摘  要:  AD598是LVDT和RVDT专用的信号调节系统，文中使用该芯片实现对线性差动电感式(LVDI）传感器信号的处理与转换，完成对植物叶片厚度变化微位移的测量。该信号调理电路具有零位调整、增益选择的功能，与传统的电路相比，电路简单、体积小。 

    关键词:  叶片厚度测量； AD598； 零位调整

    近代植物水分生理学的理论研究表明，植物体内的水分状况可以通过器官几何尺寸的微小变化反映出来^[1-4]，而植物叶片对水分变化最为敏感，表现为叶片厚度的变化，所以通过研究叶片厚度变化可以实现监测植物体内水分含量的目的。而测量叶片厚度是整个系统实现的前提。现存的测量叶片厚度的方法主要有以下几种：(1)使用卡尺或者使用螺旋测微器(千分尺)夹住叶片^[5]，直接读数。(2)将叶片横切做成切片放在显微镜下，用测微尺测量^[6]。(3)计算比叶重SLW(Specific Leaf Weight），来表示叶片厚度[6]。这些方法在使用中均存在一定的问题。把植物叶片厚度变化当成微位移量变化来测量，就可转化为传统非电量进行检测。在高精度位移测量中，电感传感器应用最广。一般电感传感器有线性差动变压器（LVDT）和线性差动电感器（LVDI）两种形式，它们都是当铁磁线圈的位置变化引起磁场的变化，通过测量磁场变化达到测量位移的目的。考虑到植物叶片比较柔软，选用测量力相对较小的线性差动电感器，以免对叶片造成损坏。 

    本文提出和研制了基于单片机测控系统，集位移传感器测厚、温湿度传感器监测环境、实时数据显示和点对点数据查询等功能于一体的植物叶片参数测试系统，借助现代传感技术，使用直接接触式测量方法，实现对植物叶片厚度值及环境温湿度的实时监测及记录。 

1 植物叶片参数测量仪组成 

    植物叶片参数测量仪由机械台架、测控电路和上位机软件三个单元组成，如图1所示。机械台架底座上固定软管，用于支撑位移传感器，并实现针对测试对象调整测头位置的目的。测控电路部分实现测量过程的控制、数据记录和查询及显示。上位机软件采用Visual B编写，可对累计多次的测试数据进行统计和数据存储。 

2 传感器信号调理电路 

    由于传感器输出的是微弱的交流信号，不能被ADC器件采集到，需先转变成直流信号。传统的信号调理电路主要由交流放大、相敏检波/直流放大、振荡器和直流电源等电路组成，因包含交流/直流电桥及电容、电感元件，使电路结构复杂、体积庞大。 

2.1 AD598芯片 

    AD598是AD公司推出的一种LVDT信号处理芯片,是一种完整的单片式线变压器信号调节系统。AD598 与LVDT配合,能够将LVDT的机械位置转换成单极性或双极性输出的高精度直流电压。AD598将所有的电路功能都集中在一块芯片上,只要增加几个外接无源元件,就能确定激磁频率和输出电压的幅值，使用方便^[8]。内部包含比值部分（A-B）/（A+B）,此处的A、B对应于传感器的两个次级输出端，因而该芯片作为传感器的测量电路可以提高传感器的线性度。文献中可以找到很多介绍AD598与LVDT配合使用的资料，但是关于AD598对差动电感式传感器输出信号进行处理的介绍却很少。 

2.2 信号调理电路 

    设计中选用AD598作为电感式位移传感器信号调理芯片，依据器件资料中介绍的对半桥式传感器信号处理的电路^[8]，并结合使用的传感器，设计了使用AD598对输出的交流小信号进行处理的电路，如图2所示。AD598激磁输出EXC1（2脚）经1μF电容与电感式传感器半桥线圈的一端相连，同时接到由电位器、两个串联电阻并联组成桥路上；电感式传感器半桥线圈的另一端接到AD598的11脚，同时接到桥路电位器的滑动端，用于零位的调整；10脚接到桥路中两个串联电阻的中间位置；4、5脚之间接电位器，可用于调节输出激磁的幅度，实现激励信号的频率补偿；6、7脚之间接0.01μF电容，8、9脚之间接0.1μF电容，12、13脚之间接0.12μF电容，14、15脚之间接0.33μF电容，17脚接地；输出16脚与反馈端15脚之间接电位器，用于调整输出信号的幅值范围；电源脚1、20分别接-15V、+15V直流电源，且电源与地之间接0.1μF去耦电容；四针接口部分外接传感器。 

