.3公开了一种高精度微量水分测量仪检测电路，包括第一电路和第二电路，第一电路与光电耦合器的输入端相连接，第二电路与光电耦合器的输出端相连接，第一电路的电源与第二电路的电源相独立；第一电路中对称波发生器通过限流电阻连接检测电极的正极，检测电极的负极连接第一电路的电源负极；检测电极的正极为检波器提供输入信号，检波器驱动光电耦合器的输入端。此种检测电路使得第一电路与第二电路完全分割开来，而电解液的状态变化反应在第一电路中，避免了第二电路对第一电路的影响，从而提高了测量仪的精度；对称波发生器通过线性分压取得检测信号，使得测量仪能够连续重复测量。但是，随着精度要求的提高，现有的水分测量仪的精度不够，会导致所测量的结果不准确。专利
技术实现思路
本专利技术为解决上述问题，提供一种基于TDR及相位检测技术的高精度水分测量仪。本专利技术为达到上述目的，所采取的技术方案是：一种基于TDR及相位检测技术的高精度水分测量仪，包括测量电路和主控电路，其中测量电路中包含C校模块，主控电路中包含反扫频电路，利用高频信号加至测量电路的两电极，测量高频信号经锁相环的锁相和在TDR时域传输并反馈及处理，通过锁相环的鉴相器，采用拉普拉斯中值定律算法、以微分积分为核心的无限趋近算法计算，实现超高精度水分测量。进一步的，所述测量电路中采用两级RF放大器，高频信号先经RF1放大器放大幅度后输出至电极1，再辐射至两电极所包围的被测物质，此时电极1上高频信号的频率、时间、相位以及信号的磁滞特性发生改变，改变后的高频信号接入电极2，并通过与之连接的RF2放大器进一步的缓冲放大，大幅度扩展了测量半径，测量半径的最大值达到5m。进一步的，所述水分测量仪包括：MCU、A/D转换器、锁相环电路PLL、压控振荡器VCO、开关K1、K2、K3，RF1放大器、RF2放大器、电极1、电极2、C校模块、D/A变容电压反扫描单元、外设；以锁相环电路PLL的压控振荡器VCO锁定频率信号输出，首先合上K1,经RF1放大器放大幅度后输出至电极1，再辐射至两电极所包围的被测物质，此时电极1上高频信号的频率、时间、相位以及信号的磁滞特性发生改变，改变后的高频信号接入电极2，合上K2，与之连接的RF2放大器进一步的缓冲放大，此时频率、相位在设定范围内不发生变化，而高频信号经被测物质辐射并接到电极2时发生的变化是RF2放大器的高频信号特性变化量；此特性变化量信号继续接入锁相环电路PLL的PD鉴相器，其中一路频率信号输入端与锁相环鉴相器基本频率信号进行鉴相处理，得到的误差负反馈到锁定电压上，从而得到PD电压的变量值即实时值PD2；此时，若被测物质水分含量增大则PD电压增高，反之PD电压降低；由以上过程，将开关K1、K2断开所测得的PD电压实时变量值PD1为基础值，PD2-PD1得到当前被测目标水分含量对应的PD电压总值，所得PD电压总值为单次测量值；C校模块由一开关串联校准电容，C校模块两端并联在两电极上，通过开关的开合，测量出PD电压前后两个值，将两个值做差值运算，得到的变量值与校准电容值进行比较，得到一个校正系数，由此校正系数去校正上述PD电压变量值；将首次测量获得的PD电压总值，由0至PD电压总值，按照一定的栅格电压n,并以栅格电压n的倍数，n*1、n*2、n*3…n*m,分成若干份，获得若干份对应的PD电压值，反扫频电路逐份将PD电压值加至锁相环变容二极管D1负端，配合压控振荡器VCO和锁相环电路PLL生成多种不同频率的激发信号，作用到测量目标，每份PD电压值加至变容二极管D1时形成一个实时电容值，此实时电容值与变容二极管D2形成一个总电容容量，当锁相环锁定，形成新的PD电压值，而后与在前的PD电压值比较，得到每份的差值；经过多次反扫频过程，得到若干个PD电压差值，将这些PD电压差值分别与对应的前一次经过校正的PD电压差值比较，运算得到多个校正系数，将得到的多个校正系数相加后平均，得到一个总校正系数，再去校正反扫频之前测得的PD电压总值，从而得到校正的PD电压差值，进而通过计算获得更准确的水分含量值。更进一步，所述电极1、电极2采用铜环，RF1放大器与铜环1之间设置开关K1，RF2放大器与铜环2之间设置开关K2，C校模块与锁相环电路PLL之间设置开关K3；检测时，开关K1、开关K2断开，由开关K3断开和合上后所测得的两个PD电压计算差值，再计算出当前C校模块的磁滞量值，进而计算出C校模块中电容C较值，将此值与预存的C较值比较，计算出一个校正系数，以校正测量的对应土壤水分的磁滞变量值，用于提高磁滞变量精度。