本發(fā)明涉及地質(zhì)檢測設(shè)備領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于振蕩回路的土壤濕度傳感器及其工作方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的土壤墑情測量方法以TDR(Time-Domain Reflectometry，時域反射技術(shù))和FDR(Frequency-Domain Reflectometer，頻域反射技術(shù))為主。其中，TDR技術(shù)的工作原理是利用電磁波在不同介電常數(shù)的介質(zhì)中傳輸速率不一樣特性，通過精確測量電磁波從發(fā)送端到接收端的時間差，從而得到電磁波在土壤中的傳輸速率，從而反推出介電常數(shù)，并進(jìn)而得到土壤容積含水量(即濕度值)。而FDR技術(shù)是利用電磁脈沖原理，根據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳播頻率來測量土壤的表觀介電常數(shù)，并進(jìn)而得到土壤容積含水量。

現(xiàn)有的FDR和TDR技術(shù)雖然有效，但是都存在線性度低、精度易受環(huán)境因素影響、電路復(fù)雜、設(shè)備較昂貴和現(xiàn)場安裝流程復(fù)雜等問題，適用性有限。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對前述現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提供了一種基于振蕩回路的土壤濕度傳感器及其工作方法，其將兩個電極板及處于兩電極板之間的土壤視為一個待測容值的平行板電容器，然后利用振蕩回路頻率與電容值的關(guān)系以及電容值與介電常數(shù)的關(guān)系，通過獲取振蕩回路的頻率值，可反推得到土壤的介電常數(shù)，進(jìn)而得到土壤的濕度值，如此可以排除傳統(tǒng)FDR和TDR方法中線性度不高的缺陷，能夠快速實現(xiàn)土壤水分的快速、準(zhǔn)確和穩(wěn)定的測量。此外，所述土壤濕度傳感器還具有電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉和應(yīng)用方便等特點(diǎn)，實用性強(qiáng)，便于實際推廣和使用。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案,一方面提供了一種基于振蕩回路的土壤濕度傳感器，包括平行板電容器、電感、振蕩模塊、計數(shù)模塊和處理模塊，其中，所述平行板電容器包括兩電極板和固定連接兩電極板的絕緣件，同時使兩電極板相互平行，并分別作為所述平行板電容器的兩極；所述平行板電容器的兩極與所述電感并聯(lián)構(gòu)成一個振蕩回路，并使所述振蕩回路依次串聯(lián)所述振蕩模塊、所述計數(shù)模塊和所述處理模塊。

優(yōu)化的，所述振蕩模塊包括型號為MC100EL1648D的壓控振蕩器放大器、第一電容、第八電容、第九電容、第一電阻和第三電阻；所述壓控振蕩器放大器的第八引腳連接所述第三電阻的一端，所述第三電阻的另一端與所述壓控振蕩器放大器的第一引腳之間并聯(lián)所述振蕩回路；所述壓控振蕩器放大器的第二引腳和第三引腳相連，然后分別連接接地的所述第八電容和接地的所述第九電容；所述壓控振蕩器放大器的第五引腳和第七引腳相連，然后連接接地的所述第一電容，同時依次串聯(lián)所述第一電阻和直流電源；所述壓控振蕩器放大器的第六引腳接地，所述壓控振蕩器放大器的第四引腳作為所述振蕩模塊的輸出端。

優(yōu)化的，所述計數(shù)模塊包括型號為MC74HC4040AD的12級二機(jī)制紋波計數(shù)器、第四電阻和第七電阻；所述12級二機(jī)制紋波計數(shù)器的第十引腳作為所述計數(shù)模塊的輸入端，并分別連接所述第四電阻的一端和所述第七電阻的一端，所述第四電阻的另一端和所述12級二機(jī)制紋波計數(shù)器的第十六引腳分別連接直流電源，所述第七電阻的另一端接地；所述12級二機(jī)制紋波計數(shù)器的第八引腳接地，所述12級二機(jī)制紋波計數(shù)器的第十一引腳連接所述處理模塊的控制輸出端，所述12級二機(jī)制紋波計數(shù)器的12個輸出引腳作為所述計數(shù)模塊的輸出端。

