專利名稱：基于介電方法的土壤含水率檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種測量土壤含水率的檢測裝置，尤其涉及一種基于介電方法的土壤含水率集成檢測裝置，屬于介電物理與高頻測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中經(jīng)常需要檢測土壤與作物栽培基質(zhì)水分，比如在農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測，土壤墑情監(jiān)測，智能化灌溉控制系統(tǒng)等應(yīng)用中，都需要有一種精確性，穩(wěn)定性，實(shí)時性較高的土壤含水率測量裝置。時域反射技術(shù)TDR(Time DomianReflectrometry)(TOPP，1980)、頻域分解技術(shù)FD(Frequency Decompostion)(Hilhorst，1996)、傳輸線駐波法SWR(Standing Wave Ratio)(Gaslin andMuller，1996)，電容傳感器CS(Capacitance Sensor)(Tomas，1966，Dean，1987，Gardiner，1991 and 1998，Gaudu，1993)等測量手段都是基于介電原理發(fā)展起來的測量方法。TDR與FD的技術(shù)實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜，因而導(dǎo)致商品化儀器價格昂貴。傳輸線駐波法不僅需要在傳感器中內(nèi)置一段相當(dāng)長的高頻傳輸線，而且目前的這種測量方法受振蕩器輸出參數(shù)的影響很大，因此對振蕩器的輸出幅度與輸出阻抗匹配要求很高。電容法的缺點(diǎn)為它的探頭一般都做成標(biāo)準(zhǔn)的同軸線形式，雖然理論上它的測量精度很高，但是田間測量很難插入土壤層。若將土樣從被測點(diǎn)取出裝入同軸線探極之間，將會破壞被測土樣本身的實(shí)際物理環(huán)境。因此以上這些方法在我國的實(shí)際應(yīng)用中都存在一定的不適應(yīng)性，很難做到大范圍推廣使用。
特別還應(yīng)指出的是基于駐波比原理的測量方案目前是測量探針的反射電壓，其反射幅值既與被測介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，也與振蕩器的輸出幅度變化有關(guān)。此外，基于TDR、FD、SWR和電容傳感器等測量原理的測量裝置都是采取傳感器與測量儀表相互分離的物理結(jié)構(gòu)。這種物理結(jié)構(gòu)不僅會給操作者帶來使用上的不便，更主要的是在高頻測量電路設(shè)計(jì)上會帶來非常復(fù)雜的分布參數(shù)，從而導(dǎo)致測量系統(tǒng)的測量精度明顯下降及其研制成本的提高。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足提出一種實(shí)用的、價格低廉的基于介電方法的土壤含水率檢測裝置，利用探針阻抗計(jì)算方法的數(shù)學(xué)模型，消除了高頻振蕩器輸出電阻與振蕩幅度不一致對測量精度的影響，有效提高了測量精度和抗干擾性。
本實(shí)用新型的又一目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足提出一種基于介電方法的土壤含水率檢測裝置，采用傳感器與顯示器一體化結(jié)構(gòu)，大大減少了分布參數(shù)的影響。
本實(shí)用新型的目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種基于介電方法的土壤含水率檢測裝置，包括外殼、上固定板、下固定板、線路板A、線路板B、雙針探頭、LCD顯示屏和供電裝置；LCD顯示屏設(shè)置在線路板B上，并通過上固定板與外殼固定，供電裝置固定在外殼上，雙針探頭平行固定于下固定板上，通過螺母與其固定，并通過外殼的內(nèi)壁插槽與外殼固定；雙針探頭與線路板A電連接，線路板A的輸出連接線路板B的輸入，線路板B的電路輸出傳送給LCD顯示屏顯示。
