CN101793538A

CN101793538A - 一种T-max植物茎流测量方法及其装置

Info

Publication number: CN101793538A
Application number: CN 201010125429
Authority: CN
Inventors: 高胜国; 高任翔
Original assignee: Farmland Irrigation Research Institute of CAAS
Current assignee: Farmland Irrigation Research Institute of CAAS
Priority date: 2010-03-17
Filing date: 2010-03-17
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2030-03-17
Also published as: CN101793538B

Abstract

本发明涉及一种T-max植物茎流测量方法及其装置，在植物茎干上装加热器，在茎干上位于茎流下游距加热器的距离X_D处装检测温度传感器，在茎流上游或下游不受热脉冲影响的茎干上装补偿温度传感器，检测温度传感器和补偿温度传感器组成温差检测器，加热控制器在控制装于植物茎干上的加热器发射加热植物茎干的热脉冲后，清零并启动计时器，温差检测器采集到的温差信号经前置放大、增益放大、低通滤波、半波整流、变指数放大、门限检测、微分和过零检测，找出温差信号的峰值点，在该峰值点上关闭计时器，将计时器所记录的时间代入T-max方法茎流计算公式，显著提高了T-max方法测量低速茎流的能力，成本低，精度高，可靠性好，加热量少，测量范围宽，使用方便。

Description

一种T-max植物茎流测量方法及其装置

技术领域：

本发明涉及一种采用热脉冲示踪技术测量植物茎流的方法及其装置，尤其涉及一种T-max植物茎流测量方法及其装置。

背景技术：

植物在蒸腾过程中，根系从土壤中吸收的水分通过植物茎干茎流源源不断地输送至叶片，最终通过叶气孔散发到大气中去，在该过程中植物茎干中的液体一直处于流动状态，而植物茎干茎流量的大小可以反映植物蒸腾量的变化，所以，用测定植物茎干茎流的方法可确定植物的蒸腾耗水量。用标记示踪测量植物茎干茎流的方法有很多种，比较常见是同位素示踪法与热力学方法。

热力学方法或称热技术方法，可在自然生长状态基本不变的情况下，测量植物的蒸腾指标，且相对经济可行。根据其设计原理可分为热脉冲法、热平衡法和热扩散法。其中，热脉冲法的认可程度最高。热脉冲法测量植物茎流的准确性在树木上经过了检验，但在测量树木低速茎流时，热脉冲技术不准确。目前使用的热脉冲方法包括：T-max法、热补偿法CHPM和热比率法HRM三种。测量低速茎流能力由强到弱依次是：热比率法、热补偿法、T-max法；加热量由小到大依次是：T-max法、热补偿法、热比率法。

格林斯潘和澳大利亚英联邦科学与工业研究组织(CSIRO)，联合研制开发了热补偿法系列产品，用于测定树木茎流。测量范围：5～100cm/hr茎流速率，准确度：5％，热脉冲发射时间：0.2～2.4s，最小茎干直径：5～20mm。因其测低速茎流能力和加热量居中，市场占有率最大。

“T-max”顾名思义，T-max植物茎流测量方法是通过探测热脉冲发射后，在植物茎干茎流下游距加热器的距离X_D处温度峰值出现的时间，来推算植物茎流的一种方法。

现有的T-max植物茎流测量装置，一般是由温差检测器和数据采集器(datalogger)组成，温差检测器用来采集数据，送入数据采集器后再进行数据的后续处理。植物茎干加热，一般采用12V蓄电池作为加热电源，通过继电器触点连接到加热器上。茎干加热量取决于继电器触点的闭合时间，通过控制继电器电磁线圈的加电时间，控制茎干加热量。因为继电器机械触点存在吸合动作延迟及个体差异和疲劳误差，对仅有零点几秒的加热时间而言不可忽略，影响了加热量的精确控制。

上述传统方式的T-max植物茎流测量装置，加热精度低，成本高，尤其是测量低速茎流的能力更差，并有逐步淡出应用领域的趋势，亟待采用更新的技术方案以获得更优的技术性能和更低的制作成本。如果能破解T-max方法测量低速茎流的难题，T-max方法将重获新生跨入主流产品行列。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种替代由温差检测器和数据采集器组成的传统方式的T-max植物茎流测量装置，较传统方式测量精度高、加热量少、测量范围宽，特别是测量低速茎流的能力强，使用方便、成本低廉的新一代的T-max植物茎流测量方法及其装置。

