一种基于电磁涡流法的非接触的土壤电导率测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于电磁涡流法的非接触的土壤电导率测量系统。发射线圈和接收线圈置于土壤的上方，发射线圈和接收线圈均电连接到控制处理系统；控制处理系统控制发射线圈通电发出随时间变化的磁场，经过土壤传播后由接收线圈磁感应接收获得信号输入到控制处理系统分析处理得到土壤电导率测量结果；控制处理系统包括MCU模块、震荡检测模块、电源处理模块、电量检测模块和无线通讯模块。本发明专利技术通过测量土壤在高频电磁场下的涡流损耗来测量土壤的电导率，能够适应不同工况，检测便捷；仪器灵敏度高，稳定可靠。稳定可靠。稳定可靠。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电磁涡流法的非接触的土壤电导率测量系统


[0001]本专利技术属于农业土壤检测领域的一种土壤参数测量系统，涉及到一种基于电磁涡流法的非接触的土壤电导率测量系统。

技术介绍

[0002]土壤作为农业生产的重要元素，历来备受重视。土壤中水溶性盐是土壤的重要指标，是判定土壤中盐类离子是否限制农作物生长的重要因素，可通过土壤中电导率的测定来获取水溶性盐的信息，从而了解耕地品质，指导农业生产。当前土壤水溶性盐的测定主要有理化测量和电学探针技术，前者需要复杂的取样过程、耗时，且消耗大量化学试剂，加重了环境负担；后者可以实现现场的快速和准确检测，但其依赖于探针与土壤的直接接触，因此难以实现高能量和动态监测。目前一类新兴技术为基于电磁物理的检测原理，通过电磁诱导土壤 (视作导体)产生二次磁场并接收其磁场信号，而二次磁场信号与土壤电导率密切相关，因此可以实现非接触的检测。
[0003]然而，当前基于该类技术的设备主要采用产于加拿大的大地电导率检测仪系列仪器，价格昂贵；另一方面，国内无相关核心仪器技术，易受制于人。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术的问题，本专利技术本设计通过测量土壤在高频电磁场下的涡流损耗来测量土壤的电导率，创新性地基于电磁物理检测土壤电导率，能实现非接触式检测且具有较低成本。
[0005]本专利技术的技术方案如下：
[0006]本专利技术包括控制处理系统、发射线圈和接收线圈，发射线圈和接收线圈置于土壤的上方，发射线圈和接收线圈均电连接到控制处理系统；控制处理系统控制发射线圈通电发出随时间变化的磁场，经过土壤传播后由接收线圈磁感应接收获得信号输入到控制处理系统分析处理得到土壤电导率测量结果。
[0007]所述控制处理系统包括MCU模块、震荡检测模块、电源处理模块、电量检测模块和无线通讯模块；震荡检测模块的分别和发射线圈、接收线圈连接，震荡检测模块、电源处理模块和无线通讯模块均连接到MCU模块，电量检测模块和电源均连接到电源处理模块。
[0008]所述的MCU模块包括单片机U5，单片机U5的NRST脚经电阻R13接D3.3V 电源，单片机U5的NRST脚经电容C5接地，单片机U5的PD0-OSC-IN脚和PD1-OSC-OUT脚之间并联有电阻R12和晶振X1，单片机U5的PD0-OSC-IN 脚和PD1-OSC-OUT脚分别经电容C3和电容C4后接地，单片机U1的BOOT0 脚经电阻R14接地；单片机U1的SWCLK脚、VDD脚、VSS脚、SWDIO脚连接到插口SW；以补偿电感L_Choke为发射线圈，感应线圈Sensor为接收线圈，震荡检测模块主要包括电压比较器U1和U2以及逻辑芯片U3和U4组成，补偿电感L_Choke一端接激励信号Incentive，另一端依次经零欧电阻R1、电容C1 接地，感应线圈Sensor的一端接激励信号Incentive，另一端依次经零欧电阻R2、电容C2接地，在零欧电阻R1和电容C1之间引出相位
信号一WAVEN，在零欧电阻R2和电容C2之间引出相位信号二WAVEP；电阻R3～R6依次串联连接在A3.3V电源和地之间，相位信号二WAVEP连接在电阻R4和电阻R5之间，电阻R3和电阻R4之间引出电压信号一V1并接入电压比较器U1的IN-脚，相位信号一WAVEN经电阻R7分别接入电压比较器U1的IN+脚与电压比较器 U2的IN-脚，电阻R5和电阻R6之间引出电压信号二V2并接入电压比较器U2 的IN+脚；电压比较器U1的OUT脚与电压比较器U2的OUT脚分别连接到与非逻辑单元U3的直接置位端A和到与非逻辑单元U4的直接复位端B，与非逻辑单元U3的直接复位端B连接到到与非逻辑单元U4的OUT脚，与非逻辑单元U4的直接置位端A连接到到与非逻辑单元U3的OUT脚，与非逻辑单元U3 的OUT脚经电阻R9后输出单片机U5的PA0-WAKEUP脚；与非逻辑单元U4 的OUT脚电阻R8后分别连接到场效应管LOU1和场效应管LOQ1的栅极，场效应管LOU1的源极依次经电阻R10、电阻R11后连接到场效应管LOQ1的漏极，电阻R10和电阻R11之间引出连接到激励信号Incentive，场效应管LOU1 的漏极接3.3V电源，场效应管LOQ1的源极接地。
