[实用新型]差分信号交织控制的土壤含水率传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种土壤含水率传感器。

背景技术

随着电子自动化和传感器技术不断发展,土壤含水率检测成为衡量工农业自动化程度的重要指标。研究土壤水分检测可以自动预测和判定植物需水规律，提高农业电子自动化进程和指导节约农业灌溉用水。传统的土壤含水率测量方法有质量法、中子法、γ射线法、电阻法、电容法、时域反射法、核磁共振法等。其中，质量法原理简单，精度高，已成为标定的测量方法。但是其测量具有不可逆性，无法重复测试。核磁共振法、中子法和γ射线法采用放射性的测量原理，限制了其应用领域。传统的电阻法操作简单，实时性强，然而测量精度较低。时域反射法由于理论性和实用性都很强，且具有不破坏样本、快速和容易操作等优点，是近年来使用较多、发展较快的一种测定土壤含水率的方法，但是该方法测试较为复杂，成本较高。电容法测定土壤含水率实质是测量土壤介电常数。然而，由于土壤含水率传感器电极输出必须要接触土壤，因此土壤的非线性因素会使有效信号失真，通过电极耦合到传感器内部，造成传感器电路性能降低。目前未见相关文献报道研究基于含水率传感器电极输出信号的谐波抑制。

基于此，本文结合电阻法和电容法，提出一种测量土壤含水率的方法，并在此基础上设计了基于差分信号交织控制的土壤含水率传感器。利用集成时基计时器设计差分交织控制电路。该电路包含两个新型双稳态触发器，将触发器输出加载到传感器电极。当土壤的含水率变化时通过电极反馈到双稳态触发器，根据反馈输出信号的变化差计算出土壤含水率。同时，为了抑制电极反馈信号的谐波失真，设计了双端输入双端输出差分形式，并建立数学模型对相关电路元件优化设计和仿真验证。最后，根据建立的数学模型构建传感器硬件结构。实测的结果表明，该传感器具有较好的性能。

实用新型内容

本实用新型所要解决的主要技术问题是提供一种土壤含水率传感器，信号总谐波失真较小，输出信号线性性能显著提高，同时降低土壤杂散物质对输出信号的影响。

为了解决上述的技术方案，本实用新型提供了一种差分信号交织控制的土壤含水率传感器，包括：差分交织控制电路、波形发生器、MCU、电源转换电路和电极模块；

所述差分交织控制电路产生两路反相调制信号，并将电极输出信号变化差值反馈到MCU中；电源转换电路提供传感器系统所需的不同电源，保证系统正常工作；波形发生器产生差分交织控制电路所需要的激励输入信号V_in1和V_in2；土壤含水量变化引起电极模块极化，通过双稳态触发器将变化的土壤含水量转化为周期特性信号，利用MCU测量周期特性信号的周期，进而得到土壤含水量。

在一较佳实施例中：所述差分交织控制电路包括集成式计时器U₁和U₂；所述U₁和U₂的thr端和tri端分别与所述输入信号V_in1和V_in2连接；所述U₁和U₂的con端和gnd端之间分别连接滤波电容C₂和C₄；所述U₁和U₂的rst端与vcc端连接后分别通过降压电阻网络与调谐电容C₁和C₃连接后接入gnd端；所述U₁和U₂的dis端与待检测的土壤连接；所述U₁和U₂的out端与所述电极模块连接。

在一较佳实施例中：所述输入信号V_in1和V_in2的幅度相等，相位相差180°。

在一较佳实施例中：电极模块由两片8mm x 120mm金属组成；两片金属电极间距为12mm；每片电极按照均匀分布刻蚀1mm的铜极。

在一较佳实施例中：所述降压电阻网络为串联连接的第一降压电阻网络电阻R1、R3；以及串联连接的第二降压电阻网络R2、R4。

相较于现有技术，本实用新型的技术方案具备以下有益效果：