CN101236168A

CN101236168A - 植物体含水率测量装置

Info

Publication number: CN101236168A
Application number: CNA2007100634204A
Authority: CN
Inventors: 赵燕东; 白陈祥; 王海兰
Original assignee: Beijing Forestry University
Current assignee: Beijing Forestry University
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2008-08-06
Anticipated expiration: 2027-01-31
Also published as: CN101236168B

Abstract

本发明植物体含水率测量装置，包括用于检测植物体含水率的传感器和数据采集器，传感器包括阻抗变换器、检波模块、第一中央控制模块和第一通讯模块，阻抗变换器的检测信号通过检波模块接至第一中央控制模块；数据采集器包括第二中央控制模块和键盘输入模块、显示模块、存储模块、第二通讯模块，第二中央控制模块通过第二通讯模块和第一通讯模块与第一中央控制模块相连。传感器采用圆心多爪结构安装探针。本发明植物体含水率测量装置的优点是：具有高频宽、高线性度和功耗小的性能，操作简单，可随身携带，有利于实现植物体含水率的即时检测。

Description

植物体含水率测量装置

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种植物体含水率测量装置。

背景技术

水对植物的重要性是不言而喻的。植物一方面从周围环境中吸收水分，以保证生命活动的需要；另一方面又不断地向环境散失水分，以维持体内外的水分循环、气体交换以及适宜的体温。植物对水分的吸收、运输、利用和散失的过程，被称为植物的水分代谢。研究植物水分代谢的基本规律，掌握节水灌溉的生理基础，以满足农林植物生长发育对水分的需要，为其提供良好的生态环境，对植物的高产、稳产、优产和水资源的高效利用有着重要的意义。

水分在土壤——植物——大气体系中的运输过程可以表示为：土壤水分→根毛→皮层→内皮层→木质部薄壁细胞→茎的导管→叶脉导管→叶肉细胞→气孔下腔→气孔→大气。目前，在对此过程的研究中，土壤水分和空气湿度的检测手段多样并且可以满足研究需要；对植物叶片的水分状况而言，虽然检测方法和工具存在一些缺点(如耗时长、携带不方便，不利于野外作业)，但因采样方便且对植物整体的损伤不大，从而在一定程度上弥补了这些不足，也可以得到有效的检测。相对而言，根和茎(主要指木本植物)的水分状况因受制于植物本身的一些客观因素(如根生长在土壤中，对植物茎部取样不方便且会对植物的正常生长造成较大影响等)以及检测方法本身存在的不足，难以被实时检测。

目前，在国外应用较多的测量手段是TDR技术，但是TDR技术用于测量植物体含水率在技术上存在一些不足之处：

不同TDR波导探针的有效介电常数——含水率经验公式有较大差异；

树种差异对TDR的测量有影响，当精度要求很高时可以针对特定树种做标定；

TDR测量的是波导探针附近植物组织的平均含水率，如果波导探针附近水分分布差异较大(如边材与心材)，测量结果会有较大偏差；

植物的伤口反应对TDR的测量值有影响；

TDR波导探针的长度受限制，使用较短波导探针可以减小对植物的损伤，并且减少水分分布差异引入的误差，但是系统分辨率会降低，波导太长信号的衰减会很大。

此外，TDR技术仪器化成本高，不利于国内市场推广。

通过以上分析可知，目前植物体含水率测量装置存在的问题还很多，有利于市场推广的设备目前尚未有见。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高频宽、高线性度和小功耗，操作简单，可随身携带，有利于即时检测的植物体含水率测量装置。

为达到上述目的，本发明植物体含水率测量装置，包括传感器，还包括一数据采集器，所述传感器包括用于检测植物体含水率的阻抗变换器、检波模块、第一中央控制模块和与所述第一中央控制模块相连的第一通讯模块，所述阻抗变换器的检测信号通过所述检波模块接至所述第一中央控制模块；所述数据采集器包括第二中央控制模块和与之分别相连的键盘输入模块、显示模块、存储模块、第二通讯模块，所述第二中央控制模块通过所述第二通讯模块和第一通讯模块与所述第一中央控制模块相连。

本发明植物体含水率测量装置，其中所述阻抗变换器包括高频信号源、传输模块和若干测量探针，所述高频信号源和测量探针分别与所述传输模块相连，所述传输模块的检测信号接至所述检波模块。

