【《电容式土壤湿度测量系统测量原理及总体设计方案》3700字】

电容式土壤湿度测量系统测量原理及总体设计方案目录TOC\o"1-3"\h\u21680电容式土壤湿度测量系统测量原理及总体设计方案 18371.1介电测量介绍 1194651.2平面电容传感器介绍 3130921.3系统总体设计方案 6155671.4小结 7本章首先介绍了介电测量的一些基本概念和原理，分析了基于平面电容传感器的介电测量方法，又提出了低功耗电容式湿度测量系统的设计方案。1.1介电测量介绍一般材料可以分为导体、绝缘体和半导体，其中绝缘体材料一般可以称之为电介质，而电介质均是由非偶极分子和偶极分子两中分子共同组成。这种材料在外部电场的作用下，内部的结构不对称的偶极分子将会重新取向，同时消耗能量。这种偶极分子的重新取向和消耗能量的现象，又被称之为电介质在外部电磁场的影响下产生的介电极化和介电损耗，同时又表现了电介质材料在当前状态下可以储藏电荷和消耗电能的两种物理属性，我们称之为介电特性。一般用复介电常数来作为衡量介电材料介电特性的物理量，其中实部为介电常数，表征绝缘材料储藏电荷的能力，虚部可以理解为介电损耗，表征绝缘材料消耗电能的能力。因此介电常数可以作为电介质材料的极化指标，也代表了电介质对内部电荷的约束能力[[][] 孙宇瑞.非饱和土壤介电特性测量理论与方法的研究[D].中国农业大学,2000.以容量为的平行板电容传感器为例，在激励电极一侧施加频率为的正弦信号，为信号角频率。当平行极板之间为真空时，电容器上储存的电荷为，当两极板之间不是真空时，电容传感器不能被看作一个理想电容器，而是可以将其视为一个由电容和电导并联的等价电路模型，其电路如图1.1所示。图1.1电容器等效电路模型Fig1.1Equivalentcircuitmodelofcapacitor此时电容传感器的电容： （2-1）上式中，表示绝缘介质材料的绝对介电常数，表示绝对真空状态下的绝对介电常数，为绝缘介质材料的相对介电常数，则： （2-2）此时电容传感器的电流为： （2-3）电流与电压的功率因素角为，则损耗角为，损耗角正切值： （2-4）同时复介电常数可以表示为，实部为相对介电常数，虚部为损耗因子，损耗角正切值的表达式可以改写成如下形式： （2-5）由式（2-2）、式（2-4）和式（2-5）可以推导得到等效电容和等效电导： （2-6） （2-7）相对介电常数作为复介电常数的实部与等效电容相关，影响电容传感器的电荷储藏能力，损耗因子作为复介电常数的虚部与等效电导相关，影响电容传感器的介电损耗。由式（2-6）和式（2-7）可得： （2-8） （2-9）由此可见，可以基于电容传感器设计测量方案获得传感器的等效电容和等效电导等信息，推算出电介质的复介电常数，又因为电介质的物理参数影响电介质的介电极化和介电损耗，所以由电介质的复介电常数和某物理参数之间的关系，可以推导出该物理参数的大小变化。1.2平面电容传感器介绍平面电容传感器是在常规平行板电容器的基础上，将激励电极和感应电极分别向外侧展开，使两个极板位于同一平面上，就形成了平面电容传感器，如图1.3所示。平面电容传感器的电场线由于边缘电场效应呈曲线状分布于一侧，这使得平面电容传感器的样本介质材料也因放置于传感器的一侧，所以平面电容传感器具有单边测量的特点[[][] 郑亮.基于边缘电场传感器的食品安全检测系统设计与实现[D].合肥工业大学,2015.图1.2平行板电容传感器和平面电容传感器Fig1.2Parallelplatecapacitancesensorandplanecapacitancesensor由图1.2可知，平面电容传感器与传统的平行板电容传感器相比较，平面电容传感器由于其激励极板和感应极板的相对位置发生了改变，导致其电场线分布的改变，但是二者的基本原理仍然类似，都是将激励信号施加到电容传感器的激励电极，会在激励电极与感应电极之间的区域产生感应电场，电场区域内放置待测样本，样本在电场区域内由于其介电特性影响感应电极上的感应信号。平面电容传感器的电极形状有很多不同的设计方案，最常见的有交叉指型、回字型、同心圆型等。本文选用交叉指型平面电容传感器设计方案，电极结构如图1.3所示。图1.3叉指型平面电容传感器Fig1.3Interdigitalplanecapacitancesensor交叉指型平面电容传感器通常是由梳状激励电极、梳状感应电极以及分布在外侧的保护电极构成，对传感器激励电极施加激励信号后，在各条激励电极与感应电极之间的区域由边缘电场效应产生感应电场，任意一条激励电极与最近的感应电极之间的中心距离都相等，称之为传感器的电极间距，也叫作波长，波长决定了该叉指型电容传感器的电场线长度，决定了电场线对样本介质的穿透深度，可以选用不同波长的叉指型电容传感器来实现对样本介质的不同深度的介电测量，具有非接触、可分层测量的特点。