一种基于振荡回路的土壤湿度传感器及其工作方法与流程

本发明涉及地质检测设备领域，具体地，涉及一种基于振荡回路的土壤湿度传感器及其工作方法。

背景技术：

现有的土壤墒情测量方法以TDR(Time-Domain Reflectometry，时域反射技术)和FDR(Frequency-Domain Reflectometer，频域反射技术)为主。其中，TDR技术的工作原理是利用电磁波在不同介电常数的介质中传输速率不一样特性，通过精确测量电磁波从发送端到接收端的时间差，从而得到电磁波在土壤中的传输速率，从而反推出介电常数，并进而得到土壤容积含水量(即湿度值)。而FDR技术是利用电磁脉冲原理，根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数，并进而得到土壤容积含水量。

现有的FDR和TDR技术虽然有效，但是都存在线性度低、精度易受环境因素影响、电路复杂、设备较昂贵和现场安装流程复杂等问题，适用性有限。

技术实现要素：

针对前述现有技术的问题，本发明提供了一种基于振荡回路的土壤湿度传感器及其工作方法，其将两个电极板及处于两电极板之间的土壤视为一个待测容值的平行板电容器，然后利用振荡回路频率与电容值的关系以及电容值与介电常数的关系，通过获取振荡回路的频率值，可反推得到土壤的介电常数，进而得到土壤的湿度值，如此可以排除传统FDR和TDR方法中线性度不高的缺陷，能够快速实现土壤水分的快速、准确和稳定的测量。此外，所述土壤湿度传感器还具有电路结构简单、成本低廉和应用方便等特点，实用性强，便于实际推广和使用。

本发明采用的技术方案,一方面提供了一种基于振荡回路的土壤湿度传感器，包括平行板电容器、电感、振荡模块、计数模块和处理模块，其中，所述平行板电容器包括两电极板和固定连接两电极板的绝缘件，同时使两电极板相互平行，并分别作为所述平行板电容器的两极；所述平行板电容器的两极与所述电感并联构成一个振荡回路，并使所述振荡回路依次串联所述振荡模块、所述计数模块和所述处理模块。

优化的，所述振荡模块包括型号为MC100EL1648D的压控振荡器放大器、第一电容、第八电容、第九电容、第一电阻和第三电阻；所述压控振荡器放大器的第八引脚连接所述第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端与所述压控振荡器放大器的第一引脚之间并联所述振荡回路；所述压控振荡器放大器的第二引脚和第三引脚相连，然后分别连接接地的所述第八电容和接地的所述第九电容；所述压控振荡器放大器的第五引脚和第七引脚相连，然后连接接地的所述第一电容，同时依次串联所述第一电阻和直流电源；所述压控振荡器放大器的第六引脚接地，所述压控振荡器放大器的第四引脚作为所述振荡模块的输出端。

优化的，所述计数模块包括型号为MC74HC4040AD的12级二机制纹波计数器、第四电阻和第七电阻；所述12级二机制纹波计数器的第十引脚作为所述计数模块的输入端，并分别连接所述第四电阻的一端和所述第七电阻的一端，所述第四电阻的另一端和所述12级二机制纹波计数器的第十六引脚分别连接直流电源，所述第七电阻的另一端接地；所述12级二机制纹波计数器的第八引脚接地，所述12级二机制纹波计数器的第十一引脚连接所述处理模块的控制输出端，所述12级二机制纹波计数器的12个输出引脚作为所述计数模块的输出端。

优化的，所述处理模块包括型号为STM8L151C8T6-48的单片机芯片、第三电容和第五电阻；所述单片机芯片的第二引脚作为所述处理模块的控制输出端，并分别连接所述第三电容的一端和所述第五电阻的一端，所述第五电阻的另一端连接直流电源，所述第三电容的另一端接地。

优化的，在所述振荡模块与所述计数模块之间串联有预分频模块。进一步优化的，在所述振荡模块与所述预分频模块之间或在所述预分频模块与所述计数模块之间串联有隔直电容。所述预分频模块采用型号为MC12080D的预分配器。

