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      一種基于差分相干解調(diào)的土壤水分感知電路的制作方法

      文檔序號:12531813閱讀:392來源:國知局
      一種基于差分相干解調(diào)的土壤水分感知電路的制作方法與工藝

      本實用新型涉及電子技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種基于差分相干解調(diào)的水分感知電路。



      背景技術(shù):

      目前國內(nèi)外土壤水分測量主流技術(shù)是:時域反射(Time Domain Reflectrometry,簡稱TDR)法、駐波率(Standing Wave Ratio,簡稱SWR)法、頻域分解(Frequency Domain Decomposition,簡稱FD)法及時域傳輸(Time Domain Transmissometry,簡稱TDT)法。

      基于TDR原理的土壤水分傳感器是目前土壤水分測量方法中普遍接受且應(yīng)用最廣的儀器測量方法。測量精度高,響應(yīng)速度快,測量范圍寬,一般不需要標定,操作簡便,野外和室內(nèi)都可使用,TDR測量結(jié)果受土壤鹽度影響很小,在測量高有機質(zhì)含量土壤、高粘土、礦物含量土壤、容重特別高或特別低的土壤時,需要標定。TDR最大的缺點是電路復(fù)雜、成本高,由于缺乏高精度、快速、集成度高的芯片,因此在硬件電路的實現(xiàn)上存在較大地困難。

      TDT法工作原理與TDR相比雖然都是通過測量電磁波在土壤介質(zhì)中傳播的時間差測量土壤介電常數(shù),但原理上卻有很大不同。其一高頻電磁波不同,TDR選用的是高頻脈沖,信號源中含有極豐富的諧波,各諧波在傳輸過程中幅度和相位都會發(fā)生不同程度的變化而導致波形畸變,通過比較反射回來的信號上升沿畸變來確定土壤含水量信息。而TDT信號源卻是單一頻率的正弦波,不是通過探針終端開路引起反射,而是通過信號完整的回路提取包含在相位變化中的土壤水分值,因此可以通過分析其相位信息既可以確定土壤含水量信息。其二不同的是TDR探頭末端是開路的,信號因末端阻抗不匹配發(fā)生反射,而TDT的探頭是封閉的回路,信號不反射,由于從理論上消除了探針末端阻抗不匹配而引起的信號多次反射、入射波與反射波互相干擾、信號衰耗等諸多影響測量精度、穩(wěn)定度的因素,因此在對土壤水分信息微小變化的檢測與提取具有高精度、高可靠性、高靈敏度以及高穩(wěn)定性。TDT的優(yōu)點是時間測量電路可以不依賴進口芯片也可以實現(xiàn),設(shè)備成本低,測量精度和技術(shù)性能與TDR相當。缺點是探頭無法做成末端開路的針式結(jié)構(gòu),必須埋入土壤中測量,只能做固定監(jiān)測使用,而且埋入時對土壤擾動較大,破壞原狀土壤的結(jié)構(gòu),也無法通過與探頭連接的電路直接測量土壤水分。



      技術(shù)實現(xiàn)要素:

      由于現(xiàn)有的土壤水分測量方法無法同時滿足測量電路容易實現(xiàn),成本低,測量精度高,測量值穩(wěn)定及即插即用的問題,本實用新型提出一種基于差分相干解調(diào)的水分感知電路。

      本實用新型提出一種基于差分相干解調(diào)的土壤水分感知電路,包括:乘法器、低通濾波器及可變增益儀表放大器;

      土壤水分感知電路采用差分相干解調(diào)的方法來提取高頻信號中包含土壤水分信息的相位差;

      所述乘法器與所述低通濾波器連接,用于對接收的同相參考信號和土壤水分感知信號進行相乘,經(jīng)過所述低通濾波器后得到包含土壤水分信息的相位差的余弦信號,同時對接收的所述正交參考信號和所述土壤水分感知信號進行相乘,經(jīng)過所述低通濾波器后得到土壤水分信息的相位差的正弦信號。

      優(yōu)選地,還包括:可變增益儀表放大器;

      所述可變增益儀表放大器與所述低通濾波器連接,用于對接收的信號進行功率放大處理。

      優(yōu)選地,還包括:顯示器;

      所述顯示器與所述可變增益儀表放大器連接,用于完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、兩路信號除法運算、相位差與水分含量值的轉(zhuǎn)換、存儲、顯示及通訊等功能。

      優(yōu)選地,所述乘法器與土壤探針連接,所述土壤探針接收高頻信號并經(jīng)所述土壤探針小板上的水分感知信號線路傳輸,以感知土壤水分信息,再將土壤探針回傳回來的所述土壤水分感知信號送至所述乘法器。

      優(yōu)選地,所述乘法器與相移器連接,所述相移器對同相參考信號進行90度相移處理作為正交參考信號,并將所述正交參考信號發(fā)送至所述乘法器。

      優(yōu)選地,所述乘法器采用AD834型號。

      優(yōu)選地,所述放大器采用AD623型號。

      由上述技術(shù)方案可知,本實用新型通過乘法器和低通濾波器對信號進行處理得到包含土壤水分信息的相位差的余弦信號和正弦信號,電路容易實現(xiàn),成本低,測量精度高,同時測量值穩(wěn)定,便于大力推廣。