本发明植物体含水率测量装置，其中所述检波模块采用型号为AD623的运算放大器芯片构成宽频带检波器。

本发明植物体含水率测量装置，其中所述传输模块采用特征阻抗是50欧姆的同轴电缆。

本发明植物体含水率测量装置，其中所述传感器设有用于在被测植物体上进行固定的环形固定圈和一个固定在固定圈上的电路盒，固定圈上均布有多个用于安装所述测量探针的探针孔，测量探针自探针孔中插入被测植物体并通过螺帽和绝缘垫圈固定在环形固定圈上，各测量探针通过同轴电缆接入电路盒。

本发明植物体含水率测量装置，其中所述数据采集器设有电源模块和与其相连的充电模，并用于向所述传感器供电。

本发明植物体含水率测量装置，其中所述第一中央控制模块采用型号为MEGA8的芯片，所述第二中央控制模块采用型号为SPCE061A的芯片。

本发明植物体含水率测量装置，其中所述第二通讯模块和第一通讯模块采用RS-485通讯模块。

本发明植物体含水率测量装置，数据采集器采用手持的可移动式结构，包括具有若干按键的键盘和一个小型显示器。

本发明植物体含水率测量装置的优点是：

1.传感器测量电路线性度好，具有较宽频带。由于信号源频率高达100MHz，因此检波电路的频率很高，高频运算放大器LT1813在高频工况下保证了检波电路的高频性能，此外电阻电容参数的匹配使植物水分测量电路具有良好的线性输出，有效保证了测量的精度和量程，性能足以满足实际应用。

2.本传感器的具有很宽的测量范围(0-100％含水量)。

3.数据采集器为手持式仪表，体积小，便于随身携带，其功耗小，不需要配备大量备用电池。

4.键盘设计简洁，操作简单，价格低廉，满足市场需求。

下面将结合实施例参照附图进行详细说明，以对本发明的目的、特征和优点有深入的理解。

附图说明

图1为本发明植物体含水率测量装置的方框图；

图2为本发明检测设备中第二中央控制模块的电路图；

图3为本发明检测设备中第一中央控制模块和第一通讯模块的电路图；

图4为本发明检测设备中检波模块的电路图；

图5为本发明检测设备中键盘输入模块的电路图；

图6为本发明检测设备中存储模块的电路图；

图7为本发明检测设备中第二通讯模块的电路图；

图8为本发明检测设备中充电模块的电路图；

图9为本发明检测设备中显示模块的电路图；

图10为本发明检测设备中电源模块的电路图；

图11为本发明检测设备的测量原理图；

图12为本发明检测设备中传感器的安装图；

图13为本发明检测设备中数据采集器的外形图。

具体实施方式

下面以实施例对技术方案做详细说明。

参照图1，本发明植物体含水率测量装置，由用于测量植物体含水率的传感器1和数据采集器2两部分组成，采用9V可充电电池供电，传感器1的电源由数据采集器2提供。传感器通过两个RS-485通讯模块将数据发送给数据采集器(手持式)，数据采集器用于设定传感器的参数，读取并显示传感器的测量结果。

其中，传感器1包括用于检测植物体含水率的阻抗变换器16、检波模块14、第一中央控制模块10和与第一中央控制模块10相连的第一通讯模块15。第一中央控制模块10采用型号为MEGA8的芯片。检波模块14采用型号为AD623的运算放大器芯片构成宽频带检波器。上述电路装入电路盒41。

参照图12，传感器1的外部结构如下：它设有用于在被测植物体7上进行固定的环形固定圈46和固定在固定圈46上的电路盒41，固定圈46上均布有4个用于安装测量探针40的探针孔45，测量探针40自探针孔45中插入被测植物体7并通过螺帽43和绝缘垫圈42固定在环形固定圈46上，各测量探针40通过同轴电缆44接入电路盒41。

参照图1，数据采集器2包括第二中央控制模块20和与之分别相连的键盘输入模块21、显示模块23、存储模块22、第二通讯模块25，第二中央控制模块20通过第二通讯模块25和第一通讯模块15与第一中央控制模块10相连。第二通讯模块25和第一通讯模块15采用RS-485通讯模块。

数据采集器2设有电源模块26和充电模块27，并用于向传感器1供电。参照图10和图8，分别给出了电源模块和充电模块的电路图。

参照图2，第二中央控制模块采用型号为SPCE061A的芯片。参照图5和图9，给出了键盘输入模块21和显示模块23的电路图。参照图6给出了存储模块22的电路图。参照图7，给出了第二通讯模块25的电路图。