優(yōu)化的，所述處理模塊包括型號為STM8L151C8T6-48的單片機(jī)芯片、第三電容和第五電阻；所述單片機(jī)芯片的第二引腳作為所述處理模塊的控制輸出端，并分別連接所述第三電容的一端和所述第五電阻的一端，所述第五電阻的另一端連接直流電源，所述第三電容的另一端接地。

優(yōu)化的，在所述振蕩模塊與所述計數(shù)模塊之間串聯(lián)有預(yù)分頻模塊。進(jìn)一步優(yōu)化的，在所述振蕩模塊與所述預(yù)分頻模塊之間或在所述預(yù)分頻模塊與所述計數(shù)模塊之間串聯(lián)有隔直電容。所述預(yù)分頻模塊采用型號為MC12080D的預(yù)分配器。

優(yōu)化的，所述電極板的外表面設(shè)有鍍鋅層。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案,另一方面提供了一種前述基于振蕩回路的土壤濕度傳感器的工作方法，包括如下步驟：S101.將平行板電容器插入到待測土壤中；S102.啟動振蕩模塊，對振蕩回路進(jìn)行激勵，產(chǎn)生振蕩信號；S103.將所述振蕩信號導(dǎo)入計數(shù)模塊，通過計數(shù)模塊的計數(shù)，獲取所述振蕩信號的頻率測量值f；S104.處理模塊獲取所述頻率測量值f，并從本地讀取平行板電容器的電極板面積S和板間距離d，然后按照如下公式計算待測土壤的介電常數(shù)ε：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{d}{{\mathrm{\ϵ}}_{0}SL{\left(2\mathrm{\π}f\right)}^2}$

式中，ε₀為真空介電常數(shù)，L為振蕩回路中電感的電感值；S105.按照如下公式計算待測土壤的濕度值

然后輸出所述濕度值

優(yōu)化的，當(dāng)在所述振蕩模塊與所述計數(shù)模塊之間串聯(lián)有預(yù)分頻模塊時，則按照如下公式按照如下公式計算待測土壤的介電常數(shù)ε：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{d}{{\mathrm{\ϵ}}_{0}SL{\left(2\mathrm{\π}\mathrm{\λ}f\right)}^2}$

式中，ε₀為真空介電常數(shù)，L為振蕩回路中電感的電感值，λ為預(yù)分頻模塊的預(yù)分頻比。

綜上，采用本發(fā)明所提供的一種基于振蕩回路的土壤濕度傳感器及其工作方法，具有如下有益效果：(1)其將兩個電極板及處于兩電極板之間的土壤視為一個待測容值的平行板電容器，然后利用振蕩回路頻率與電容值的關(guān)系以及電容值與介電常數(shù)的關(guān)系，通過獲取振蕩回路的頻率值，可反推得到土壤的介電常數(shù)，進(jìn)而得到土壤的濕度值，如此可以排除傳統(tǒng)FDR和TDR方法中線性度不高的缺陷，能夠快速實現(xiàn)土壤水分的快速、準(zhǔn)確和穩(wěn)定的測量；(2)可以實現(xiàn)在一定區(qū)域范圍內(nèi)的單點(diǎn)單深度，多點(diǎn)多深度的快速土壤濕度測量；(3)采用TTL電平串行數(shù)字信號輸出，可具有很強(qiáng)的抗干擾能力，具備遠(yuǎn)距離傳輸能力；(4)所述土壤濕度傳感器還具有電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉和應(yīng)用方便等特點(diǎn)，實用性強(qiáng)，便于實際推廣和使用。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明提供的基于振蕩回路的土壤濕度傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是本發(fā)明提供的基于振蕩回路的土壤濕度傳感器的電路圖。

圖3是本發(fā)明提供的基于振蕩回路的土壤濕度傳感器的工作方法流程圖。

上述附圖中：1、電容 101、電極板 2、振蕩模塊 3、計數(shù)模塊 4、處理模塊 5、預(yù)分頻模塊。

具體實施方式

以下將參照附圖，通過實施例方式詳細(xì)地描述本發(fā)明提供的基于振蕩回路的土壤濕度傳感器及其工作方法。在此需要說明的是，對于這些實施例方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。