本发明的目的是这样实现的：

一种T-max植物茎流测量方法，在要测量茎流的植物茎干上安装加热器，在植物茎干上位于茎流下游距加热器的距离X_D处安装检测温度传感器，在茎流上游或下游不受热脉冲影响的植物茎干上安装补偿温度传感器，检测温度传感器和补偿温度传感器组成温差检测器，加热控制器在控制安装于植物茎干上的加热器发射加热植物茎干的热脉冲后，清零并启动计时器，温差检测器采集到的温差信号送入前置放大器，经前置放大器进行低噪声低漂移初步放大后送入增益放大器，经增益放大器进一步放大后送入低通滤波器，经低通滤波器滤除温差信号带外高频信号后送入半波整流器，经过半波整流后送入变指数放大器，进行非均匀放大，在不改变温差信号峰值点相对时间位置的情况下，使温差信号曲线峰值点更加突出明显，峰值点两侧更加陡峭，经变指数放大后送入门限检测器，区分并剔除干扰信号，避免误动作，经门限检测后送入微分和过零检测器，找出温差信号的峰值点，在该峰值点上关闭计时器，计时器所记录的时间就是T-max植物茎流测量方法必须检测的t_M值，将t_M值和X_D值代入T-max植物茎流测量方法计算公式，计算植物茎流速率V_S。

一种T-max植物茎流测量装置，包括安装在植物茎干上的加热器、安装在植物茎干上位于茎流下游距加热器的距离X_D处的检测温度传感器、安装在茎流上游或下游不受热脉冲影响的植物茎干上的补偿温度传感器、前置放大器、增益放大器、低通滤波器、半波整流器、变指数放大器、门限检测器、微分和过零检测器、单片机、数模转换器、通讯接口电平转换器、控制计算机；由安装在植物茎干上位于茎流下游距加热器的距离X_D处的检测温度传感器和安装在茎流上游或下游不受热脉冲影响的植物茎干上的补偿温度传感器组成温差检测器，温差检测器的输出端与前置放大器相连接，前置放大器的输出端与增益放大器相连接，增益放大器的输出端与低通滤波器相连接，低通滤波器的输出端与半波整流器相连接，半波整流器的输出端与变指数放大器相连接，变指数放大器的输出端与门限检测器相连接，门限检测器的输出端与微分和过零检测器相连接，微分和过零检测器的输出端与单片机的外部中断1端口相连接，控制计算机通过通讯接口电平转换器与单片机的串行口相连接，单片机的一组I/O端口与数模转换器的数字输入端相连接，数模转换器的模拟输出端与安装在植物茎干上的加热器相连接。

测量装置工作流程如下：单片机加电后，初始化程序使之进入“空闲”状态，只有发生“中断”才能结束“空闲”状态，在中断服务程序中完成各项操作，退出中断服务程序后重新进入“空闲”状态，这种工作方式(“空闲”+“中断”)，单片机的CPU大部分时间处于睡眠状态，受干扰的几率大为减少，不仅省电，更重要的是抗干扰能力强，在控制计算机通过通讯接口电平转换器向单片机串行口发送茎流数据采集指令时，向单片机发出了串行接收中断请求，单片机响应串行接收中断请求，进入串行接收中断服务程序，根据茎流数据采集指令中的加热时间长度和加热电压的二进制数字值启动加热，加热电压的二进制数字值通过数模转换器转换为模拟电压加到加热器上，按指令中的加热时间长度在单片机的控制下瞬间加热植物茎干，在启动加热后，立刻将单片机的16位定时器0清零启动计时，同时开放单片机与微分和过零检测器相连接的外部中断1端口，退出串行接收中断服务程序，在计时过程中，以在定时器0溢出中断服务程序中对定时器0中断次数进行计数的方式扩展计时长度，