所述線路板A上包括高頻振蕩器和檢波濾波電路以及運(yùn)算電路，高頻振蕩器為計(jì)算機(jī)主板上常用的貼片式晶體振蕩器，檢波電路是由四個二極管D1-D4構(gòu)成一個兩路倍頻檢波電路，高頻檢波信號分別經(jīng)過電容C1、C2與電阻R1和電容C3、C4與電阻R2構(gòu)成的兩路π型濾波電路輸出，再由四個運(yùn)算放大器A1-A4組成運(yùn)算電路。
所述線路板B上包括一片A/D轉(zhuǎn)換芯片和LCD顯示屏，A/D轉(zhuǎn)換芯片將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，送至LCD顯示屏顯示。
還包括用于校準(zhǔn)的調(diào)零裝置，調(diào)零裝置固定在外殼上，調(diào)零裝置與電路板A相連接，它控制電路原理圖2中的W1，通過改變可變電阻的阻值實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)校準(zhǔn)。調(diào)零裝置有一可調(diào)旋鈕露于外殼外，用普通螺絲刀即可實(shí)現(xiàn)調(diào)零功能。
所述下固定板底部設(shè)有一層用于防水的還氧樹脂膠板。
所述的雙針探頭是可更換的，雙針探頭與下固定板為活動連接。
所述雙針探頭通過螺母與下固定板固定，并通過外殼的內(nèi)壁插槽與外殼固定。
所述的外殼、上固定板與下固定板由塑料制成，雙針探頭的材料為銅。
本實(shí)用新型為一種實(shí)用的、價格非常低廉的土壤含水率測量裝置，測量對象為農(nóng)田土壤或是溫室栽培基質(zhì)。其創(chuàng)新點(diǎn)主要有三點(diǎn)，(1)應(yīng)用計(jì)算機(jī)主板上常用的貼片晶體振蕩器，通過巧妙的電路設(shè)計(jì)，消除了因?yàn)檎袷幏群洼敵鲭娮璧牟灰恢露斐傻臏y量誤差；(2)測量方法中除法的實(shí)現(xiàn)不需要昂貴的模擬除法器件，而是通過動態(tài)地利用A/D的基準(zhǔn)電壓來實(shí)現(xiàn)；(3)儀器結(jié)構(gòu)上為傳感器與顯示器一體化結(jié)構(gòu)，大大減小了分布參數(shù)的影響。
優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在使用簡便，結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，性能穩(wěn)定，適用性強(qiáng)，抗干擾性好，測量用時短。


圖1為本實(shí)用新型檢測原理電路圖；圖2為本實(shí)用新型電路原理圖；圖3為本實(shí)用新型外形結(jié)構(gòu)圖；圖4為本實(shí)用新型內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的理論基礎(chǔ)為基于探針阻抗計(jì)算方法的數(shù)學(xué)模型，采用直接測量探針(兩針結(jié)構(gòu))的高頻阻抗變化，通過探針阻抗與被測物料介電系數(shù)的數(shù)學(xué)建模定量估計(jì)被測物料的含水率。該方法經(jīng)過電路設(shè)計(jì)與信號處理使得傳感器的輸出與高頻信號源的振蕩幅度與輸出電阻無關(guān)，在測量方法上不需要引入任何傳輸線做阻抗變換，有效地消除高頻振蕩器的輸出電阻與輸出幅度對測量精度的影響，測量裝置物理結(jié)構(gòu)上為傳感器與顯示器一體化集成結(jié)構(gòu)。
本實(shí)用新型的測量原理描述如下根據(jù)對象建立探針阻抗Zp計(jì)算模型，對于多針結(jié)構(gòu)Zp=-jξ120ϵlnRrctgωϵcl---(1)]]>在式(1)中c＝電磁波在真空中的傳播速度，這里c＝3×108m/s；ω＝振蕩器的振蕩頻率；ζ＝探針數(shù)的權(quán)值系數(shù)，對于兩針結(jié)構(gòu)，ζ＝1；R＝與探針幾何尺寸相關(guān)，對于兩針結(jié)構(gòu)，R為兩針間的距離；r＝探針的半徑；ε＝介電材料的相對介電常數(shù)L＝探針幾何長度測量原理電路如圖1所示，設(shè) 為高頻振蕩器的輸出電壓， 與 分別表示a與b點(diǎn)的電位，Z0為高頻振蕩器的輸出阻抗，Z1為測量電路引入的附加阻抗，容易算出ΔUab=Ua^-Ub^=E^Z1Z0+Z1+Zp---(2)]]>式(2)表明差動電壓ΔUab與高頻振蕩器輸出幅度 輸出阻抗Z0、引入阻抗Z1和探針阻抗Zp皆有關(guān)。因?yàn)樯唐坊母哳l振蕩器輸出幅度 輸出阻抗Z0存在著很大的離散性，為了盡可能地排除這些因素對測量結(jié)果的影響，
