CN114137043A - 一种基于微弱电容检测法的活立木边材含水率测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明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***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。
Description
技术领域
本发明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。
背景技术
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。
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。
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***探头结构，将不同树种活立木的含水率情况转换为由探针、***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***深度均有关，这些***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。
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。
发明内容
本发明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。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
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。
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。
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。
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。
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。
本发明的有益效果为：
(1)本发明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***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。
(2)本发明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。
(3)本发明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。
(4)本发明将***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，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。
附图说明
图1为本发明中基于微弱电容检测法的活立木边材含水率测量仪的***框图。
图2为本发明中信号发生单元的结构框图。
图3为本发明中电容转换单元和信号调节单元的电路原理图。
图4为本发明中驱动电缆技术的等效电路图。
图5为本发明中基于微弱电容检测法的活立木边材含水率测量仪的正视平面结构。
图中：1、平行双针探头；2、双层屏蔽电缆；3、开关；4、电缆转接头；5、红外测温探头；6、LCD触摸屏；7、仪器外壳；8、测温按键；9、活立木树干。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
如图1所示，本发明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。
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。
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。
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。
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。
本发明中的平行双针探头和双针探头之间的介质等效为一个电容器Cx，该电容器的容值和***活立木边材的含水率正相关，因此本发明采用了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，交流激励式微弱电容检测法首先将电容信号转换为交流调幅电压信号，然后对调幅信号进行交流放大和解调得到直流电压输出。其检测电路主要包括信号发生单元、电容转换单元和信号解调单元三部分组成。
信号发生单元由DDS模块I、DDS模块II、正弦波电路I和正弦波电路II组成，由于DDS模块I和DDS模块II内部结构相同，正弦波电路I和正弦波电路II内部结构相同，现在对其中一路作详细描述，如图2所示，本实施例为正弦波信号发生单元的详细流程图，由DDS模块和正弦波电路一起组成，其基本原理是直接数字频率合成技术(DDS)，DDS***的核心是32位相位累加器，它由一个32位累加器I和一个32位寄存器组成，从时钟模块每来一个时钟脉冲，32位累加器I将频率控制字数据与32位寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至32为寄存器的数据输入端，32位寄存器将32位累加器I在上一个时钟脉冲作用后所产生的的新相位数据反馈到32位累加器I的输入端，以使32位累加器I在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字数据相加。那么32位相位累加器在时钟脉冲的作用下，进行线性相位累加，当32位相位累加器累加满量时就会产生一次溢出，完成一个周期的动作，这个周期就是DDS合成信号的一个频率周期，32位相位累加器的溢出频率就是输出信号的频率，而32位累加器II在每一个时钟脉冲作用下将相位控制字数据和32位寄存器输出的累加相位数据再次相加，使整个周期的信号有一个相位延迟，这样即可实现对DDS合成信号的相位进行控制。
波形存储器实质上是一个相位/幅值转换器，主要完成信号的相位序列到幅值序列的转换，它存储的是以相位为地址的一个周期正弦信号的采样编码值，包含一个周期正弦波的数字幅值信息，每个地址对应于正弦波中0°～360°范围的一个相位点。将32位累加器II输出的数据作为一个地址对正弦查询表进行寻址，查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅值信号，驱动数模转换器输出一对差分正弦波模拟信号，并且数模转换器输出的信号是电流信号，所以需要用差分转单端电路将差分信号转换为单端信号，同时将电流信号转换为电压信号输出，提高电路的带负载能力。使用DDS技术，由于其相位和幅值分辨率是有限的，所以其输出会存在杂散噪声，为了得到干净低抖动的信号，在差分转单端电路的输出端连接7阶无源低通滤波器对信号进行滤波，为了输出更高的电压值并防止后级电路影响滤波器，在7阶无源低通滤波器的输出端连接后级放大电路将正弦波信号的幅值放大到***所需求的幅值。
由以上分析可知，由DDS模块I、DDS模块II、正弦波电路I和正弦波电路II组成的信号发生单元可以输出两路频率和相位均可调的正弦波信号，本实施例中数模转换器可采用AD9764芯片，差分转单端电路和后级放大电路均可采用OPA690芯片，7阶无源低通滤波器的参数及仿真可由滤波器设计软件Filter Solutions2011设计完成，此部分电路原理不是本发明的核心技术，不作详细描述。
电容转换单元和信号调节单元是本发明的核心技术，电容转换单元采用交流激励式电容转换电路，包括跨阻放大器和交流放大器，跨阻放大器被用来检测电容传感器探头上产生的感应电流，将其转换为电压，跨阻放大器的性能指标直接影响电容转换精度。如图3所示，为达到高精度检测的目的，本实施例中跨阻放大器采用ADI公司的ADA4530-1飞安级(fA)输入偏置电流运算放大器，其最大输入偏置电流为20fA，最大失调电压为50μV，最大失调电压漂移为0.5μV/℃。跨阻放大器作为电容转换单元的第一级电路，其反馈电阻Rf的阻值稳定性及噪声水平直接影响电容转换精度及信噪比，同时若要实现高灵敏度的电容转换，其反馈电阻Rf必须很大，根据热动力学理论，电阻的热噪声电压密度是与电阻阻值的平方根成正比的，为解决此问题，本实施例采用T型反馈电阻网络结构代替反馈电阻Rf从而实现电路功能，如图3中跨阻放大器的电路原理图所示，可知T型电阻反馈网络结构相当于利用电阻R1、R2和R3来代替反馈电阻Rf，其等效反馈电阻Rf为：
由式(1)可知，利用三个较小阻值电阻R1＝100kΩ，R2＝1kΩ，R3＝40kΩ，即可代替阻值为4.14MΩ的大值电阻，相对于直接使用4.14MΩ的大值电阻，其噪声电压密度降低了约90％，可见T型网络结构在使用小值电阻代替大值电阻的同时，能够有效地减小反馈电路的热噪声，因此利用该方法可以降低交流激励式电容转换电路中反馈电路的噪声，从而提高电路的信噪比。
