一种土遗址保护的夯土温湿度传感器

1.本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种土遗址保护的夯土温湿度传感器，可用于土遗址夯土层温湿度的检测和测量。


背景技术：

2.土遗址在自然环境中受到各种自然因素的侵蚀和破坏，目前，面向土壤的温湿度传感器广泛应用于农业生产、环境监测等领域，由于此类应用中不用过多考虑安装尺寸、功耗等因素，因而普遍存在体积大、功耗高，装配复杂等问题。在土遗址保护中，测量夯土的温湿度，对于预测土遗址风化具有十分重要的意义，现有的土壤温湿度传感器难以实现小型化，低功耗要求，因而无法满足土遗址夯土温湿度测量的要求。


技术实现要素：

3.为了解决现有土壤温湿度传感器体积大、功耗大的技术问题，本发明的目的在于，提供一种土遗址保护的夯土温湿度传感器，能够方便的应用于土遗址夯土层温湿度监测的长期监测。
4.为了实现上述任务，本发明是通过以下技术方案予以实现：
5.一种土遗址保护的夯土温湿度传感器，其特征在于，由电源、低功耗信号源、传输线、相位测量模块、温度测量模块和控制模块组成；其中：
6.所述电源采用低功耗dcdc模块，将输入电压调整至3.3v，提供给信号源、相位测量模块及温度测量模块。
7.所述低功耗信号源输出正弦信号，幅值为3v，频率为100mhz，该正弦信号分为两路，其中一路作为参考信号直接连接到相位测量模块，另外一路作为输入耦合到传输线；
8.所述传输线为特定长度的两条平行导线，导线间距为1.5mm，导线宽度0.76mm，表面镀金，传输线与土壤直接接触；土壤湿度不同将导致传输线的传输特性改变，信号传输过程相位和幅度会因传输线的传输特性的改变而改变，传输线的输出与相位测量模块连接；
9.所述相位测量模块测量信号源直接输出信号和通过传输线信号的相位，将相位差转换为小于1.8v的直流电压信号，该电压信号可以间接反映出土壤湿度的变化；
10.所述温度测量模块为数字集成温度传感器，土壤温度改变可以通过数字集成温度传感器测量并量化输出，数字集成温度传感器输出为串行数字信号，可以直接读取温度值。
11.所述控制模块为电源、相位测量模块和数字集成温度传感器的控制器，分别连接到电源输出控制端、相位测量模块输出端口和数字集成温度传感器数据端口，可以控制集成温度传感器以及电源开启或关闭，以达到降低待机功耗，并完成相位测量模块输出电压测量和温度传感器数值读取。
12.该土遗址保护的夯土温湿度传感器，其接口为带屏蔽的四根信号线，分别用于传感器供电和模拟信号、数字信号输出。敏感器件可以安装于直径9mm不锈钢壳体中，控制模块和电源安装于100x60x23m方形abs材质壳体中。
13.本发明的土遗址夯土温湿度传感器，是一种测量土壤温湿度的传感器，具备体积小、低功耗的特点。可同时测量土壤温度和湿度两种参数；可以实现土遗址夯土结构的微创探测。
附图说明
14.图1是本发明的土遗址夯土温湿度传感器结构框图。
15.以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
16.如图1所示，本实施例给出一种用于土遗址保护的夯土温湿度传感器，由由电源、低功耗信号源、传输线、相位测量模块、温度测量模块和控制模块组成，其中：
17.电源采用低功耗dcdc模块，将输入电压调整至3.3v，提供给信号源、相位测量模块及温度测量模块。
18.本实施例中，电源模块选择型号为tps63020芯片。
19.低功耗信号源输出正弦信号，幅值为3v，频率为100mhz，该正弦信号分为两路，其中一路作为参考信号直接连接到相位测量模块，另外一路作为输入耦合到传输线；
20.所述传输线为特定长度的两条平行导线，导线间距为1.5mm，导线宽度0.76mm，表面镀金，传输线与土壤直接接触，土壤湿度不同将导致传输线的传输特性改变，信号传输过程相位和幅度会因传输线的传输特性的改变而改变，传输线的输出与相位测量模块连接；
21.相位测量模块测量信号源直接输出信号和通过传输线信号的相位，将相位差转换为小于1.8v的直流电压信号，该电压信号可以间接反映出土壤湿度的变化；本实施例中，相位测量模块选择型号为ad8303aru幅相检测芯片。
22.温度测量模块为数字集成温度传感器，输出为串行数字信号，温度值由控制模块直接读取。本实施例中，数字集成温度传感器选择芯片型号18b20温度传感器。
23.控制模块为电源、相位测量模块和数字集成温度传感器的控制器，分别连接到电源输出控制端、相位测量模块输出端口和数字集成温度传感器数据端口，可以控制集成温度传感器以及电源开启或关闭，以达到降低待机功耗，并完成相位测量模块输出电压测量和温度传感器数值读取。
24.本实施例中，控制模块选择芯片型号c8051f410微控制器。c8051f410微控制器由上位机供电，接收上位机指令。采集温度、湿度值时，控制电源开启，然后分别读取相位测量模块输出端口电压值和数字集成温度传感器输出的温度值，一轮循环后，控制模块关闭电源，同时进入休眠状态，以降低功耗。
25.本实施例的土遗址保护的夯土温湿度传感器，其接口为带屏蔽的四根信号线，分别用于传感器供电和模拟信号、数字信号输出。敏感器件可以安装于直径9mm不锈钢壳体中，控制模块和电源安装于100x60x23m方形abs材质壳体中。
26.具体实验例：
27.将上述实施例的土遗址夯土温湿度传感器安装到实验用标准土样中，接通电源，读取数据并计算实际含水率。
28.制备标准土样：使用含水率为0％的干土，按照质量比添加适量纯净水，分别制备
含水率为0％、10％、20％、30％、100％的标准土样。土样制备过程采用托盘盛放，充分搅拌均匀后，用保鲜膜密封静置48小时后，将土样分别分装在圆柱体容器中，容器高度大于35cm，直径大于8cm。
29.土样含水率测定：依据gb/t50123-2019《土工试验方法标准第五部分：含水率试验》，采用烘干法，采集土样200g，电子天平称重后放入烘箱，在105℃～110℃烘干8h，含水率ω应按下式计算，计算至0.1％
[0030][0031]
式中，mo为烘干前土样质量，md为烘干后土样质量。
[0032]
实验结果如下表。
[0033]
土遗址夯土温湿度传感器实验结果
[0034]
土壤湿度(标准土样)测试值(传感器测量结果)绝对误差0％2.54％2.54％11％11.49％0.49％20％21.75％1.75％30％31.30％1.30％95％98.02％3.02％