      附圖說明

      為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(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實用新型的一些實施例,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)這些圖獲得其他的附圖。

      圖1為本實用新型一實施例提供的一種基于差分相干解調(diào)的水分感知電路的結(jié)構(gòu)示意圖;

      圖2為本實用新型另一實施例提供的一種基于差分相干解調(diào)的水分感知電路的結(jié)構(gòu)示意圖;

      圖3為本實用新型一實施例提供的一種基于差分相干解調(diào)的水分感知電路電路圖;

      圖4為本實用新型一實施例提供的一種水分感知電路的上支路電壓與水含量關(guān)系曲線圖;

      圖5為本實用新型一實施例提供的一種水分感知電路的上支路相位差與水含量關(guān)系曲線圖。

      具體實施方式

      下面結(jié)合附圖,對實用新型的具體實施方式作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本實用新型的技術(shù)方案,而不能以此來限制本實用新型的保護范圍。

      圖1示出了本實用新型一實施例提供的一種基于差分相干解調(diào)的水分感知電路的結(jié)構(gòu)示意圖,包括:乘法器11和低通濾波器12;

      水分感知電路采用差分相干解調(diào)的方法來提取高頻信號中包含土壤水分信息的相位差;

      所述乘法器11與所述低通濾波器12連接,用于對接收的同相參考信號和土壤水分感知信號進行相乘,經(jīng)過所述低通濾波器后濾出二次諧波分量得到包含土壤水分信息的相位差的余弦信號,同時對接收的所述正交參考信號和所述土壤水分感知信號進行相乘,經(jīng)過所述低通濾波器后濾出二次諧波分量得到土壤水分信息的相位差的正弦信號。

      本實用新型通過乘法器和低通濾波器對包含在高頻信號相位中中的相位差信號進行差分相干解調(diào),再通過數(shù)字顯示電路中單片機的運算處理便可得到土壤水分值。電路容易實現(xiàn),成本低,測量精度高,同時測量值穩(wěn)定,便于大力推廣

      可選地,如圖2所示,還包括:可變增益儀表放大器55;

      所述可變增益儀表放大器與所述低通濾波器連接,用于對接收的信號進行功率放大處理。

      通過可變增益儀表放大器對處理后的信號進行放大處理,能夠便于后續(xù)處理和顯示。

      進一步地,還包括:顯示器56;

      所述顯示器與所述可變增益儀表放大器連接,用于完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、兩路信號除法運算、相位差與水分含量值的轉(zhuǎn)換、存儲、顯示及通訊等功能。

      通過顯示器直觀獲取土壤水分值。

      具體地,所述乘法器521與土壤探針54連接,所述土壤探針54接收高頻信號并經(jīng)所述土壤探針小板上的水分感知信號線路傳輸,以感知土壤水分信息,再將土壤探針54回傳回來的所述土壤水分感知信號送至所述乘法器521。

      進一步地,所述乘法器521與相移器53連接,所述相移器53對高頻信號進行90度相移處理作為正交參考信號,并將所述正交參考信號發(fā)送至所述乘法器521。

      具體地,所述乘法器采用AD834型號,所述放大器采用AD623型號。

      實際電路的乘法器采用AD834型號,200MHz載波信號從引腳8輸入,經(jīng)過土壤探針的高頻信號從引腳1輸入。電源采用經(jīng)過穩(wěn)壓后的雙電源±5V。AD834輸入端信號失真小于-60dB,相位誤差典型值為0.05度。AD623是一款低噪聲可變增益儀表放大器,工作于雙電源±5V,功耗≤2mV。采用AD623是為了將水分感知電路提取的土壤水含量信息微弱信號放大供后面的儀表進行模數(shù)轉(zhuǎn)換、顯示等用。

      為了更進一步說明本實施例提供的基于差分相干解調(diào)的水分感知電路,以下對土壤水分測量原理進行描述,對應(yīng)的電路圖如圖3所示。

      土壤水分測量的依據(jù)是電磁波沿探針傳播的速度與探針周圍土壤的介電常數(shù)的平方根成反比,因此可以根據(jù)電磁波傳播的速度來測量土壤的介電常數(shù)。Topp依此方法測得了土壤中氣—固—液混合物的介電常數(shù)ε,進而利用數(shù)值回歸分析方法找出了不同類型土壤的含水量與介電常數(shù)之間的經(jīng)驗公式:

      W=-5.3×10-2+2.92*10-2ε-5.5×10-4ε2+4.3×10-6ε3 (1)

