??? 摘? 要:? AD598是LVDT和RVDT專用的信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)，文中使用該芯片實現(xiàn)對線性差動電感式(LVDI）傳感器信號的處理與轉換，完成對植物葉片厚度變化微位移的測量。該信號調(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，電路簡單、體積小。?

??? 關鍵詞:? 葉片厚度測量； AD598； 零位調(diào)整

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??? 近代植物水分生理學的理論研究表明，植物體內(nèi)的水分狀況可以通過器官幾何尺寸的微小變化反映出來^[1-4]，而植物葉片對水分變化最為敏感，表現(xiàn)為葉片厚度的變化，所以通過研究葉片厚度變化可以實現(xiàn)監(jiān)測植物體內(nèi)水分含量的目的。而測量葉片厚度是整個系統(tǒng)實現(xiàn)的前提?，F(xiàn)存的測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，用測微尺測量^[6]。(3)計算比葉重SLW(Specific Leaf Weight），來表示葉片厚度[6]。這些方法在使用中均存在一定的問題。把植物葉片厚度變化當成微位移量變化來測量，就可轉化為傳統(tǒng)非電量進行檢測。在高精度位移測量中，電感傳感器應用最廣。一般電感傳感器有線性差動變壓器（LVDT）和線性差動電感器（LVDI）兩種形式，它們都是當鐵磁線圈的位置變化引起磁場的變化，通過測量磁場變化達到測量位移的目的?？紤]到植物葉片比較柔軟，選用測量力相對較小的線性差動電感器，以免對葉片造成損壞。?

??? 本文提出和研制了基于單片機測控系統(tǒng)，集位移傳感器測厚、溫濕度傳感器監(jiān)測環(huán)境、實時數(shù)據(jù)顯示和點對點數(shù)據(jù)查詢等功能于一體的植物葉片參數(shù)測試系統(tǒng)，借助現(xiàn)代傳感技術，使用直接接觸式測量方法，實現(xiàn)對植物葉片厚度值及環(huán)境溫濕度的實時監(jiān)測及記錄。?

1 植物葉片參數(shù)測量儀組成?

??? 植物葉片參數(shù)測量儀由機械臺架、測控電路和上位機軟件三個單元組成，如圖1所示。機械臺架底座上固定軟管，用于支撐位移傳感器，并實現(xiàn)針對測試對象調(diào)整測頭位置的目的。測控電路部分實現(xiàn)測量過程的控制、數(shù)據(jù)記錄和查詢及顯示。上位機軟件采用Visual B編寫，可對累計多次的測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和數(shù)據(jù)存儲。?

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2 傳感器信號調(diào)理電路?

??? 由于傳感器輸出的是微弱的交流信號，不能被ADC器件采集到，需先轉變成直流信號。傳統(tǒng)的信號調(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，使電路結構復雜、體積龐大。?

2.1 AD598芯片?

??? AD598是AD公司推出的一種LVDT信號處理芯片,是一種完整的單片式線變壓器信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)。AD598 與LVDT配合,能夠?qū)VDT的機械位置轉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,只要增加幾個外接無源元件,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對應于傳感器的兩個次級輸出端，因而該芯片作為傳感器的測量電路可以提高傳感器的線性度。文獻中可以找到很多介紹AD598與LVDT配合使用的資料，但是關于AD598對差動電感式傳感器輸出信號進行處理的介紹卻很少。?

2.2 信號調(diào)理電路?

??? 設計中選用AD598作為電感式位移傳感器信號調(diào)理芯片，依據(jù)器件資料中介紹的對半橋式傳感器信號處理的電路^[8]，并結合使用的傳感器，設計了使用AD598對輸出的交流小信號進行處理的電路，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，同時接到由電位器、兩個串聯(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，同時接到橋路電位器的滑動端，用于零位的調(diào)整；10腳接到橋路中兩個串聯(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，實現(xiàn)激勵信號的頻率補償；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，經(jīng)過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)動信號輸入。該激磁信號的頻率由芯片6、7腳所接的電容C來決定，f=35μF/C Hz，幅度與4、5腳之間的電阻R值對應。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輸入10腳，這樣調(diào)節(jié)電位器使橋路平衡，就能實現(xiàn)調(diào)零的功能；線圈中心抽頭接地。輸出16腳與反饋端15腳之間通過大阻值的電位器連接，可以實現(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，測頭在上下兩個方向上均可移動，所以輸出電壓為正負電壓。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，然后調(diào)節(jié)輸出端的電位器，使測頭在最下端、最上端時的輸出的電壓范圍滿足要求（因AD574對輸入電壓有要求），之后通過調(diào)節(jié)電阻橋路中的電位器，使零點位置移動，從而達到輸出正負電壓絕對值相差不多的目的。調(diào)整好以后得到的直流電壓即可被ADC采集，然后送單片機處理。對應測頭的每一個位置，均有對應的電壓，經(jīng)處理后會還原為原位移值，顯示并存儲。?

3 試驗結果?

??? 使用儀器對冬季溫室種植的番茄進行了葉片厚度測量實驗，對大量數(shù)據(jù)進行分析后，發(fā)現(xiàn)一天當中植物葉片波動存在規(guī)律，早上厚度值比較大，中午左右會出現(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（測試時間為2007年11月至2008年1月)。目前仍在進行測試實驗，以確定規(guī)律的重復性，而葉片厚度變化與植物體內(nèi)含水量的關系需進一步研究。?

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??? 本文提出和實現(xiàn)了植物葉片厚度直接接觸式專用測試系統(tǒng)，通過對植物葉片厚度進行測量及分析，找到了植物葉片厚度變化的規(guī)律，為進一步探討葉片厚度與植物體內(nèi)水分含量奠定了基礎。該測試系統(tǒng)還擴展了集成芯片AD598的應用領域，雖然AD598是LVDT的專用芯片，但文中實現(xiàn)了對差動電感式位移傳感器信號的轉換。應用上述電路可以實現(xiàn)輸出直流電壓幅值在-10V～+10V之間可調(diào)，而且可以調(diào)整零點的位置。經(jīng)過測量傳感器位移與輸出電壓關系，發(fā)現(xiàn)線性度良好，保證了測量精度。?

參考文獻?

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[8] ANALOG DEVICES. LVDT signal conditioner AD598.