??? 摘? 要:? AD598是LVDT和RVDT專(zhuān)用的信號(hào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，文中使用該芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)線性差動(dòng)電感式(LVDI）傳感器信號(hào)的處理與轉(zhuǎn)換，完成對(duì)植物葉片厚度變化微位移的測(cè)量。該信號(hào)調(diào)理電路具有零位調(diào)整、增益選擇的功能，與傳統(tǒng)的電路相比，電路簡(jiǎn)單、體積小。?

??? 關(guān)鍵詞:? 葉片厚度測(cè)量； AD598； 零位調(diào)整

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??? 近代植物水分生理學(xué)的理論研究表明，植物體內(nèi)的水分狀況可以通過(guò)器官幾何尺寸的微小變化反映出來(lái)^[1-4]，而植物葉片對(duì)水分變化最為敏感，表現(xiàn)為葉片厚度的變化，所以通過(guò)研究葉片厚度變化可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)植物體內(nèi)水分含量的目的。而測(cè)量葉片厚度是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的前提?，F(xiàn)存的測(cè)量葉片厚度的方法主要有以下幾種：(1)使用卡尺或者使用螺旋測(cè)微器(千分尺)夾住葉片^[5]，直接讀數(shù)。(2)將葉片橫切做成切片放在顯微鏡下，用測(cè)微尺測(cè)量^[6]。(3)計(jì)算比葉重SLW(Specific Leaf Weight），來(lái)表示葉片厚度[6]。這些方法在使用中均存在一定的問(wèn)題。把植物葉片厚度變化當(dāng)成微位移量變化來(lái)測(cè)量，就可轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)非電量進(jìn)行檢測(cè)。在高精度位移測(cè)量中，電感傳感器應(yīng)用最廣。一般電感傳感器有線性差動(dòng)變壓器（LVDT）和線性差動(dòng)電感器（LVDI）兩種形式，它們都是當(dāng)鐵磁線圈的位置變化引起磁場(chǎng)的變化，通過(guò)測(cè)量磁場(chǎng)變化達(dá)到測(cè)量位移的目的?？紤]到植物葉片比較柔軟，選用測(cè)量力相對(duì)較小的線性差動(dòng)電感器，以免對(duì)葉片造成損壞。?

??? 本文提出和研制了基于單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，集位移傳感器測(cè)厚、溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)查詢(xún)等功能于一體的植物葉片參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，借助現(xiàn)代傳感技術(shù)，使用直接接觸式測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物葉片厚度值及環(huán)境溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及記錄。?

1 植物葉片參數(shù)測(cè)量?jī)x組成?

??? 植物葉片參數(shù)測(cè)量?jī)x由機(jī)械臺(tái)架、測(cè)控電路和上位機(jī)軟件三個(gè)單元組成，如圖1所示。機(jī)械臺(tái)架底座上固定軟管，用于支撐位移傳感器，并實(shí)現(xiàn)針對(duì)測(cè)試對(duì)象調(diào)整測(cè)頭位置的目的。測(cè)控電路部分實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程的控制、數(shù)據(jù)記錄和查詢(xún)及顯示。上位機(jī)軟件采用Visual B編寫(xiě)，可對(duì)累計(jì)多次的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。?

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2 傳感器信號(hào)調(diào)理電路?

??? 由于傳感器輸出的是微弱的交流信號(hào)，不能被ADC器件采集到，需先轉(zhuǎn)變成直流信號(hào)。傳統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路主要由交流放大、相敏檢波/直流放大、振蕩器和直流電源等電路組成，因包含交流/直流電橋及電容、電感元件，使電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大。?

2.1 AD598芯片?

??? AD598是AD公司推出的一種LVDT信號(hào)處理芯片,是一種完整的單片式線變壓器信號(hào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。AD598 與LVDT配合,能夠?qū)VDT的機(jī)械位置轉(zhuǎn)換成單極性或雙極性輸出的高精度直流電壓。AD598將所有的電路功能都集中在一塊芯片上,只要增加幾個(gè)外接無(wú)源元件,就能確定激磁頻率和輸出電壓的幅值，使用方便^[8]。內(nèi)部包含比值部分（A-B）/（A+B）,此處的A、B對(duì)應(yīng)于傳感器的兩個(gè)次級(jí)輸出端，因而該芯片作為傳感器的測(cè)量電路可以提高傳感器的線性度。文獻(xiàn)中可以找到很多介紹AD598與LVDT配合使用的資料，但是關(guān)于AD598對(duì)差動(dòng)電感式傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行處理的介紹卻很少。?

2.2 信號(hào)調(diào)理電路?