根據(jù)電路原理圖(圖2)可以得出E^=Uz^ZpZ1(1+Z0Z1+Zp),]]>將此式帶入公式(2)中即可得公式(3)ΔUab=Ua^-U^b=Ua^ZpZ1+Zp---(3)]]>如果令η(ϵ)=ΔUabUa^=ZpZp+Z1---(4)]]>顯然，η(ε)僅與探針阻抗Zp與附加阻抗Z1有關(guān)，與 及Z0無關(guān)。如果在確定Z1時滿足在空氣中Zp＞＞Z1，則有，η(ε＝1)≈1 (5)若以θ(ε)表示土壤容積含水率，并且令θ(ϵ)=1-η(ϵ)=1-ΔUabUa^=Z1Zp+Z1---(6)]]>式(6)表明(1)可以借助于測量阻抗Zp變化實(shí)現(xiàn)土壤容積含水率的測量(2)θ(ε)與探針阻抗的Zp對應(yīng)關(guān)系可通過標(biāo)定來確定；(3)整個測量過程的實(shí)現(xiàn)只需做一次除法與減法運(yùn)算，所得結(jié)果與 及Z0無關(guān)。
根據(jù)上述結(jié)論，可以通過探針阻抗與被測物料介電系數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系建立數(shù)學(xué)建模定量估計(jì)被測物料的含水率。
其中，結(jié)論(3)中，整個測量過程的實(shí)現(xiàn)只需做一次除法運(yùn)算，本實(shí)用新型的測試方法中不需要昂貴的模擬除法器件，而是通過動態(tài)地利用A/D的基準(zhǔn)電壓來實(shí)現(xiàn)如圖2所示，其硬件電路敘述如下由四個二極管D1-D4構(gòu)成兩路倍壓檢波電路，高頻檢波信號分別經(jīng)過C1、C2與R1和C3、C4與R2兩路π濾波器輸出至運(yùn)算放大器A1與A2。A1與A2為兩個阻抗變換器，運(yùn)算放大器A3完成上述式(6)中的減法運(yùn)算，A4的功能為零點(diǎn)補(bǔ)償，通過調(diào)整W1達(dá)到系統(tǒng)調(diào)零，W1即為調(diào)零裝置的調(diào)零旋鈕。式(6)中的除法運(yùn)算借助于A/D轉(zhuǎn)換器TSC7106來實(shí)現(xiàn)，這是根據(jù)雙斜積分A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理，如下式所示Nx=VxVRNm---(7)]]>上式中Vx＝被轉(zhuǎn)換的模擬電壓；VR＝A/D轉(zhuǎn)換器的參考基準(zhǔn)電壓；NM＝為A/D轉(zhuǎn)換器滿量程轉(zhuǎn)換數(shù)值；NX＝對應(yīng)于Vx的被轉(zhuǎn)換數(shù)值。
本實(shí)用新型的電路原理圖如圖2所示電路包括高頻振蕩器和檢波濾波電路、運(yùn)算電路以及A/D轉(zhuǎn)換芯片、LCD顯示屏，其中，高頻振蕩器和檢波濾波電路、運(yùn)算電路在線路板A上，A/D轉(zhuǎn)換芯片和LCD顯示屏在線路板B上；高頻振蕩器為計(jì)算機(jī)主板上常用的貼片式晶體振蕩器OSC，晶體振蕩器OSC的輸出信號為高頻電壓信號，信號在經(jīng)過探針后，由于探針阻抗的改變，高頻信號也發(fā)生了相應(yīng)的改變，然后該信號傳送給檢波電路，檢波電路是由四個二極管D1-D4構(gòu)成一個兩路倍頻檢波電路，高頻檢波信號分別經(jīng)過電容C1、C2與電阻R1和電容C3、C4與電阻R2構(gòu)成的兩路π型濾波電路輸出，輸出信號為直流電壓信號，該信號再傳送到由A1，A2，A3，A4四個運(yùn)算放大器組成的運(yùn)算電路，運(yùn)算器輸出的模擬電壓值信號送到線路板B3上的A/D轉(zhuǎn)換芯片TSC7106，由TSC7106將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再送到LCD顯示屏5顯示。