温差检测器采集到的温差信号送入前置放大器，经前置放大器进行低噪声低漂移初步放大后送入增益放大器，经增益放大器进一步放大后送入低通滤波器，经低通滤波器滤除温差信号带外高频信号后送入半波整流器，经过半波整流后送入变指数放大器，进行非均匀放大，在不改变温差信号峰值点相对时间位置的情况下，使温差信号曲线峰值点更加突出明显，峰值点两侧更加陡峭，经变指数放大后送入门限检测器，区分并剔除干扰信号，避免误动作，经门限检测后送入微分和过零检测器，找出温差信号的峰值点后，微分和过零检测器的输出向已开放的与微分和过零检测器相连接的单片机的外部中断1端口发出中断请求，

单片机响应外部中断1中断请求，进入外部中断1服务程序，停止定时器0计时，开始通过通讯接口电平转换器向控制计算机发送计时数据并引发串行中断请求，关闭单片机外部中断1，退出外部中断1服务程序，

单片机响应串行发送中断请求，进入串行发送中断服务程序，将剩余计时数据同样通过通讯接口电平转换器发送给控制计算机，数据发送完后，退出串行发送中断服务程序，

单片机的定时器1用于“喂狗”，在定时器1溢出中断服务程序中复位看门狗电路，俗称“喂狗”，单片机的定时器2用于串行口波特率发生器，因此，需要选用具有3个定时器的单片机，例如：89C52，

控制计算机将计时数据t_M和安装探头时已经确定的距离X_D代入T-max植物茎流测量方法计算公式，计算出所测茎干的植物茎流速率V_S并显示在屏幕上，在所测茎干被施加的热量全部消退后，进行下一轮植物茎流速率测量，并重复同样的过程。

本发明具有如下积极效果：

本发明的T-max植物茎流测量方法具有以下特点：

1、通过采用“变指数放大”，解决了T-max方法测量低速茎流的难题；

2、用微分和过零检测器识别提取温差信号的峰值点，采用的是脉冲峰值微分过零的原理。通俗地说，是利用了电容在峰值点前充电、峰值点后放电的特性，电容充、放电的拐点(过零点)就是温差信号的峰值点，由过零检测器识别提取的过零点就是温差信号的峰值点，较采用模数转换器的传统方案，优势在于：(1)分辨率与输入温差信号的幅度没有关系，分辨率的高低仅取决于峰值点的突出程度，不用变换量程，更不会丢失数据；(2)温差信号的起始点高低不影响温差信号峰值点的识别与提取，也就无需对同型号同批次的温度传感器再进行筛选匹配，方便采用灵敏度高而一致性欠佳的微型热敏电阻温度传感器；(3)可以设置检测门限，用于区分并剔除干扰信号，抗干扰能力强，不会产生误动作；(4)直接识别提取温差信号峰值点，时间精度、可靠性均高于传统方案。在传统方案要频繁检测温差信号，经多次比较判断后才能识别提取温差信号的峰值点，因此，传统方案运行出错的风险大，同时不可避免地存在检测间隔误差和程序执行时间误差；

3、测量精度高，实现了传统方式传统方案根本不可能达到的分辨率；

4、没有特别昂贵的器件，成本低于传统方式传统方案。

本发明的T-max植物茎流测量装置具有以下特点：

1、充分发挥了控制计算机(微型笔记本电脑)现场数据处理能力，测量装置硬件得到了最大程度的简化，成本降低而可靠性增加；

2、单片机采用“空闲”+“中断”的工作方式，单片机的CPU大部分时间处于睡眠状态，受干扰的几率大为减少，不仅省电，更重要的是抗干扰能力强；

3、加热量控制精确，加热时间和电压都能控制，可通过时间和电压的不同组合，达到最好的加热效果，以适应不同的测量范围。

T-max植物茎流测量方法也称Cohen热脉冲方法(The Cohen’s heat-pulsemethod)。是由Cohen等(1981)最先提出的(Improvement of the heat pulse methodfor determining sap flow in trees，Y.Cohen，M.Fuchs & G.C.Green，Plant，Cell andEnvironment，v.4，p.391-397，1981)。

Cohen热脉冲方法：在植物茎干上位于茎流下游距加热器的距离X_D(mm)处安装一个温度传感器，由一台数据采集器(data logger)记录热脉冲发射后温度峰值出现在植物茎干茎流下游距加热器的距离X_D处的时间t_M(s)，热脉冲速度V_h(mm/s)由下式计算：

V_h＝(X_D ²-4kt_M)^1/2/t_M (1-1)