优化的，所述电极板的外表面设有镀锌层。

本发明采用的技术方案,另一方面提供了一种前述基于振荡回路的土壤湿度传感器的工作方法，包括如下步骤：S101.将平行板电容器插入到待测土壤中；S102.启动振荡模块，对振荡回路进行激励，产生振荡信号；S103.将所述振荡信号导入计数模块，通过计数模块的计数，获取所述振荡信号的频率测量值f；S104.处理模块获取所述频率测量值f，并从本地读取平行板电容器的电极板面积S和板间距离d，然后按照如下公式计算待测土壤的介电常数ε：

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

式中，ε₀为真空介电常数，L为振荡回路中电感的电感值；S105.按照如下公式计算待测土壤的湿度值

然后输出所述湿度值

优化的，当在所述振荡模块与所述计数模块之间串联有预分频模块时，则按照如下公式按照如下公式计算待测土壤的介电常数ε：

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

式中，ε₀为真空介电常数，L为振荡回路中电感的电感值，λ为预分频模块的预分频比。

综上，采用本发明所提供的一种基于振荡回路的土壤湿度传感器及其工作方法，具有如下有益效果：(1)其将两个电极板及处于两电极板之间的土壤视为一个待测容值的平行板电容器，然后利用振荡回路频率与电容值的关系以及电容值与介电常数的关系，通过获取振荡回路的频率值，可反推得到土壤的介电常数，进而得到土壤的湿度值，如此可以排除传统FDR和TDR方法中线性度不高的缺陷，能够快速实现土壤水分的快速、准确和稳定的测量；(2)可以实现在一定区域范围内的单点单深度，多点多深度的快速土壤湿度测量；(3)采用TTL电平串行数字信号输出，可具有很强的抗干扰能力，具备远距离传输能力；(4)所述土壤湿度传感器还具有电路结构简单、成本低廉和应用方便等特点，实用性强，便于实际推广和使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的基于振荡回路的土壤湿度传感器的结构框图。

图2是本发明提供的基于振荡回路的土壤湿度传感器的电路图。

图3是本发明提供的基于振荡回路的土壤湿度传感器的工作方法流程图。

上述附图中：1、电容 101、电极板 2、振荡模块 3、计数模块 4、处理模块 5、预分频模块。

具体实施方式

以下将参照附图，通过实施例方式详细地描述本发明提供的基于振荡回路的土壤湿度传感器及其工作方法。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

实施例一

图1示出了本发明提供的基于振荡回路的土壤湿度传感器的结构框图，图2示出了本发明提供的基于振荡回路的土壤湿度传感器的电路图，图3示出了本发明提供的基于振荡回路的土壤湿度传感器的工作方法流程图。本实施例提供的所述基于振荡回路的土壤湿度传感器，包括平行板电容器1、电感L1、振荡模块2、计数模块3和处理模块4，其中，所述平行板电容器1包括两电极板101和固定连接两电极板101的绝缘件，同时使两电极板101相互平行，并分别作为所述平行板电容器1的两极；所述平行板电容器1的两极与所述电感L1并联构成一个振荡回路，并使所述振荡回路依次串联所述振荡模块2、所述计数模块3和所述处理模块4。

如图1至2所示，在所述土壤湿度传感器的结构中，所述平行板电容器1用于插入到待测土壤中，由此可将两个电极板101及处于两电极板之间的土壤一起视为一个待测容值的平行板电容器；所述振荡回路用于利用LC振荡原理实现振荡信号的产生；所述振荡模块用于对所述振荡回路进行激励，产生振荡信号；所述计数器用于对振荡信号的频率进行计数，获取振荡信号的频率测量值，并将所述频率测量值送至所述处理模块进行处理；所述处理模块用于根据所述频率测量值反推计算所述平行板电容器1的电容值及待测土壤的介电常数，进而根据经典的土壤介电常数与土壤含水量的关系，反推得到待测土壤的湿度值(即土壤含水量)。此外，如图1所示，在所述土壤湿度传感器中还包括为各个模块提供电能支持的电源模块。