      其中W為土壤體積含水量,ε為土壤表觀介電常數(shù)。由于探針周圍的介質(zhì)是土壤和水的混合物,其介電常數(shù)介于空氣和水之間(空氣中介電常數(shù)為1,水中接近80),如果土壤是完全干燥的,那么ε將會是2到4,如果土壤體積的25%是水,那么ε將近11~12。對農(nóng)業(yè)土壤來說,ε的大小主要取決于土壤的體積含水量。由信號源產(chǎn)生一個高頻正弦波信號其中A為高頻信號的幅度,ωc為角頻率,為初相,三個參量均為常量,為了簡單起見也可以假設(shè)初始相位從土壤探針A端輸入,探針插入待測土壤,探針末端不是開路的,高頻電磁波沿探針回路到探針B端輸出。假設(shè)探針物理長度為L,則高頻電磁波在探針中的路徑長度為2L,傳輸時間為Δt。因此,電磁波在B點的相位比A點增加了一個相位延時幅度衰減為B,此時B點的高頻信號為:

      高頻電磁波在探針中的傳播時間為:

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      其中v為電磁波在土壤中傳播的速度,c為電磁波在真空中傳播的速度(3×108m/s),ε為土壤混合物的表觀介電常數(shù)。

      由Topp公式知道土壤的介電常數(shù)與含水量有關(guān),因此可以表示為含水量的函數(shù),即帶入式(2)得到:

      由式(5)可以看出在B點處的高頻信號由于相位中包含土壤水分信息。參照通信技術(shù)的相位調(diào)制,式(5)可看出高頻信號uA(t)經(jīng)過土壤中的探針后水分信息被加載到了高頻信號的相位上了,因此通過提取相位差可以獲取土壤水分信息。

      采用差分相位解調(diào)的方法,即uB(t)與其相同頻率的載波(此處就是信號源產(chǎn)生的高頻信號uA(t)相乘:

      經(jīng)過低通濾波器得到:

      其中,k為幅度衰減系數(shù),對確定的水含量k是常量,因此通過測量低通濾波器輸出便能求出是直流信號,從而得到水分值。

      為了測量本實施例提供的基于差分相干調(diào)解的水分感知電路的測量精度,以下通過實驗進行驗證:

      高頻電磁波在土壤探針的時間差:ε是相對介電常數(shù),在空氣中是1,在水中是80。L是探針長度120cm。當探針放在水里傳輸時間會因為介電常數(shù)變大而延長。

      實驗過程:

      將探針插入滿刻度500ml的燒杯里并且固定不動,逐漸往燒杯加水,第一次50ml,以后每次增加10ml,由于探針在水里的長度逐漸增加,高頻信號傳輸時間也逐漸增加,即高頻信號的相位差逐漸變大,每次加水10ml,測量電路中的放大器AD623第6管腳輸出電壓如表1。

      表1 放大器AD623第6管腳輸出電壓

      數(shù)據(jù)處理:

      上支路輸出由于這個電壓值包含幅度衰減,所以計算其相位值需要首先歸一化處理,即電壓值除于最大值1054,使電壓值在-1~1之間。然后對歸一化進行反余弦運算,在計算相位值時要注意其相位連續(xù)性,因此在π之后的相位計算式應(yīng)該是

      數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖4和5所示,分別為上支路電壓與水含量關(guān)系曲線圖和上支路相位差與水含量關(guān)系曲線圖。

      測量結(jié)果分析:

      將上面數(shù)據(jù)處理相位與水含量關(guān)系曲線進行擬合,得到擬合函數(shù):

      y=3E-08x6-4E-06x5+0.0001x4-0.0023x3+0.0165x2-0.0455x+1.8981

      其中,y是相位差,x是含水量。該擬合曲線將作為今后相位差與水含量的關(guān)系曲線,測量時根據(jù)測量電壓來反演水含量值。

      將測量值與擬合曲線計算

      相關(guān)系數(shù)R:

      其中,n是用于回歸分析的測量樣點數(shù);xi是在第i個樣點測得的土含水量;是所有樣點測量值的平均;yi是根據(jù)回歸方程由在第i個樣點測得的信號相位差計算得到的水含量預(yù)測值;是所有樣點預(yù)測值的平均。

      <mrow> <mover> <mi>x</mi> <mo>&OverBar;</mo> </mover> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <mover> <mi>y</mi> <mo>&OverBar;</mo> </mover> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow>

      相關(guān)系數(shù)R(有時也用R2代替)反映了回歸方程與測量數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性,R2的值越接近1,說明回歸方程與測量數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性越好。R2無量綱,其取值范圍在0~1之間。

      均方根誤差RMSE:

      <mrow> <mi>R</mi> <mi>M</mi> <mi>S</mi> <mi>E</mi> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>n</mi> </mfrac> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mrow>

      計算得R2=0.9948,RMSE=0.011,說明測量精度達到了期望值。

      本實用新型的說明書中,說明了大量具體細節(jié)。然而,能夠理解,本實用新型的實施例可以在沒有這些具體細節(jié)的情況下實踐。在一些實例中,并未詳細示出公知的方法、結(jié)構(gòu)和技術(shù),以便不模糊對本說明書的理解。

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