[0009]所述电源处理模块包括降压芯片UP1和芯片稳压芯片AMS1117-3.3，降压芯片UP1的IN引脚与MCU模块中单片机U5的VBAT脚连接，GND引脚接地，OUT引脚与5V电源相连，5V电源和地之间并联有退耦滤波电容CP5、CP6、 CP7，单片机U5的VBAT脚和地之间并联有退耦滤波电容CP1、CP2、CP3、 CP4，且退耦滤波电容CP1、CP2、CP3、CP4、CP5、CP6、CP7的负极接地； 5V电源通过芯片稳压芯片后得到D3.3V电源，D3.3V电源依次通过退耦滤波电容CP11～CP13、电感L1后再经退耦滤波电容CP11～CP13得到A3.3V电源，使得3.3V更加稳定；退耦滤波电容CP8、CP9、CP10的正极与D3.3V电源相连，退耦滤波电容CP11、CP12、CP13的正极与A3.3V电源相连，负极均与地相连。
[0010]所述的电量检测模块主要由串联在单片机U5的VBAT脚和地之间的稳压管Dz1和电阻R15构成，稳压管Dz1和电阻R15之间引出信号源端ADCX，信号源端ADCX连接到单片机U5的AINI脚。
[0011]所述的电源采用锂电池，单片机U5的VBAT脚与锂电池的正极相连，稳压管DZ1的负极连接单片机U5的VBAT脚，稳压管DZ1的正极与信号源端 ADCX和电阻R15的正极相连，电阻R15另一端与地相连。
[0012]本专利技术其主要原理为：电磁感应作用在具有电导率的土壤内部感生的电流。按照电磁感应定律，在土壤中就产生感应电动势，从而驱动电流。这样引起的电流在土壤中的分布随着土壤的表面形状和磁场的分布而不同。
[0013]涡流在土壤中要产生热量，所消耗的能量来源于建立时变电磁场的能源。土壤处在随时间变化的磁场中时，因涡流而导致能量损耗称为涡流损耗。涡流损耗的大小与磁场的变化方式、土壤的磁导率和电导率等因素有关。
[0014]本专利技术通过测量土壤在高频电磁场下的涡流损耗来测量土壤的电导率，能够适应不同工况，检测便捷；仪器灵敏度高，稳定可靠。
[0015]本专利技术的有益效果如下：
[0016]1)电路中仪器中电路设计一体化，突破了传统仪器的集成化，能够实现检测及控制功能于一体，并且经过电路优化，激励功率大，抗干扰能力强。仪器灵敏度高，稳定可靠。
[0017]本专利技术通过电磁线圈的谐振信号对比，最终转化为频率信号，得出电导率测量值。本专利技术能动态实时地在现场测量土壤的电导率，而无需采样土壤的样品进行材料。
[0018]2)基于本专利技术可以实现对电导率的非接触式测量。本专利技术通过发射线圈和接收线圈的感应配合工作能测量发射线圈和接收线圈之间的直线上的土壤的电导率，并且实现了非接触式测量，也不需要物体或者探头插入土壤进行检测，而避免了对土本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电磁涡流法的非接触的土壤电导率测量系统，其特征在于：包括控制处理系统、发射线圈和接收线圈，发射线圈和接收线圈置于土壤的上方，发射线圈和接收线圈均电连接到控制处理系统；控制处理系统控制发射线圈通电发出随时间变化的磁场，经过土壤传播后由接收线圈磁感应接收获得信号输入到控制处理系统分析处理得到土壤电导率测量结果。2.根据权利要求1所述的一种基于电磁涡流法的非接触的土壤电导率测量系统，其特征在于：所述控制处理系统包括MCU模块、震荡检测模块、电源处理模块、电量检测模块和无线通讯模块；震荡检测模块的分别和发射线圈、接收线圈连接，震荡检测模块、电源处理模块和无线通讯模块均连接到MCU模块，电量检测模块和电源均连接到电源处理模块。3.根据权利要求2所述的一种基于电磁涡流法的非接触的土壤电导率测量系统，其特征在于：所述的MCU模块包括单片机U5，单片机U5的NRST脚经电阻R13接D3.3V电源，单片机U5的NRST脚经电容C5接地，单片机U5的PD0-OSC-IN脚和PD1-OSC-OUT脚之间并联有电阻R12和晶振X1，单片机U5的PD0-OSC-IN脚和PD1-OSC-OUT脚分别经电容C3和电容C4后接地，单片机U1的BOOT0脚经电阻R14接地；单片机U1的SWCLK脚、VDD脚、VSS脚、SWDIO脚连接到插口SW；以补偿电感L_Choke为发射线圈，感应线圈Sensor为接收线圈，震荡检测模块主要包括电压比较器U1和U2以及逻辑芯片U3和U4组成，补偿电感L_Choke一端接激励信号Incentive，另一端依次经零欧电阻R1、电容C1接地，感应线圈Sensor的一端接激励信号Incentive，另一端依次经零欧电阻R2、电容C2接地，在零欧电阻R1和电容C1之间引出相位信号一WAVEN，在零欧电阻R2和电容C2之间引出相位信号二WAVEP；电阻R3～R6依次串联连接在A3.3V电源和地之间，相位信号二WAVEP连接在电阻R4和电阻R5之间，电阻R3和电阻R4之间引出电压信号一V1并接入电压比较器U1的IN-脚，相位信号一WAVEN经电阻R7分别接入电压比较器U1的IN+脚与电压比较器U2的IN-脚，电阻R5和电阻R6之间引出电压信号二V2并接入电压比较器U2的IN+脚；电压比较器U1的OUT脚与电压比较器U2的OUT脚分别连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：傅迎春，张琪，梁敖铭，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：