由于测量活立木边材含水率的平行双针探头到检测***电路有一定的距离，所以探头与检测***之间的连接电缆通常需要一定的屏蔽措施，以消除各种外来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，本发明采用驱动电缆技术，也称为双层屏蔽等电位技术，这是一种电位跟踪技术，其基本的思想是：连接电缆采用内外双层屏蔽，利用驱动电路使得内屏蔽层与被屏蔽的芯线等电位，外屏蔽层接大地起屏蔽作用。如图3中驱动电缆I和驱动电缆II所示，平行双针探头的一个探针通过低分布电容双屏蔽电缆与前级正弦波电路I的输出端连接，平行双针探头的另一个探针通过低分布电容双屏蔽电缆与跨阻放大器的反向输入端连接，两根双屏蔽电缆的的内屏蔽层接仪器地，外屏蔽层接大地，其最终的等效电路如图4所示，电容C7和C9是电缆芯线和内屏蔽层之间的寄生电容，电容C8和C10是电缆内屏蔽层和外屏蔽层之间的寄生电容，电容C7和C8直接由信号发生单元输出的第I路正弦波信号SINg信号驱动，其对施加到探头上的交流信号无影响，故其对后级电容检测电路无影响；电容C9接在跨阻放大器的8引脚，根据理想运算放大器“虚短虚断”的特性，1引脚接仪器地，那么8引脚也是接仪器地，电容C9的两端就是等电位的，则C9的容值为零，而电容C10是仪器地和大地之间的电容，所以从探头传输进8引脚的交流信号不受电容C9和C10的影响。
从跨阻放大器输出的交流电压信号幅值变化非常小，不利于信号的调理，干扰也极易窜入而淹没有用信号，所以需要对其进行交流放大，为后级关键的信号解调单元提供合适幅值的信号。如图3所示，本实施例中交流放大器采用ADI公司的仪表差分放大器AD620，其差模输入阻抗为10GΩ||2pF，共模输入阻抗为10GΩ||2Pf，最大失调电压为50μV,最大失调电压漂移为1μV/℃，除了高性能以外，其最大的优点在于放大倍数仅由一个电阻决定，涉及元件少，因而部件漂移问题对模块的性能影响较小，且不涉及普通负反馈电路中的电阻元件一致性问题，只需精选决定放大倍数的电阻RG即可。AD620的增益为：
本实施例中RG＝R4＝51kΩ，精度为0.1％，同时为降低干扰和提高电容转换单元的精度，设计时在交流放大器的输入端放置隔直电容C2，使前级因温度漂移等造成的电压漂移不能传输到交流放大器而被放大。交流放大器的输出电压ug为：
式(3)中uo为跨阻放大器的输出电压，ue为信号发生单元输出的第I路正弦波信号SINg经平行双针探头后输入跨阻放大器的电压，设
代入式(3)中得到：
其中，
由式(4)可知，平行双针探头等效成的待测电容Cx通过交流激励式电容转换单元实现对正弦波信号ue的幅度调制，该调制信号ug与正弦波激励信号ue之间存在90°的相位延迟。
信号解调单元采用乘法相敏解调方法实现对交流激励式电容转换单元中调制信号ug的解调，包括乘法相敏解调器和8阶有源低通滤波器，如图3所示，本实施例中乘法相敏解调器采用ADI公司的一款精密、高速四象限模拟乘法器AD734，其信号输入范围宽，全量程乘方计算误差小于0.1％，工作稳定，受温度、电源电压波动的影响小，噪声低：在10Hz～100MHz时，信噪比达到70dB，AD734的X1引脚接调制信号即交流放大器的输出信号ug，Y1引脚接正弦波参考信号SINr，X2、Y2、U1、U2、U3和Z2引脚分别接仪器地，Z1引脚连接W引脚，DD和ER引脚悬空，VP和VN引脚分别接正负15V电源，在此配置下调制信号和参考信号即可完成直接相乘，其电路的传递函数为：
式(5)中ug为交流放大器的输出电压，ur为信号发生单元输出的第II路正弦波信号SINr，up为乘法相敏解调器的输出信号，设
将式(4)代入式(5)中得到：
利用正余弦函数的积化和差公式计算得到：
由式(7)可知，使用低通滤波器滤除式中的高频项所代表频率分量即可得到含有被测电容信息的直流电压信号，同时调节信号发生单元输出的两路正弦波信号的相位差，使第II路正弦波信号SINr相对于第I路正弦波信号SINg有90°的相位延迟，此时解调效率最高，由低通滤波器滤波后的输出为：
式(8)中，um即为交流激励式微弱电容检测电路最终获得的直流电压输出，其与平行双针探头等效成的待测电容Cx成正比。
本实施例中的低通滤波器为8阶有源低通滤波器，由于本***的工作频率为20kHz，由式(7)可知，为获取直流分量，所需的8阶有源低通滤波器主要用以衰减频率为40kHz的高次谐波，且对40kHz处的信号至少衰减为基频信号的万分之一，才能抑制高频谐波的影响，本实施例采用LINEAR公司的LTC1164-5芯片实现滤波的功能，其内部集成了一个8阶有源低通滤波器，且具有时钟可调的截止频率，时钟频率和截止频率之比为100:1，如图3中8阶有源低通滤波器所示，从该芯片11引脚输入1MHz的时钟信号CLK/1M，即可使LTC1164-5芯片配置为截止频率为10kHz的8阶有源低通滤波器，由该芯片2引脚输入乘法相敏解调器的输出信号up，从该芯片9引脚输出的Uout即为式(8)中直流电压um。
