一种基于微弱电容检测法的活立木边材含水率测量仪制造技术

本发明专利技术公开了一种基于微弱电容检测法的活立木边材含水率测量仪，包括FPGA控制电路、DDS模块I、DDS模块II、NIOS II软核、红外测温模块、LCD驱动器、LCD触摸屏、触摸控制器、正弦波电路I、正弦波电路II、驱动电缆I、平行双针探头、驱动电缆II、跨阻放大器、交流放大器、乘法相敏解调器、8阶有源低通滤波器和模数转换器，该测量仪以交流激励式微弱电容检测法为基本原理，结合驱动电缆技术和红外测温技术，将系统电路、LCD触摸屏、连接电缆和平行双针探头集成为一体，将外形结构设计为手持式，能够高精度测量活立木边材的含水率，结构简单，成本低廉，操作人员在野外进行现场实验时操作方便，提高了检测效率。提高了检测效率。提高了检测效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于微弱电容检测法的活立木边材含水率测量仪


[0001]本专利技术涉及活立木含水率测量领域，尤其是涉及一种基于微弱电容检测法的活立木边材含水率测量仪。

技术介绍

[0002]森林是人类生存繁衍的重要保障，具有重要生态价值和经济价值，森林资源主要包括木材行业中的各类木质材料。木材行业作为基础行业，为我国经济做出了巨大贡献，活立木作为木材行业的源头，其长期整体的生长发育情况直接影响着木材行业。水与树木的各种生理活动均密不可分，地球上的有机体三分之二都是水。研究发现，植物体内的水分并非越多越好，其含量应该在植物生长需求范围内。这就需要定期检测不同生长阶段树木所含水分，来研究和判断树木的生长状态，为木材腐朽的预测和树木灌溉提供依据，进而采取相应措施，达到保护森林资源的目的。
[0003]因此，活立木边材含水率的实时准确测量对于森林资源的高效开发利用具有重要意义。现有的含水率测量仪一般用来测量30％以下的木材质量含水率，而实际活立木边材质量含水率通常在80％以上。活立木边材本质上是一种复杂的多孔介质，即由固相(木材)，液相(自由水)和气相(空气)形成的具有一定结构的组合体。近年来，介电常数法越来越受到关注，介电常数法能用于活立木边材质量含水率测量是因为活立木边材中自由水的相对介电常数是81，远高于木材的相对介电常数2和空气的相对介电常数1，即活立木边材的介电常数主要受其含水率的影响，含水率越大，整体介电常数也越大。
[0004]介电常数法根据具体工作原理可以分为时域反射法、驻波比法和电容法。时域反射法通过测量电磁脉冲在传输线上的入射和反射时间差来反演被测物介电常数，再根据经验公式得到质量含水率值，该方法具有准确、无辐射和可连续测量等优点，但是其电路复杂，设备昂贵，操作不便；驻波比法的原理与时域反射法类似，但是不再利用电磁脉冲入射和反射的时间差，而是测量电磁脉冲在传输线上的驻波比，该方法成本较低，受温度较小，但对电路抗干扰设计要求较高，探针阻抗计算也影响其测量精度；电容法常用于高含水率原油的测量，应用于活立木边材含水率测量的报道较少，该方法通过将被测介质构建电容器，然后检测电容值，进而获得含水率，具体到活立木含水率检测领域，可以通过设计适合活立木边材的插入探头结构，将不同树种活立木的含水率情况转换为由探针、插入的活立木边材组成的微弱电容，该电容和树种、活立木含水率以及探针插入深度均有关，这些插入探头结构的电容值较小，一般在pF级，因此需要合理选取微弱电容检测装置，将其转换为直观可见的模拟或者数字信号。
[0005]国内微弱电容的检测方法还不成熟，常规方法是通过信号处理电路将电容值转换为其他易测物理量，但是电路很容易受到干扰，产生与被测电容值量级相同的寄生电容，影响输出精度，因此电容法在活立木边材含水率测量的方面并不成熟，有必要研究一种低成本、防干扰、高精度、使用便利的基于微弱电容检测法的活立木边材含水率测量仪。