数据采集器2设计为手持式仪表，参照图13，给出了数据采集器2的外形图，数据采集器2为手持的可移动式结构，该结构包括8个按键28的键盘和一个小型显示器24。数据采集器2设有“开/关”、“设定”、“测量”、“删除”和4个选择键，用于设定传感器的参数、读取并显示传感器的测量结果。手持装置体积小，便于随身携带，其功耗小，不需要配备大量备用电池。

参照图4，阻抗变换器16包括频率为100MHz的高频信号源13、传输模块12和若干测量探针40，高频信号源13和测量探针40分别与传输模块12相连，传输模块12采用特征阻抗是50欧姆的同轴电缆，即高频信号源和测量探针分别接于同轴传输线的两端，传输模块12的检测信号通过检波模块14接至第一中央控制模块10。

参照图11，下面说明本发明植物体含水率测量装置中植物体含水率的测量原理：

阻抗变换器16由信号源、传输线和探头三部分构成。其中信号源为100Mhz的正弦波，传输线为特征阻抗是50欧姆的同轴电缆。传输线上的电压和电流均以波动的形式向前传播，并且是由正向行波和反向行波叠加而成。为方便起见，设z的方向与电磁波的传播方向相反。沿着z的正方向传播的波称为反射波，而沿着z的反方向传播的波称为入射波。

将任意一段均匀传输线划分成许多的微分段dz，对于均匀传输线而言，由于其分布参数是沿线均匀分布的，且由于线元dx的长度极短，故可将看成一个集总参数电路，并用一个Γ型网络来等效。当传输线的长度等于波长的四分之一时，驻波的波峰与波谷恰在同轴电缆的两端。即：

{\hat{U}}_{j} - {\hat{U}}_{0} = 2 Aρ = 2 A \frac{Z_{L} - Z_{C}}{Z_{L} + Z_{C}}

上式中

是传输线两端电位，A的数值取决于振荡器的振幅，Zc为同轴传输线的特征阻抗，当同轴传输线一旦确定，其值即为确定值。故在A和Zc恒定的情况下传输线两端的电位差只与探头的特征阻抗ZL有关，探头的特征阻抗与植物体的介电特性有关，而植物体的介电特性又决定于植物体的含水量，所以通过测量探头的特征阻抗即可达到测量植物体含水量的目的。因此，植物体含水率测量原理是一种基于传输线阻抗变换原理的测量方法。

下面对本发明植物体含水率测量装置中的主要电路分别进行说明。

在传感器检测植物体含水量过程中，参照图4，U4为高频信号源(SOC)13，高频信号从3号管脚输出后分作两路，第一路直接输入检波模块14中芯片U6(LT1813)的3号管脚，再由1号管脚输出经过二极管D2、D3和电阻R4后对电容C3充电，将电容C3的电压经电阻R4输入5号管脚，再由7号管脚输出高频信号的峰值电压，将此峰值电压输入至检波模块14中芯片U1(AD623)的2号管脚(反相输入端)；第二路经过传输模块12的电阻R1和电容C1发射至测量探针40的J2-2上，并与J2-2末端反射的高频信号进行耦合产生高频驻波信号，将此驻波信号输入检波模块14中芯片U7(LT1813)的3号管脚，经过与第一路信号相同的处理后从U7的7号管脚输出驻波信号的峰值电压至芯片U1的3号管脚(正相输入端)；两路信号的峰值电压经U1(AD623)处理后从6号管脚输出至图3中第一中央控制模块10(MEGA8)的24号管脚作A/D转换得到数字信号X，MEGA8采用公式Y＝kX+b计算出植物体含水率并经第一通讯模块15和第二通讯模块25(参照图7)发送给第二中央控制模块20(参照图2)。

下面说明本发明植物体含水率测量装置的工作过程：

数据采集器有两种工作状态：参数设定状态和测量状态，可通过“设定”按钮进行切换。启动时默认进入测量状态，此时按一次“设定”按钮进入设定状态，设定结束后自动返回测量状态。

设定：在初次使用时，应该对传感器1进行参数设置。启动数据采集器2，按“设定”按钮进入参数设定状态，按照显示器上的文字提示先后输入传感器的含水率标定参数，输入完成后数据采集器2将参数发送给传感器1，传感器1收到数据后向数据采集器2返回确认信息，设定过程结束，数据采集器2转入测量状态。植物体含水率通过一次函数关系式Y＝kX+b计算，其中Y为植物体含水率，是百分数，X为植物体含水率检测电路的输出电压值(单位伏特)，k b为标定参数(无量纲)由生产方提供。在设定状态下，“向左”和“向右”键表示清零和确认，数值通过“向上”或“向下”按钮修改。