如图3所示，所述基于振荡回路的土壤湿度传感器的工作方法可以但不限于包括如下步骤：S101.将平行板电容器插入到待测土壤中；S102.启动振荡模块，对振荡回路进行激励，产生振荡信号；S103.将所述振荡信号导入计数模块，通过计数模块的计数，获取所述振荡信号的频率测量值f；S104.处理模块获取所述频率测量值f，并从本地读取平行板电容器的电极板面积S和板间距离d，然后按照如下公式计算待测土壤的介电常数ε：

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

式中，ε₀为真空介电常数，L为振荡回路中电感的电感值；S105.按照如下公式计算待测土壤的湿度值

然后输出所述湿度值由此通过所述土壤湿度传感器及其工作方法，可以排除传统FDR和TDR方法中线性度不高的缺陷，能够快速实现土壤水分的快速、准确和稳定的测量。此外，还可以实现在一定区域范围内的单点单深度，多点多深度的快速土壤湿度测量，同时所述土壤湿度传感器还具有电路结构简单、成本低廉和应用方便等特点，实用性强，便于实际推广和使用。

优化的，所述振荡模块2包括型号为MC100EL1648D的压控振荡器放大器、第一电容C1、第八电容C8、第九电容C9、第一电阻R1和第三电阻R3；所述压控振荡器放大器的第八引脚BIAS连接所述第三电阻R3的一端，所述第三电阻R3的另一端与所述压控振荡器放大器的第一引脚TANK之间并联所述振荡回路；所述压控振荡器放大器的第二引脚VCC1和第三引脚VCC2相连，然后分别连接接地的所述第八电容C8和接地的所述第九电容C9；所述压控振荡器放大器的第五引脚AGC和第七引脚VEE2相连，然后连接接地的所述第一电容C1，同时依次串联所述第一电阻R1和直流电源VCC；所述压控振荡器放大器的第六引脚VEE1接地，所述压控振荡器放大器的第四引脚OUT作为所述振荡模块2的输出端。如图2所示，所述压控振荡器放大器U3是一种可集成有压控振荡功能和信号放大功能的现有产品，如此可以利用其压控振荡功能对所述振荡回路进行激励，产生振荡信号，并利用其信号放大功能对所述振荡信号进行放大，以便后续模块能够进行识别处理。此外，所述第三电阻R3用于产生振荡电流，所述第一电容C1、所述第八电容C8和所述第九电容C9用于作为旁路电容，保护所述压控振荡器放大器不受外部交流信号的影响，最后产生的振荡信号从所述压控振荡器放大器的第四引脚OUT输出。

优化的，所述计数模块3包括型号为MC74HC4040AD的12级二机制纹波计数器、第四电阻R4和第七电阻R7；所述12级二机制纹波计数器的第十引脚CLOCK作为所述计数模块3的输入端，并分别连接所述第四电阻R4的一端和所述第七电阻R7的一端，所述第四电阻R4的另一端和所述12级二机制纹波计数器的第十六引脚VCC1分别连接直流电源VCC，所述第七电阻R7的另一端接地；所述12级二机制纹波计数器的第八引脚GND接地，所述12级二机制纹波计数器的第十一引脚RESET连接所述处理模块4的控制输出端，所述12级二机制纹波计数器的12个输出引脚作为所述计数模块3的输出端。如图2所示，所述12级二机制纹波计数器U1是一种可以对输入的时钟信号频率进行计数的现有产品，其可以同步输出12位二进制数据(即计数得到的频率测量值可高达4.096kHz),以便所述处理模块进行运算反推。此外，所述第四电阻R4和所述第七电阻R7用于稳定来自振动回路方向的振荡信号(即作为时钟信号输入的待测信号)。