根據(jù)上述原理所制造的含水率測試裝置的外形結(jié)構(gòu)如圖3所示，外形可見的部分包括外殼1、上固定板4、LCD顯示屏5、下固定板6、雙針探頭7和調(diào)零裝置8上的調(diào)零旋鈕10。
本實(shí)用新型內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示包括外殼1、線路板A2、線路板B3、上固定板4、LCD顯示屏5、下固定板6、雙針探頭7和供電裝置9，還包括調(diào)零裝置8。LCD顯示屏5設(shè)置在線路板B3上，并通過上固定板4與外殼1固定，調(diào)零裝置8和供電裝置9固定在線路板B3與線路板A2之間的外殼1上，調(diào)零裝置8與電路板A2相連接，它控制電路原理圖2中的W1，調(diào)零裝置有一可調(diào)旋鈕10露于外殼外，用普通螺絲刀即可實(shí)現(xiàn)調(diào)零功能；供電裝置9為各部件供電，雙針探頭7平行分布于下固定板6上，通過螺母11與其固定，并通過外殼的內(nèi)壁插槽與外殼1固定。
另外，由于下固定板直接與地面接觸，為避免地面潮濕的水蒸氣對外殼內(nèi)部件的影響，在下固定板底部設(shè)置一層用于防水的還氧樹脂膠板，或者刷一層防水涂料。
需要說明的是所述雙針探頭是可更換式的，探頭的更換方法為打開外殼，旋下螺母11，取出已經(jīng)磨損的探頭，換上新更換的探頭，旋好螺母11，合好外殼。由于探頭直接插入土壤中測試，對探頭的損壞較為嚴(yán)重，探頭嚴(yán)重磨損后，測量值的誤差會增大，所以當(dāng)探頭損壞時，可以及時更換。另外，對不于同的土壤不需要更換不同的探頭。
雙針探頭7與線路板A2電連接，線路板A2的輸出連接線路板B3的輸入，線路板B3的輸出控制LCD顯示屏5的顯示。線路板A2上包括高頻振蕩器和檢波濾波電路以及運(yùn)算電路，該高頻振蕩器為計(jì)算機(jī)主板上常用的貼片式晶體振蕩器，而檢波電路而是由四個二極管D1-D4構(gòu)成一個兩路倍頻檢波電路，高頻檢波信號分別經(jīng)過電容C1、C2與電阻R1和電容C3、C4與電阻R2構(gòu)成的兩路π型濾波電路輸出，再由四個運(yùn)算放大器A1-A4組成運(yùn)算電路；線路板B3上包括A/D轉(zhuǎn)換芯片和LCD顯示屏，運(yùn)算放大器輸出的模擬電壓值信號送到線路板B3上的型號為TSC7106的A/D轉(zhuǎn)換芯片，由TSC7106將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再送到LCD顯示屏5顯示。
外殼1、上固定板4與下固定板6由塑料制成，雙針探頭的材料為銅。
裝置供電采用四節(jié)五號電池供電，電池放于供電裝置9中。
測量表層土壤(10cm以內(nèi))時，可以將雙針探頭7直接插入到土壤中，這時，高頻振蕩器產(chǎn)生高頻正弦波信號，該信號通過雙針探頭7時，由于不同濕度的土壤的介電常數(shù)不同，引起雙針探頭7的阻抗發(fā)生變化，電路檢測到這個變化后，通過內(nèi)部電路將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的土壤含水率的值，然后從LCD顯示屏5即可讀出該土壤的含水率百分比值。
有上所述可知本實(shí)用新型應(yīng)用計(jì)算機(jī)主板上常用的貼片晶體振蕩器，通過巧妙的電路設(shè)計(jì)，消除了因?yàn)檎袷幏群洼敵鲭娮璧牟灰恢露斐傻臏y量誤差；另外，測量方法中除法的實(shí)現(xiàn)不需要昂貴的模擬除法器件，而是通過動態(tài)地利用A/D的基準(zhǔn)電壓來實(shí)現(xiàn)，價格低廉，性能穩(wěn)定；再有，儀器結(jié)構(gòu)上為傳感器與顯示器一體化結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，使用簡便，大大減小了分布參數(shù)的影響。