??? 設(shè)計(jì)中選用AD598作為電感式位移傳感器信號(hào)調(diào)理芯片，依據(jù)器件資料中介紹的對(duì)半橋式傳感器信號(hào)處理的電路^[8]，并結(jié)合使用的傳感器，設(shè)計(jì)了使用AD598對(duì)輸出的交流小信號(hào)進(jìn)行處理的電路，如圖2所示。AD598激磁輸出EXC1（2腳）經(jīng)1μF電容與電感式傳感器半橋線圈的一端相連，同時(shí)接到由電位器、兩個(gè)串聯(lián)電阻并聯(lián)組成橋路上；電感式傳感器半橋線圈的另一端接到AD598的11腳，同時(shí)接到橋路電位器的滑動(dòng)端，用于零位的調(diào)整；10腳接到橋路中兩個(gè)串聯(lián)電阻的中間位置；4、5腳之間接電位器，可用于調(diào)節(jié)輸出激磁的幅度，實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)的頻率補(bǔ)償；6、7腳之間接0.01μF電容，8、9腳之間接0.1μF電容，12、13腳之間接0.12μF電容，14、15腳之間接0.33μF電容，17腳接地；輸出16腳與反饋端15腳之間接電位器，用于調(diào)整輸出信號(hào)的幅值范圍；電源腳1、20分別接-15V、+15V直流電源，且電源與地之間接0.1μF去耦電容；四針接口部分外接傳感器。?

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2.3 原理及工作過(guò)程?

??? 使用AD598內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的正弦波作為傳感器線圈的激磁信號(hào)，經(jīng)過(guò)電容濾除外界干擾以后，連接到傳感器線圈的一端，作為傳感器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入。該激磁信號(hào)的頻率由芯片6、7腳所接的電容C來(lái)決定，f=35μF/C Hz，幅度與4、5腳之間的電阻R值對(duì)應(yīng)。傳感器線圈的另一端直接連到AD598芯片內(nèi)部比值電路的一個(gè)輸入11腳，并經(jīng)電位器與線圈的另一端組成電阻橋路，且橋路另一端接到比值電路的另一個(gè)輸入10腳，這樣調(diào)節(jié)電位器使橋路平衡，就能實(shí)現(xiàn)調(diào)零的功能；線圈中心抽頭接地。輸出16腳與反饋端15腳之間通過(guò)大阻值的電位器連接，可以實(shí)現(xiàn)分壓的作用，調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值范圍。?

??? 所選傳感器為旁向式，測(cè)頭在上下兩個(gè)方向上均可移動(dòng)，所以輸出電壓為正負(fù)電壓。傳感器接到該電路后，首先調(diào)節(jié)芯片4、5腳的電位器，得到所需的激磁信號(hào)，然后調(diào)節(jié)輸出端的電位器，使測(cè)頭在最下端、最上端時(shí)的輸出的電壓范圍滿(mǎn)足要求（因AD574對(duì)輸入電壓有要求），之后通過(guò)調(diào)節(jié)電阻橋路中的電位器，使零點(diǎn)位置移動(dòng)，從而達(dá)到輸出正負(fù)電壓絕對(duì)值相差不多的目的。調(diào)整好以后得到的直流電壓即可被ADC采集，然后送單片機(jī)處理。對(duì)應(yīng)測(cè)頭的每一個(gè)位置，均有對(duì)應(yīng)的電壓，經(jīng)處理后會(huì)還原為原位移值，顯示并存儲(chǔ)。?

3 試驗(yàn)結(jié)果?

??? 使用儀器對(duì)冬季溫室種植的番茄進(jìn)行了葉片厚度測(cè)量實(shí)驗(yàn)，對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)一天當(dāng)中植物葉片波動(dòng)存在規(guī)律，早上厚度值比較大，中午左右會(huì)出現(xiàn)厚度最小值，傍晚再慢慢變大。如圖3所示為幾組番茄葉片厚度日變化曲線（測(cè)試時(shí)間為2007年11月至2008年1月)。目前仍在進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，以確定規(guī)律的重復(fù)性，而葉片厚度變化與植物體內(nèi)含水量的關(guān)系需進(jìn)一步研究。?

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??? 本文提出和實(shí)現(xiàn)了植物葉片厚度直接接觸式專(zhuān)用測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)植物葉片厚度進(jìn)行測(cè)量及分析，找到了植物葉片厚度變化的規(guī)律，為進(jìn)一步探討葉片厚度與植物體內(nèi)水分含量奠定了基礎(chǔ)。該測(cè)試系統(tǒng)還擴(kuò)展了集成芯片AD598的應(yīng)用領(lǐng)域，雖然AD598是LVDT的專(zhuān)用芯片，但文中實(shí)現(xiàn)了對(duì)差動(dòng)電感式位移傳感器信號(hào)的轉(zhuǎn)換。應(yīng)用上述電路可以實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓幅值在-10V～+10V之間可調(diào)，而且可以調(diào)整零點(diǎn)的位置。經(jīng)過(guò)測(cè)量傳感器位移與輸出電壓關(guān)系，發(fā)現(xiàn)線性度良好，保證了測(cè)量精度。?

參考文獻(xiàn)?

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[2] 李東升,湯曉華,劉九慶,等.精量灌溉中的植物水分精密診斷技術(shù)[J].中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào),2002,14(1):11-14.?

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[8] ANALOG DEVICES. LVDT signal conditioner AD598.