保护电极的作用主要是屏蔽外来电场对传感器测量区域内的电磁干扰，同时避免在传感器背面形成电场线从而引起来自背面的干扰，确保传感器的电场线集中在待测区域[[] [] S.Avramov-Zamurovic,R.D.Lee.AHigh-StabilityCapacitanceSensorSystemandItsEvaluation[J].IEEETransactionsonInstrumentationandMeasurement,2009,58,4:955-961.平面电容传感器一般由PCB工艺制造，呈片状，而本系统应用于土壤湿度测量领域，需要与土壤样本充分接触，并且在不同情况下对测量深度可能有不同要求，所以探针式外形的传感器更适合于土壤湿度测量。本文将交叉指型平面电容传感器设计为探针式外形，在保留平面电容传感器特性的前提下，使其满足土壤湿度测量领域的实际需求。当对传感器的激励电极施加正弦波激励信号，电容传感器形成边缘电场，电场线穿过样本介质，在感应电极上产生感应信号，感应信号与驱动信号、传感器几何形状和样本介质的介电特性都有关系。在驱动信号和传感器几何形状都确定的情况下，样本介质的介电特性通过影响电容传感器的等效电容和电导，从而决定了感应信号的大小。可以通过分析感应电压以及传感器的等效电容和电导，来推算分析样本介质的特性。平面电容传感器由于其独特的电极结构，其电场并不是线性分布，这导致传感器的极间电容与其他类型的电容传感器相比偏小、同时具有很高输入阻抗，在测量过程中，干扰信号很容易从信号输入处引入，从而对测量结果产生不良影响，设计测量方案需考虑尽可能消除干扰信号的影响，提供输出信号的信噪比。本文的传感器测量电路采用交流法，平面电容传感器的等效模型和测量电路模型如图1.4所示：图1.4测量电路模型Fig1.4Themodelofmeasuringcircuit图1.4中，与是平面电容传感器的激励电极与感应电极之间的极间电导和极间电容，与是传感器激励电极与保护电极之间的等效电导和等效电容，与是传感器感应电极与保护电极之间的等效电导和等效电容，是直流反馈通道上的反馈电导，是交流反馈通道上的反馈电容，是传感器等效的杂散电容，是激励信号，是测量电路的输出信号。分析图1.4中的测量电路模型，可以推导得该测量电路的输出与传感器输入之间的关系： （2-10）分析由反馈电容和反馈电阻产生的相位变化和增益变化： （2-11） （2-12）设测量电路的输出与传感器输入之间的复增益为，为复增益的幅值，为与的相位差，那么复增益可以表示为： （2-13）上式联立可得： （2-14） （2-15）分析式（2-14）可知，若要推算电容传感器的极间电容，所需信息有：激励信号与响应信号之间的幅值增益、反馈通道上的电容与电导、激励信号的频率、响应信号与激励信号之间的相位差。由此可见，若进一步设计测量方案获取上述测量电路的输出与传感器输入之间的增益和相位差，就可以推算出传感器的极间电容，从而实现对样本介质的介电测量。1.3系统总体设计方案通过分析平面电容传感器的特性和土壤湿度测量的实际需求，确定了本文测量系统的主要解决的问题包括高频激励信号产生、高频信号处理以及降低系统功耗。激励信号产生是指系统需要产生稳定的正弦波信号用来激励电容传感器的激励电极，由于土壤的介电特性，激励信号频率应该在兆赫兹级别，所以又对激励信号的频率有了更高的要求。本文采用振荡电路的形式来产生高频正弦波激励信号。高频信号处理是为了解决信号高频率与系统低功耗之间的矛盾，由于通常低功耗系统的数据处理能力有限，如何获取高频信号的幅值和相位信息成为实现测量目标的关键点。本文采用幅相检测芯片AD8302来实现对两路信号的幅值和相位对比，对幅相检测模块的输出信号进行采样分析，直接获取必要的幅值增益和相位差信息，而对两路交流信号的具体波形不作高频采样，这样就降低了对核心处理器的数据处理能力的要求，从而实现低功耗与高频率兼顾。测量系统中的核心处理器是实现低功耗的最重要的考虑因素，核心处理器的选择需要在低功耗的前提下满足各项性能指标，主要包括运算速度、内存空间、外设资源等。目前在集成芯片领域，最常见的通讯逻辑电平之一就是+3.3V，为方便其他模块的电路设计，应该选择一款逻辑电平为+3.3V的低功耗单片机。为节约硬件成本，降低系统占用面积，所选单片机应该支持包括SPI通信和I²C通信在内的串行通信技术。为实现测量系统的各项要求，所选单片机还需要拥有包括模数转换和定时器等各类资源。由于系统需要长时间采集并处理大量数据，单片机内存容量也必须尽可能大。同时所选单片机最好具有低功耗模式实现系统的休眠和唤醒，使测量系统可以在低功耗模式下长时间监测。综合考虑上述各项性能指标的要求，最终确定了TI公司的MSP430系列低功耗单片机，选择MSP430F5529单片机作为本测量系统的核心处理器，该处理器的各项指标均满足本系统的要求