最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求1.一種基于介電方法的土壤含水率檢測裝置，其特征在于包括，外殼、上固定板、下固定板、線路板A、線路板B、雙針探頭、LCD顯示屏和供電裝置；LCD顯示屏設(shè)置在線路板B上，并通過上固定板與外殼固定，供電裝置固定在外殼上，雙針探頭平行固定于下固定板上；雙針探頭與線路板A電連接，線路板A的輸出連接線路板B的輸入，線路板B的電路輸出傳送給LCD顯示屏顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于介電方法的土壤含水率檢測裝置，其特征在于還包括用于校準(zhǔn)的調(diào)零裝置，調(diào)零裝置固定在外殼上，與電路板A相連接，調(diào)零裝置有一可調(diào)旋鈕露于外殼外，調(diào)節(jié)旋鈕可實(shí)現(xiàn)調(diào)零功能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于介電方法的土壤含水率檢測裝置，其特征在于所述線路板A上包括高頻振蕩器和檢波濾波電路以及運(yùn)算電路，高頻振蕩器為計(jì)算機(jī)主板上常用的貼片式晶體振蕩器，檢波電路是由四個二極管D1-D4構(gòu)成一個兩路倍頻檢波電路，高頻檢波信號分別經(jīng)過電容C1、C2與電阻R1和電容C3、C4與電阻R2構(gòu)成的兩路π型濾波電路輸出，再由四個運(yùn)算放大器A1-A4組成運(yùn)算電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于介電方法的土壤含水率檢測裝置，其特征在于所述線路板B上包括A/D轉(zhuǎn)換芯片和LCD顯示屏，A/D轉(zhuǎn)換芯片將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，送至LCD顯示屏顯示。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于介電方法的土壤含水率檢測裝置，其特征在于所述下固定板底部設(shè)有一層用于防水的還氧樹脂膠板。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于介電方法的土壤含水率檢測裝置，其特征在于所述的雙針探頭是可更換的，雙針探頭與下固定板為活動連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的基于介電方法的土壤含水率檢測裝置，其特征在于所述雙針探頭通過螺母與下固定板固定，并通過外殼的內(nèi)壁插槽與外殼固定。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于介電方法的土壤含水率檢測裝置，其特征在于所述的外殼、上固定板與下固定板由塑料制成，雙針探頭由銅制成。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于介電方法的土壤含水率檢測裝置，包括外殼、上固定板、下固定板、線路板A、線路板B、雙針探頭、LCD顯示屏和供電裝置；LCD顯示屏設(shè)置在線路板B上，并通過上固定板與外殼固定，供電裝置固定在外殼上，雙針探頭平行分布于下固定板上，通過螺母與其固定，并通過外殼的內(nèi)壁插槽與外殼固定；雙針探頭與線路板A電連接，線路板A的輸出連接線路板B的輸入，線路板B的電路輸出傳送給LCD顯示屏顯示。本實(shí)用新型通過巧妙的電路設(shè)計(jì)，消除了因?yàn)檎袷幏群洼敵鲭娮璧牟灰恢露斐傻臏y量誤差；儀器結(jié)構(gòu)上為傳感器與顯示器一體化結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，使用簡便，大大減小了分布參數(shù)的影響，價格低廉，性能穩(wěn)定。
文檔編號G01N27/02GK2641646SQ0320629
公開日2004年9月15日 申請日期2003年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月29日
發(fā)明者孫宇瑞, 馬道坤, 林劍輝 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)