例如设定参数k的值为22.3：进入设定状态后出现提示语“输入k的整数部分”，此时显示的数值为00，按住“向上”按钮直至数值变为22(按住“向上”按钮数值将不断加1至99，按住“向下”按钮数值将不断减1至-99)，再按“向右”表示确认，此时会出现提示语“输入k的小数部分”，且数值显示为0，通过“向上”键修改为3，按“向右”表示确认进入参数b的设定。参数b的设定同k类似。在输入时，若不慎输入非期望数值可以按“向左”键迅速清零，然后重新输入。

测量：启动数据采集器(按一次“开/关”按钮)，按“测量”按钮数据采集器2即向传感器1发送数据采集命令，参见图2，其信号由第二中央控制模块20(SPCE061A)的IOB10 TXD→图7中第二通讯模块25(MAX485芯片)的4管脚T→第二通讯模块25的A B口→RS-485的正负线→图3中第一通讯模块15(MAX-485)的A B口线→第一通讯模块15的1管脚R→第一中央控制模块10的PD0。传感器1收到命令后采集植物体含水率，并将数据返回给数据采集器2，其信号由图3中第一中央控制模块10的PD1→第一通讯模块15的4管脚T→第一通讯模块15的A B口→RS-485的正负线→图7中第二通讯模块25的A B口→第二通讯模块25的1号管脚R→图2中第二中央控制模块20的IOB7RXD。数据采集器2将收到的数据写入存储模块22并由显示模块23实时显示出来。在测量状态下，按“向上”或“向下”按钮可以浏览存储器中保存的测量历史数据，按“删除”按钮可以将当前显示的数据从存储器中清除。

本发明植物体含水率测量装置的优点在于：

2.本传感器的具有很宽的测量范围(0-100％含水量)。

4.键盘设计简洁，操作简单，价格低廉，满足市场需求。

Claims

1. 一种植物体含水率测量装置，包括传感器(1)，其特征在于：还包括一数据采集器(2)，所述传感器(1)包括用于检测植物体含水率的阻抗变换器(16)、检波模块(14)、第一中央控制模块(10)和与所述第一中央控制模块(10)相连的第一通讯模块(15)，所述阻抗变换器(16)的检测信号通过所述检波模块(14)接至所述第一中央控制模块(10)；所述数据采集器(2)包括第二中央控制模块(20)和与之分别相连的键盘输入模块(21)、显示模块(23)、存储模块(22)、第二通讯模块(25)，所述第二中央控制模块(20)通过所述第二通讯模块(25)和第一通讯模块(15)与所述第一中央控制模块(10)相连。

2. 根据权利要求1所述的植物体含水率测量装置，其特征在于：其中所述阻抗变换器(16)包括高频信号源(13)、传输模块(12)和若干测量探针(40)，所述高频信号源(13)和测量探针(40)分别与所述传输模块(12)相连，所述传输模块(12)的检测信号接至所述检波模块(14)。

3. 根据权利要求1或2所述的植物体含水率测量装置，其特征在于：其中所述检波模块(14)采用型号为AD623的运算放大器芯片构成宽频带检波器。

4. 根据权利要求3所述的植物体含水率测量装置，其特征在于：其中所述传输模块(12)采用特征阻抗是50欧姆的同轴电缆。

5. 根据权利要求4所述的植物体含水率测量装置，其特征在于：其中所述传感器(1)设有用于在被测植物体(7)上进行固定的环形固定圈(46)和一个固定在固定圈(46)上的电路盒(41)，固定圈(46)上均布有多个用于安装所述测量探针(40)的探针孔(45)，测量探针(40)自探针孔(45)中插入被测植物体(7)并通过螺帽(43)和绝缘垫圈(42)固定在环形固定圈(46)上，各测量探针(40)通过同轴电缆(44)接入电路盒(41)。

6. 根据权利要求5的植物体含水率测量装置，其特征在于：其中所述第二通讯模块(25)和第一通讯模块(15)采用RS-485通讯模块。

7. 根据权利要求6的植物体含水率测量装置，其特征在于：其中所述所述数据采集器(2)设有电源模块(26)和与其相连的充电模(27)，并用于向所述传感器(1)供电。

8. 根据权利要求7所述的植物体含水率测量装置，其特征在于：其中所述第一中央控制模块(10)采用型号为MEGA8的芯片，所述第二中央控制模块(20)采用型号为SPCE061A的芯片。

9. 根据权利要求8所述的植物体含水率测量装置，其特征在于：其中所述数据采集器(2)采用手持的可移动式结构，包括具有若干按键(28)的键盘和一个小型显示器(24)。