2.3 原理及工作过程 

    使用AD598内部振荡器产生的正弦波作为传感器线圈的激磁信号，经过电容滤除外界干扰以后，连接到传感器线圈的一端，作为传感器的驱动信号输入。该激磁信号的频率由芯片6、7脚所接的电容C来决定，f=35μF/C Hz，幅度与4、5脚之间的电阻R值对应。传感器线圈的另一端直接连到AD598芯片内部比值电路的一个输入11脚，并经电位器与线圈的另一端组成电阻桥路，且桥路另一端接到比值电路的另一个输入10脚，这样调节电位器使桥路平衡，就能实现调零的功能；线圈中心抽头接地。输出16脚与反馈端15脚之间通过大阻值的电位器连接，可以实现分压的作用，调节输出电压的幅值范围。 

    所选传感器为旁向式，测头在上下两个方向上均可移动，所以输出电压为正负电压。传感器接到该电路后，首先调节芯片4、5脚的电位器，得到所需的激磁信号，然后调节输出端的电位器，使测头在最下端、最上端时的输出的电压范围满足要求（因AD574对输入电压有要求），之后通过调节电阻桥路中的电位器，使零点位置移动，从而达到输出正负电压绝对值相差不多的目的。调整好以后得到的直流电压即可被ADC采集，然后送单片机处理。对应测头的每一个位置，均有对应的电压，经处理后会还原为原位移值，显示并存储。 

3 试验结果 

    使用仪器对冬季温室种植的番茄进行了叶片厚度测量实验，对大量数据进行分析后，发现一天当中植物叶片波动存在规律，早上厚度值比较大，中午左右会出现厚度最小值，傍晚再慢慢变大。如图3所示为几组番茄叶片厚度日变化曲线（测试时间为2007年11月至2008年1月)。目前仍在进行测试实验，以确定规律的重复性，而叶片厚度变化与植物体内含水量的关系需进一步研究。 

    本文提出和实现了植物叶片厚度直接接触式专用测试系统，通过对植物叶片厚度进行测量及分析，找到了植物叶片厚度变化的规律，为进一步探讨叶片厚度与植物体内水分含量奠定了基础。该测试系统还扩展了集成芯片AD598的应用领域，虽然AD598是LVDT的专用芯片，但文中实现了对差动电感式位移传感器信号的转换。应用上述电路可以实现输出直流电压幅值在-10V～+10V之间可调，而且可以调整零点的位置。经过测量传感器位移与输出电压关系，发现线性度良好，保证了测量精度。 

参考文献 

[1] 苏臣,孙一源,陈勇. 新型节水灌溉控制原理的应用研究[J].水科学进展,1994,5(2):142 -148. 

[2] 李东升,汤晓华,刘九庆,等.精量灌溉中的植物水分精密诊断技术[J].中国计量学院学报,2002,14(1):11-14. 

[3] 杨波.新型智能灌溉系统[J].世界发明,2002(5):7. 

[4] 李国臣,马成林,于海业,等.温室设施的国内外节水现状与节水技术分析[J].农机化研究,2002(4):8-11. 

[5] 中国农业百科全书[M].北京：农业出版社，1996. 

[6] 强胜.植物学[M].北京:高等教育出版社.2006：125～137. 

[7] 赵负图.现代传感器集成电路[M].北京：人民邮电出版社，2000. 

[8] ANALOG DEVICES. LVDT signal conditioner AD598.