本文中術(shù)語“和/或”，僅僅是一種描述關(guān)聯(lián)對象的關(guān)聯(lián)關(guān)系，表示可以存在三種關(guān)系，例如，A和/或B，可以表示：單獨(dú)存在A，單獨(dú)存在B，同時存在A和B三種情況，本文中術(shù)語“/和”是描述另一種關(guān)聯(lián)對象關(guān)系，表示可以存在兩種關(guān)系，例如，A/和B，可以表示：單獨(dú)存在A，單獨(dú)存在A和B兩種情況，另外，本文中字符“/”，一般表示前后關(guān)聯(lián)對象是一種“或”關(guān)系。

實施例一

圖1示出了本發(fā)明提供的基于振蕩回路的土壤濕度傳感器的結(jié)構(gòu)框圖，圖2示出了本發(fā)明提供的基于振蕩回路的土壤濕度傳感器的電路圖，圖3示出了本發(fā)明提供的基于振蕩回路的土壤濕度傳感器的工作方法流程圖。本實施例提供的所述基于振蕩回路的土壤濕度傳感器，包括平行板電容器1、電感L1、振蕩模塊2、計數(shù)模塊3和處理模塊4，其中，所述平行板電容器1包括兩電極板101和固定連接兩電極板101的絕緣件，同時使兩電極板101相互平行，并分別作為所述平行板電容器1的兩極；所述平行板電容器1的兩極與所述電感L1并聯(lián)構(gòu)成一個振蕩回路，并使所述振蕩回路依次串聯(lián)所述振蕩模塊2、所述計數(shù)模塊3和所述處理模塊4。

如圖1至2所示，在所述土壤濕度傳感器的結(jié)構(gòu)中，所述平行板電容器1用于插入到待測土壤中，由此可將兩個電極板101及處于兩電極板之間的土壤一起視為一個待測容值的平行板電容器；所述振蕩回路用于利用LC振蕩原理實現(xiàn)振蕩信號的產(chǎn)生；所述振蕩模塊用于對所述振蕩回路進(jìn)行激勵，產(chǎn)生振蕩信號；所述計數(shù)器用于對振蕩信號的頻率進(jìn)行計數(shù)，獲取振蕩信號的頻率測量值，并將所述頻率測量值送至所述處理模塊進(jìn)行處理；所述處理模塊用于根據(jù)所述頻率測量值反推計算所述平行板電容器1的電容值及待測土壤的介電常數(shù)，進(jìn)而根據(jù)經(jīng)典的土壤介電常數(shù)與土壤含水量的關(guān)系，反推得到待測土壤的濕度值(即土壤含水量)。此外，如圖1所示，在所述土壤濕度傳感器中還包括為各個模塊提供電能支持的電源模塊。

如圖3所示，所述基于振蕩回路的土壤濕度傳感器的工作方法可以但不限于包括如下步驟：S101.將平行板電容器插入到待測土壤中；S102.啟動振蕩模塊，對振蕩回路進(jìn)行激勵，產(chǎn)生振蕩信號；S103.將所述振蕩信號導(dǎo)入計數(shù)模塊，通過計數(shù)模塊的計數(shù)，獲取所述振蕩信號的頻率測量值f；S104.處理模塊獲取所述頻率測量值f，并從本地讀取平行板電容器的電極板面積S和板間距離d，然后按照如下公式計算待測土壤的介電常數(shù)ε：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{d}{{\mathrm{\ϵ}}_{0}SL{\left(2\mathrm{\π}f\right)}^2}$

式中，ε₀為真空介電常數(shù)，L為振蕩回路中電感的電感值；S105.按照如下公式計算待測土壤的濕度值

然后輸出所述濕度值由此通過所述土壤濕度傳感器及其工作方法，可以排除傳統(tǒng)FDR和TDR方法中線性度不高的缺陷，能夠快速實現(xiàn)土壤水分的快速、準(zhǔn)確和穩(wěn)定的測量。此外，還可以實現(xiàn)在一定區(qū)域范圍內(nèi)的單點(diǎn)單深度，多點(diǎn)多深度的快速土壤濕度測量，同時所述土壤濕度傳感器還具有電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉和應(yīng)用方便等特點(diǎn)，實用性強(qiáng)，便于實際推廣和使用。