技术实现思路

[0006]本专利技术是针对现有技术的不足，提供一种基于微弱电容检测法的活立木边材含水率测量仪，以实现高精度测量活立木边材含水率。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种基于微弱电容检测法的活立木边材含水率测量仪，其特征在于：包括FPGA控制电路、DDS模块I、DDS模块II、NIOS II软核、红外测温模块、LCD驱动器、LCD触摸屏、触摸控制器、正弦波电路I、正弦波电路II、驱动电缆I、平行双针探头、驱动电缆II、跨阻放大器、交流放大器、乘法相敏解调器、8阶有源低通滤波器和模数转换器。
[0009]进一步地，所述DDS模块I和DDS模块II内部结构相同，包括频率控制字、相位控制字、时钟模块、32位累加器I、32位寄存器、32位累加器II和波形存储器，由FPGA通过Verilog语言编程实现内部各模块功能以及模块之间的通信；所述NIOS II软核是FPGA内部固有的32位软核处理器，其与FPGA之间通过Avalon总线进行双向数据通信，NIOS II软核的输出端与LCD驱动器的输入端电气连接，LCD驱动器的输出端与LCD触摸屏的输入端电气连接，LCD触摸屏的输出端与触摸控制器的输入端电气连接，触摸控制器的输出端和红外测温模块的输出端均与NIOS II软核的输入端电气连接。
[0010]进一步地，所述正弦波电路I和正弦波电路II内部机构相同，包括数模转换器、差分转单端电路、7阶无源低通滤波器和后级放大电路，数模转换器的输出端与差分转单端电路的输入端电气连接，差分转单端电路的输出端与7阶无源低通滤波器的输入端电气连接，7阶无源低通滤波器的输出端与后级放大电路的输入端电气连接。
[0011]进一步地，所述FPGA控制电路输出相位控制字和频率控制字到DDS模块I、DDS模块II中，DDS模块I中波形存储器的输出端和时钟模块的输出端均与正弦波电路I中数模转换器的输入端电气连接，正弦波电路I中后级放大电路的输出端与驱动电缆I的输入端电气连接，驱动电缆I的输出端与平行双针探头的输入端电气连接，平行双针探头的输出端与驱动电缆II的输入端电气连接，驱动电缆II的输出端与跨阻放大器的输入端电气连接，跨阻放大器的输出端与交流放大器的输入端电气连接，DDS模块II中波形存储器的输出端和时钟模块的输出端均与正弦波电路II中数模转换器的输入端电气连接，正弦波电路II中后级放大电路的输出端和交流放大器的输出端均与乘法相敏解调器的输入端电气连接，乘法相敏解调器的输出端与8阶有源低通滤波器的输入端电气连接，8阶有源低通滤波器的输出端与模数转换器的输入端电气连接，模数转换器的输出端与FPGA控制电路的输入端电气连接。
[0012]进一步地，所述驱动电缆I和驱动电缆II采用驱动电缆技术，即连接电缆采用低分布电容双层屏蔽电缆，其中电缆的内屏蔽层与仪器地电气连接，电缆的外屏蔽层与大地电气连接。
[0013]本专利技术的有益效果为：
[0014](1)本专利技术采用了抑制杂散电容能力强，分辨力高、稳定性好、易于实现的交流激励式微弱电容检测法作为活立木边材含水率测量的基本原理，并对传统的交流激励式微弱电容检测电路中的信号发生单元、电容转换单元和信号解调单元进行改进，采用平行双针探头作为活立木边材含水率测量的传感器，可将活立木边材含水率的变化转换为电容的变化，经系统电路处理后可在LCD触摸屏上实时显示活立木边材的含水率。
[0015](2)本专利技术将驱动电缆技术与交流激励式微弱电容检测电路相结合，利用理想运
算放大器“虚短虚断”的特性，来消除外来各种干扰以及连接电缆的芯线与屏蔽层之间形成的随机寄生电容的影响，从而在具有数百pF寄生电容的连接电缆影响下精确检测到由平行双针探头含水率传感器转换得到的电容值(＜5pF)，提高了含水率的测量精度。
[0016](3)本专利技术采用红外测温技术实现对活立木表皮的非接触测温，获取活立木表皮的温度，将此温度加入到活立木边材含水率的反演模型中进行温度校准，降低温度对含水率测量的影响，提高了含水率的测量精度。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于微弱电容检测法的活立木边材含水率测量仪，其特征在于：包括FPGA控制电路、DDS模块I、DDS模块II、NIOS II软核、红外测温模块、LCD驱动器、LCD触摸屏、触摸控制器、正弦波电路I、正弦波电路II、驱动电缆I、平行双针探头、驱动电缆II、跨阻放大器、交流放大器、乘法相敏解调器、8阶有源低通滤波器和模数转换器。2.按照权利要求1所述的一种基于微弱电容检测法的活立木边材含水率测量仪，其特征在于：所述DDS模块I和DDS模块II内部结构相同，包括频率控制字、相位控制字、时钟模块、32位累加器I、32位寄存器、32位累加器II和波形存储器，由FPGA通过Verilog语言编程实现内部各模块功能以及模块之间的通信；所述NIOS II软核是FPGA内部固有的32位软核处理器，其与FPGA之间通过Avalon总线进行双向数据通信，NIOS II软核的输出端与LCD驱动器的输入端电气连接，LCD驱动器的输出端与LCD触摸屏的输入端电气连接，LCD触摸屏的输出端与触摸控制器的输入端电气连接，触摸控制器的输出端和红外测温模块的输出端均与NIOS II软核的输入端电气连接。3.按照权利要求1所述的一种基于微弱电容检测法的活立木边材含水率测量仪，其特征在于：所述正弦波电路I和正弦波电路II内部机构相同，包括数模转换器、差分转单端电路、7阶无源低通滤波器和后级放大电路，数模转换器的输出端与差分转单端电路的输入端电气连接，差分转单...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵黎明，徐华东，姜星宇，
申请(专利权)人：东北林业大学，
类型：发明
国别省市：