更进一步的，所述RF1放大器输出信号至铜环1，再传输至待测物质，此时由于不同水分含量的待测物质电介质参数不同，致使信号传输到铜环2后，使信号的幅度、相位、频率发生变化，铜环2的信号经过RF2放大器放大后，再返回到锁相环电路PLL，经锁相环电路PLL与MCU原设置的基础频率比较，产生一个PD电压的相位误差值，由该误差电压负反馈至变容二极管D2的负极，使得变容二极管D2容量增大或减小，并配合压控振荡器VCO使其频率及相位等于或无限趋近原设置的基础频率，此时，被包裹的土壤及两铜环所造成的磁滞变量值对应PD2电压值，PD2电压值由A/D转换器转化为数据量，断开开关K1和开关K2，依照上述方法再测量变容二极管D2的负端电压PD1电压值，此值为变容二极管D2的基础0值对应的磁滞变量值，而后，由PD2-PD1生成一个磁滞变量值，由该值通过算法计算出当前两铜环所测量的水分含量值，将此水分含量值再经过标定，进一步提高测量精度。更进一步的，所述标定是指利用土壤墒情、酸碱度、盐度或温度。本专利技术的有益效果是：1、由于采用放大器RF1及RF2增强高频信号的强度，信号的有效传输距离大幅度提高，信号径向辐射范围大增，因而大大提高了测量范围，最大测量半径达到5m；2、将第一次所测PD电压变量值均分若干份，将均分后的份按电压逐次递增的方式，依次分别加至变容二极管的负端，利用反扫频和锁相环的锁相技术，分别得出若干个水分测量值，将若干个水分测量值平均加权运算得到最终水分测量值，测量精度大大提高。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1是本专利技术电路原理框图。具体实施方式实施例1一种基于TDR及相位检测技术的高精度水分测量仪，包括测量电路和主控电路，其中测量电路中包含C校模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于TDR及相位检测技术的高精度水分测量仪，包括测量电路和主控电路，其特征在于：其中测量电路中包含C校模块，主控电路中包含反扫频电路，利用高频信号加至测量电路的两电极，测量高频信号经锁相环的锁相和在TDR时域传输并反馈及处理，通过锁相环的鉴相器，采用拉普拉斯中值定律算法、以微分积分为核心的无限趋近算法计算，实现超高精度水分测量。

【技术特征摘要】
1.一种基于TDR及相位检测技术的高精度水分测量仪，包括测量电路和主控电路，其特征在于：其中测量电路中包含C校模块，主控电路中包含反扫频电路，利用高频信号加至测量电路的两电极，测量高频信号经锁相环的锁相和在TDR时域传输并反馈及处理，通过锁相环的鉴相器，采用拉普拉斯中值定律算法、以微分积分为核心的无限趋近算法计算，实现超高精度水分测量。2.根据权利要求1所述的基于TDR及相位检测技术的高精度水分测量仪，其特征在于：所述测量电路中采用两级RF放大器，高频信号先经RF1放大器放大幅度后输出至电极1，再辐射至两电极所包围的被测物质，此时电极1上高频信号的频率、时间、相位以及信号的磁滞特性发生改变，改变后的高频信号接入电极2，并通过与之连接的RF2放大器进一步的缓冲放大，大幅度扩展了测量半径，测量半径的最大值达到5m。3.根据权利要求1所述的基于TDR及相位检测技术的高精度水分测量仪，其特征在于：所述水分测量仪包括：MCU、A/D转换器、锁相环电路PLL、压控振荡器VCO、开关K1、K2、K3，RF1放大器、RF2放大器、电极1、电极2、C校模块、D/A变容电压反扫描单元、外设；以锁相环电路PLL的压控振荡器VCO锁定频率信号输出，首先合上K1,经RF1放大器放大幅度后输出至电极1，再辐射至两电极所包围的被测物质，此时电极1上高频信号的频率、时间、相位以及信号的磁滞特性发生改变，改变后的高频信号接入电极2，合上K2，与之连接的RF2放大器进一步的缓冲放大，此时频率、相位在设定范围内不发生变化，而高频信号经被测物质辐射并接到电极2时发生的变化是RF2放大器的高频信号特性变化量；此特性变化量信号继续接入锁相环电路PLL的PD鉴相器，其中一路频率信号输入端与锁相环鉴相器基本频率信号进行鉴相处理，得到的误差负反馈到锁定电压上，从而得到PD电压的变量值即实时值PD2；此时，若被测物质水分含量增大则PD电压增高，反之PD电压降低；由以上过程，将开关K1、K2断开所测得的PD电压实时变量值PD1为基础值，PD2-PD1得到当前被测目标水分含量对应的PD电压总值，所得PD电压总值为单次测量值；C校模块由一开关串联校准电容，C校模块两端并联在两电极上，通过开关的开合，测量出PD电压前后两个值，将两个值做差值运算，得到的变量值与校准电容值进行比较，得到一个校正系数，由此校正系数去校正上述PD电压变量值；将首次测量获得的PD电压总值，由0至PD电压总值，按照一定的栅格电压n,并以栅格电压n的倍数，n*1、n*2、n*3…n*m,...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭丽，卢峰，朱君颜，
申请(专利权)人：郭丽，
类型：发明
国别省市：安徽,34