優(yōu)化的，所述振蕩模塊2包括型號為MC100EL1648D的壓控振蕩器放大器、第一電容C1、第八電容C8、第九電容C9、第一電阻R1和第三電阻R3；所述壓控振蕩器放大器的第八引腳BIAS連接所述第三電阻R3的一端，所述第三電阻R3的另一端與所述壓控振蕩器放大器的第一引腳TANK之間并聯(lián)所述振蕩回路；所述壓控振蕩器放大器的第二引腳VCC1和第三引腳VCC2相連，然后分別連接接地的所述第八電容C8和接地的所述第九電容C9；所述壓控振蕩器放大器的第五引腳AGC和第七引腳VEE2相連，然后連接接地的所述第一電容C1，同時依次串聯(lián)所述第一電阻R1和直流電源VCC；所述壓控振蕩器放大器的第六引腳VEE1接地，所述壓控振蕩器放大器的第四引腳OUT作為所述振蕩模塊2的輸出端。如圖2所示，所述壓控振蕩器放大器U3是一種可集成有壓控振蕩功能和信號放大功能的現(xiàn)有產(chǎn)品，如此可以利用其壓控振蕩功能對所述振蕩回路進(jìn)行激勵，產(chǎn)生振蕩信號，并利用其信號放大功能對所述振蕩信號進(jìn)行放大，以便后續(xù)模塊能夠進(jìn)行識別處理。此外，所述第三電阻R3用于產(chǎn)生振蕩電流，所述第一電容C1、所述第八電容C8和所述第九電容C9用于作為旁路電容，保護(hù)所述壓控振蕩器放大器不受外部交流信號的影響，最后產(chǎn)生的振蕩信號從所述壓控振蕩器放大器的第四引腳OUT輸出。

優(yōu)化的，所述計數(shù)模塊3包括型號為MC74HC4040AD的12級二機(jī)制紋波計數(shù)器、第四電阻R4和第七電阻R7；所述12級二機(jī)制紋波計數(shù)器的第十引腳CLOCK作為所述計數(shù)模塊3的輸入端，并分別連接所述第四電阻R4的一端和所述第七電阻R7的一端，所述第四電阻R4的另一端和所述12級二機(jī)制紋波計數(shù)器的第十六引腳VCC1分別連接直流電源VCC，所述第七電阻R7的另一端接地；所述12級二機(jī)制紋波計數(shù)器的第八引腳GND接地，所述12級二機(jī)制紋波計數(shù)器的第十一引腳RESET連接所述處理模塊4的控制輸出端，所述12級二機(jī)制紋波計數(shù)器的12個輸出引腳作為所述計數(shù)模塊3的輸出端。如圖2所示，所述12級二機(jī)制紋波計數(shù)器U1是一種可以對輸入的時鐘信號頻率進(jìn)行計數(shù)的現(xiàn)有產(chǎn)品，其可以同步輸出12位二進(jìn)制數(shù)據(jù)(即計數(shù)得到的頻率測量值可高達(dá)4.096kHz),以便所述處理模塊進(jìn)行運(yùn)算反推。此外，所述第四電阻R4和所述第七電阻R7用于穩(wěn)定來自振動回路方向的振蕩信號(即作為時鐘信號輸入的待測信號)。

具體的，所述處理模塊4包括型號為STM8L151C8T6-48的單片機(jī)芯片、第三電容C3和第五電阻R5；所述單片機(jī)芯片的第二引腳PA1/NRST作為所述處理模塊4的控制輸出端，并分別連接所述第三電容C3的一端和所述第五電阻R5的一端，所述第五電阻R5的另一端連接直流電源VCC，所述第三電容C3的另一端接地。如圖2所示，所述第三電容C3和第五電阻R5用于穩(wěn)定待輸出的控制信號，以便準(zhǔn)確地控制所述計數(shù)模塊3進(jìn)行復(fù)位，即控制所述12級二機(jī)制紋波計數(shù)器進(jìn)行復(fù)位。同樣如圖2所示，所述單片機(jī)芯片的第十五至十八引腳(PE1～PE4)、第四十一至四十四引腳(PC2～PC5)和第二十五至二十八引腳(PB1～PE4)作為輸入引腳，分別與所述12級二機(jī)制紋波計數(shù)器的12個輸出引腳對接，輸入反映振蕩信號的頻率測量值的12位二進(jìn)制數(shù)據(jù)；所述單片機(jī)芯片的第四十七引腳(PE6)和第四十八引腳(PE7)分別作為外部數(shù)據(jù)的輸入端和內(nèi)部數(shù)據(jù)的輸出端，用于與外部設(shè)備進(jìn)行有線通訊，輸入計算參數(shù)(例如平行板電容器的電極板面積S和板間距離d等)或?qū)С鐾寥罎穸戎?，其可以但不限于采用TTL電平(transistor transistor logic，晶體管-晶體管邏輯電平)串行數(shù)字信號輸出，可具有很強(qiáng)的抗干擾能力，具備遠(yuǎn)距離傳輸能力。