技术特征：
1.一种土遗址保护的夯土温湿度传感器，其特征在于，由电源、低功耗信号源、传输线、相位测量模块、温度测量模块和控制模块组成；其中：所述电源采用低功耗dcdc模块，将输入电压调整至3.3v，提供给信号源、相位测量模块及温度测量模块；所述低功耗信号源输出正弦信号，幅值为3v，频率为100mhz，该正弦信号分为两路，其中，一路作为参考信号直接连接到相位测量模块；另外一路作为输入耦合到传输线；所述传输线为特定长度的两条平行导线，导线间距为1.5mm，导线宽度0.76mm，表面镀金，传输线与土壤直接接触；土壤湿度不同将导致传输线的传输特性改变，信号传输过程相位和幅度会因传输线的传输特性的改变而改变，传输线的输出与相位测量模块连接；所述相位测量模块测量信号源直接输出信号和通过传输线信号的相位，将相位差转换为小于1.8v的直流电压信号，该电压信号可以间接反映出土壤湿度的变化；所述温度测量模块为数字集成温度传感器，土壤温度改变可以通过数字集成温度传感器测量并量化输出，数字集成温度传感器输出为串行数字信号，可以直接读取温度值；所述控制模块为电源、相位测量模块和数字集成温度传感器的控制器，分别连接到电源输出控制端、相位测量模块输出端口和数字集成温度传感器数据端口，可以控制集成温度传感器以及电源开启或关闭，以达到降低待机功耗，并完成相位测量模块输出电压测量和温度传感器数值读取。2.如权利要求1所述的土遗址保护的夯土温湿度传感器，其特征在于，所述电源模块选择型号为tps63020芯片。3.如权利要求1所述的用于土遗址保护的夯土温湿度传感器，其特征在于，所述相位测量模块选择型号为ad8303aru幅相检测芯片。4.如权利要求1所述的土遗址保护的夯土温湿度传感器，其特征在于，所述数字集成温度传感器选择芯片型号18b20温度传感器。5.如权利要求1所述的土遗址保护的夯土温湿度传感器，其特征在于，所述控制模块选择芯片型号c8051f410微控制器。

技术总结
本发明公开了一种土遗址保护的夯土温湿度传感器，由低功耗信号源、传输线、相位测量模块和温度测量模块组成；其中：低功耗信号源输出正弦信号，其中一路作为参考信号连接到相位测量模块，另外一路作为输入耦合到传输线；传输线与土壤直接接触，传输线的输出与相位测量模块连接；相位测量模块比较低功耗信号源和传输线两路输入信号的相位，将相位差转换为小于1.8V的直流电压信号，间接反映出土壤湿度的变化；温度测量模块为数字集成温度传感器，电源与数字集成温度传感器同样通过传输线相连接，数字集成温度传感器输出为串行数字信号，直接读取温度值。可同时测量土壤温度和湿度两种参数，可以实现土遗址夯土结构的微创探测。可以实现土遗址夯土结构的微创探测。可以实现土遗址夯土结构的微创探测。


技术研发人员：张远 李强 张志勇 赵武 马晓龙
受保护的技术使用者：西北大学
技术研发日：2022.11.08
技术公布日：2023/2/3