活立木边材含水率的测量会受到环境温度的影响，而活立木树干的温度受环境温度所影响，但又与环境温度不同。为更精确地研究含水率与温度之间的关系，本发明采用红外测温技术对活立木树干的温度进行非接触式测量，利用活立木边材的相对介电常数εr与活立木树干的温度T之间的关系，校准活立木边材含水率的反演模型。本发明将现场测量活立木边材的相对介电常数εr_f调整为25℃时活立木边材的相对介电常数εr_a，其关系式为：
εr_a＝εr_f+0.3572(T-25)-8.250×10-4(T-25)2-1.000×10-6(T-25)3 (9)
由式(9)可以对活立木边材含水率的测量进行温度校准，这样可以提高仪器的测量精度。
本发明中的平行双针探头和双针探头之间的介质等效为一个电容器Cx，该电容器的大小与双针探头的长度L、直径D、间距d和双针探头之间介质的介电常数ε相关，其容值为：
式(9)中ε＝ε0εr_f，ε0为真空介电常数，ε0＝8.85×10-12F/m，εr_f为双针探头之间介质的相对介电常数，双针探头之间的介质是活立木边材，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，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，即活立木边材的相对介电常数主要受其含水率的影响，含水率越大，整体相对介电常数也越大。那么在现场测量时，根据平行双针探头的参数和微弱电容检测法得到的电容值，由式(10)计算得到所测活立木边材的相对介电常数εr_f,由式(9)计算得到25℃时活立木边材的的相对介电常数εr_a，再根据活立木边材含水率的反演模型(11)即可计算得到所测活立木边材的体积含水率。
θ＝-0.235+5.41×10-2εr_a-1.30×10-3εr_a 2+1.171×10-5εr_a 3 (11)
式(11)中θ为活立木边材的体积含水率,单位为(V/V)％，并且不同的树种所具有的反演模型是不一样的，测量不同树种的含水率需要使用不同的含水率反演模型，式(11)为赤松树种的反演模型。
质量含水率W和体积含水率θ之间的换算关系：
式(12)中ρw为水的密度，ρS为干土的密度,质量含水率W的单位(m/m)％。
如图1所示，从8阶有源低通滤波器输出的直流电压um经数模转换器转换为数字信号后传输给FPGA控制电路，FPGA将这些数字信号的数据通过Avalon总线传输给NIOS II软核处理器，红外测温模块将温度数据发送给NIOS II软核处理器，再将式(9)、式(10)、式(11)和式(12)通过C语言编程写入NIOS II软核处理器中，进行对数据的自动处理，然后再将处理好的含水率、温度等数据通过驱动LCD驱动器显示到LCD触摸屏上。同时，在NIOS II软核处理器上搭载了μCOS-III***实现人机交互界面，触摸控制器用来实现LCD触摸屏的触摸功能，操作人员通过触摸屏幕对人机交互界面上各个模块进行设置，进而完成活立木边材含水率的测量。本实施例中FPGA控制电路采用EP4CE10F17C8N芯片，模数转换器可采用AD9226芯片，LCD触摸屏可采用TK043F1508液晶屏，LCD驱动器可采用NT35510芯片，触摸控制器可采用FT5x16芯片，红外测温模块可采用MLX90614-ESF-DCH芯片，测温范围为-70℃～380℃，此部分电路原理不是本发明的核心技术，不作详细描述。
如图5所示，本实施例为一种基于微弱电容检测法的活立木边材含水率测量仪的正视平面结构，包括平行双针探头1、双层屏蔽电缆2、开关3、电缆转接头4、红外测温探头5、LCD触摸屏6、仪器外壳7和测温按键8，本发明的使用流程：首先长按开关3开机，通过触摸LCD触摸屏6设置待测树种和探针参数，选定活立木树干待测位置，然后根据平行双针探头1的长度、直径和间距在活立木树干9上用电钻钻出两个可完全包裹平行双针探头1的孔，再将平行双针探头1***活立木树干9上的孔中，此时手握住测量仪，使得红外测温探头5正对活立木树干的表皮，按测温按键8后，测量仪的LCD触摸屏6就显示出待测位置处活立木树干的温度以及活立木边材的体积含水率、质量含水率和介电常数等信息，由此完成对活立木边材含水率的测量。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (5)
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。
4.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。
5.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。
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