??? 摘? 要:? AD598是LVDT和RVDT專用的信號調節系統，文中使用該芯片實現對線性差動電感式(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。該信號調理電路具有零位調整、增益選擇的功能，與傳統的電路相比，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，表現為葉片厚度的變化，所以通過研究葉片厚度變化可以實現監測植物體內水分含量的目的。而測量葉片厚度是整個系統實現的前提?，F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。(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。考慮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，集位移傳感器測厚、溫濕度傳感器監測環境、實時數據顯示和點對點數據查詢等功能于一體的植物葉片參數測試系統，借助現代傳感技術，使用直接接觸式測量方法，實現對植物葉片厚度值及環境溫濕度的實時監測及記錄。?
1 植物葉片參數測量儀組成?
??? 植物葉片參數測量儀由機械臺架、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，并實現針對測試對象調整測頭位置的目的。測控電路部分實現測量過程的控制、數據記錄和查詢及顯示。上位機軟件采用Visual B編寫，可對累計多次的測試數據進行統計和數據存儲。?
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2 傳感器信號調理電路?
??? 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。傳統的信號調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節系統。AD598 與LVDT配合,能夠將LVDT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 信號調理電路?
??? 設計中選用AD598作為電感式位移傳感器信號調理芯片，依據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、兩個串聯電阻并聯組成橋路上；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，用于零位的調整；10腳接到橋路中兩個串聯電阻的中間位置；4、5腳之間接電位器，可用于調節輸出激磁的幅度，實現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內部振蕩器產生的正弦波作為傳感器線圈的激磁信號，經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芯片內部比值電路的一個輸入11腳，并經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，這樣調節電位器使橋路平衡，就能實現調零的功能；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，可以實現分壓的作用，調節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，首先調節芯片4、5腳的電位器，得到所需的激磁信號，然后調節輸出端的電位器，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），之后通過調節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，對大量數據進行分析后，發現一天當中植物葉片波動存在規律，早上厚度值比較大，中午左右會出現厚度最小值，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，以確定規律的重復性，而葉片厚度變化與植物體內含水量的關系需進一步研究。?
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??? 本文提出和實現了植物葉片厚度直接接觸式專用測試系統，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律，為進一步探討葉片厚度與植物體內水分含量奠定了基礎。該測試系統還擴展了集成芯片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輸出直流電壓幅值在-10V～+10V之間可調，而且可以調整零點的位置。經過測量傳感器位移與輸出電壓關系，發現線性度良好，保證了測量精度。?
參考文獻?
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[3] 楊波.新型智能灌溉系統[J].世界發明,2002(5):7.?
[4] 李國臣,馬成林,于海業,等.溫室設施的國內外節水現狀與節水技術分析[J].農機化研究,2002(4):8-11.?
[5] 中國農業百科全書[M].北京：農業出版社，1996.?
[6] 強勝.植物學[M].北京:高等教育出版社.2006：125～137.?
[7] 趙負圖.現代傳感器集成電路[M].北京：人民郵電出版社，2000.?
[8] ANALOG DEVICES. LVDT signal conditioner AD598.