具體的，在所述振蕩模塊2與所述計數(shù)模塊3之間串聯(lián)有預(yù)分頻模塊5。如圖1和圖2所示，由于所述計數(shù)模塊3的最大計數(shù)值有限，例如所述12級二機(jī)制紋波計數(shù)器的最大計數(shù)值為4096，難以滿足高頻計數(shù)需求，因此串聯(lián)所述預(yù)防頻模塊5，可以降低后續(xù)計數(shù)模塊3的輸出數(shù)值，防止計數(shù)溢出，確保計數(shù)正確性。作為進(jìn)一步優(yōu)化的，此時按照如下公式按照如下公式計算待測土壤的介電常數(shù)ε：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{d}{{\mathrm{\ϵ}}_{0}SL{\left(2\mathrm{\π}\mathrm{\λ}f\right)}^2}$

式中，ε₀為真空介電常數(shù)，L為振蕩回路中電感的電感值，λ為預(yù)分頻模塊的預(yù)分頻比。

進(jìn)一步優(yōu)化的，在所述振蕩模塊2與所述預(yù)分頻模塊5之間或在所述預(yù)分頻模塊5與所述計數(shù)模塊3之間串聯(lián)有隔直電容。如圖2所示，在所述振蕩模塊2與所述預(yù)分頻模塊5之間串聯(lián)有第六電容C6，在所述預(yù)分頻模塊5與所述計數(shù)模塊3之間串聯(lián)有第五電容C5，分別用于消除振蕩信號中的直流成份。所述預(yù)分頻模塊5可以但不限于采用型號為MC12080D的預(yù)分配器。如圖2所示，所述預(yù)分配器是一種1.1GHz的預(yù)分頻器高頻輸入信號(1.1GHz為該預(yù)分頻器的最大工作頻率)，可以通過配置其第三引腳SW1、第六引腳SW2和第七引腳SW3的電平來設(shè)置預(yù)分頻比。如圖2所示，所述第三引腳SW1配置為低電平、所述第六引腳SW2配置為高電平，所述第七引腳SW3配置為低電平，由此可設(shè)置預(yù)分頻比為40，可以測得的頻率測量值最高可達(dá)到40×4.096kHz，滿足基本的測量需求。

具體的，所述電極板101的外表面設(shè)有鍍鋅層。通過設(shè)置所述鍍鋅層，可以防止電極板生銹，避免影響電極特性及電容值，尤其是在所述電極板在插入到待測土壤時。

綜上，本實施例所提供的基于振蕩回路的土壤濕度傳感器及其工作方法，具有如下有益效果：(1)其將兩個電極板及處于兩電極板之間的土壤視為一個待測容值的平行板電容器，然后利用振蕩回路頻率與電容值的關(guān)系以及電容值與介電常數(shù)的關(guān)系，通過獲取振蕩回路的頻率值，可反推得到土壤的介電常數(shù)，進(jìn)而得到土壤的濕度值，如此可以排除傳統(tǒng)FDR和TDR方法中線性度不高的缺陷，能夠快速實現(xiàn)土壤水分的快速、準(zhǔn)確和穩(wěn)定的測量；(2)可以實現(xiàn)在一定區(qū)域范圍內(nèi)的單點(diǎn)單深度，多點(diǎn)多深度的快速土壤濕度測量；(3)采用TTL電平串行數(shù)字信號輸出，可具有很強(qiáng)的抗干擾能力，具備遠(yuǎn)距離傳輸能力；(4)所述土壤濕度傳感器還具有電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉和應(yīng)用方便等特點(diǎn)，實用性強(qiáng)，便于實際推廣和使用。

如上所述，可較好地實現(xiàn)本發(fā)明。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，設(shè)計出不同形式的基于振蕩回路的土壤濕度傳感器及其工作方法并不需要創(chuàng)造性的勞動。在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下對這些實施例進(jìn)行變化、修改、替換、整合和變型仍落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。