具体的，所述处理模块4包括型号为STM8L151C8T6-48的单片机芯片、第三电容C3和第五电阻R5；所述单片机芯片的第二引脚PA1/NRST作为所述处理模块4的控制输出端，并分别连接所述第三电容C3的一端和所述第五电阻R5的一端，所述第五电阻R5的另一端连接直流电源VCC，所述第三电容C3的另一端接地。如图2所示，所述第三电容C3和第五电阻R5用于稳定待输出的控制信号，以便准确地控制所述计数模块3进行复位，即控制所述12级二机制纹波计数器进行复位。同样如图2所示，所述单片机芯片的第十五至十八引脚(PE1～PE4)、第四十一至四十四引脚(PC2～PC5)和第二十五至二十八引脚(PB1～PE4)作为输入引脚，分别与所述12级二机制纹波计数器的12个输出引脚对接，输入反映振荡信号的频率测量值的12位二进制数据；所述单片机芯片的第四十七引脚(PE6)和第四十八引脚(PE7)分别作为外部数据的输入端和内部数据的输出端，用于与外部设备进行有线通讯，输入计算参数(例如平行板电容器的电极板面积S和板间距离d等)或导出土壤湿度值，其可以但不限于采用TTL电平(transistor transistor logic，晶体管-晶体管逻辑电平)串行数字信号输出，可具有很强的抗干扰能力，具备远距离传输能力。

具体的，在所述振荡模块2与所述计数模块3之间串联有预分频模块5。如图1和图2所示，由于所述计数模块3的最大计数值有限，例如所述12级二机制纹波计数器的最大计数值为4096，难以满足高频计数需求，因此串联所述预防频模块5，可以降低后续计数模块3的输出数值，防止计数溢出，确保计数正确性。作为进一步优化的，此时按照如下公式按照如下公式计算待测土壤的介电常数ε：

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

式中，ε₀为真空介电常数，L为振荡回路中电感的电感值，λ为预分频模块的预分频比。

进一步优化的，在所述振荡模块2与所述预分频模块5之间或在所述预分频模块5与所述计数模块3之间串联有隔直电容。如图2所示，在所述振荡模块2与所述预分频模块5之间串联有第六电容C6，在所述预分频模块5与所述计数模块3之间串联有第五电容C5，分别用于消除振荡信号中的直流成份。所述预分频模块5可以但不限于采用型号为MC12080D的预分配器。如图2所示，所述预分配器是一种1.1GHz的预分频器高频输入信号(1.1GHz为该预分频器的最大工作频率)，可以通过配置其第三引脚SW1、第六引脚SW2和第七引脚SW3的电平来设置预分频比。如图2所示，所述第三引脚SW1配置为低电平、所述第六引脚SW2配置为高电平，所述第七引脚SW3配置为低电平，由此可设置预分频比为40，可以测得的频率测量值最高可达到40×4.096kHz，满足基本的测量需求。

具体的，所述电极板101的外表面设有镀锌层。通过设置所述镀锌层，可以防止电极板生锈，避免影响电极特性及电容值，尤其是在所述电极板在插入到待测土壤时。

综上，本实施例所提供的基于振荡回路的土壤湿度传感器及其工作方法，具有如下有益效果：(1)其将两个电极板及处于两电极板之间的土壤视为一个待测容值的平行板电容器，然后利用振荡回路频率与电容值的关系以及电容值与介电常数的关系，通过获取振荡回路的频率值，可反推得到土壤的介电常数，进而得到土壤的湿度值，如此可以排除传统FDR和TDR方法中线性度不高的缺陷，能够快速实现土壤水分的快速、准确和稳定的测量；(2)可以实现在一定区域范围内的单点单深度，多点多深度的快速土壤湿度测量；(3)采用TTL电平串行数字信号输出，可具有很强的抗干扰能力，具备远距离传输能力；(4)所述土壤湿度传感器还具有电路结构简单、成本低廉和应用方便等特点，实用性强，便于实际推广和使用。

如上所述，可较好地实现本发明。对于本领域的技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的基于振荡回路的土壤湿度传感器及其工作方法并不需要创造性的劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和变型仍落入本发明的保护范围内。