式中，k为热扩散率(mm²/s)，在深夜茎流为零时测定t_M后带入下式计算：

k＝X_D ²/4t_M (1-2)

植物茎流速率(也称为茎流密度)V_S(mm/s)由下式计算：

V_S＝(ρC/ρ_SC_S)·V_h(1-3)

式中，ρ_S、ρ分别为茎干的液体和新鲜的茎干植株体密度(kg/m³)，

C_S、C分别为茎干的液体和新鲜的茎干植株体比热(J/kg℃)。

植物茎流量等于植物茎流速率乘以茎干导管截面积。

在加热器和温度传感器插入植物茎干内的情况下，因为加热器和温度探针刺入植物茎干内部组织，造成的伤害阻碍了植物茎流正常通过，还要在计算植物茎流速率V_S之前进行热脉冲速度V_h的伤口误差修正。

Swanson等(1981)通过数值计算模型模拟热对流及传导现象，给出了一个二维数值解：

V_h＝a₀+a₁V_h′+a₂V_h′² (1-4)

式中，V_h′、V_h分别为修正前、后的热脉冲速度(m/s)，a₀、a₁、a₂是系数，并根据不同的探头设置给出了伤口的误差修正参数表。

首先，将修正前的热脉冲速度V_h(mm/s)经单位换算后，作为V_h′(m/s)带入(1-4)式进行修正，然后，将修正后的热脉冲速度V_h(m/s)换算成原来的单位(mm/s)后，带入(1-3)式计算植物茎流速率V_S(mm/s)。

由于植物本身的温度在一天之间乃至测量时间内有较大的变化，为消除这一影响，与Cohen热脉冲方法单温度传感器有所不同，采用了双温度传感器。其中的一个温度传感器放在植物茎干上位于茎流下游距加热器的距离X_D处，用于感测热脉冲温度峰值到达的时间，称为检测温度传感器。另一个温度传感器放在茎流上游或下游不受热脉冲影响的植物茎干上，用于补偿植株体本身的温度变化，称为补偿温度传感器。

在本发明中茎流上游、下游是这样定义的：在蒸腾作用下，植物茎流一般是由植物根部向植物枝叶流动的，以安装在植物茎干上的加热器为界，植物根部的一方为茎流上游，植物枝叶的一方为茎流下游。

综上所述：T-max植物茎流测量方法是通过测定热脉冲发射后温度峰值出现在植物茎干茎流下游距加热器的距离X_D处的时间t_M来推算热脉冲速度V_h，进而确定植物茎流速率V_S。因此，t_M测定的准确性是V_S准确测定的首要条件。

来自D.C.Marshall(1958)的热脉冲发射后温度随时间变化的曲线图(Measurement of sap flow in conifers by heat transport，Figure 2，Plant Physiology，Vol.33，n.6，1958)，直观地说明了哪些因素影响t_M的准确测定。(相类似的图还有Monitoring sap flow using the T-max heat-pulse method，Figure 2，Steve Green etal，WISPAS，ISSN 1176-2292，n.91，2005)

见图1，在图1中：

横坐标为热脉冲发射后的时间t(min)；纵坐标为温度上升值v；

图1中曲线描述了热扩散率k＝0.0025cm²/sec，植物茎干茎流下游距加热器的距离1.5cm处，不同热脉冲速度V(cm/hr)，热脉冲发射后温度随时间t(min)变化的过程。

从图1中可以看出：热脉冲速度V越大，温度变化曲线越加陡峭，温度峰值点越容易识别。反之，热脉冲速度V越小，温度变化曲线越加平缓，温度峰值点越不容易识别。当热脉冲速度V小于10cm/hr时，温度随时间变化曲线的温度峰值点已很难准确识别了。

因此，要准确测定t_M值，就应使加热器的热脉冲热能(加热量)大，检测处距加热器的距离小，这样检测处的温升温差大，温度峰值明显，容易识别，检测准确。但加热器的热脉冲热能过大时，又会对植物茎干造成损伤，甚至烧坏植物，同时检测处距加热器的距离过小时，也会由于Δt_m/ΔV_S(t_M和V_S的变差比)变小，t_M检测误差被放大，在制造或现场安装时精度难以保证，而使得最终计算结果产生较大误差。G.J.Kluitenberg等(2004)的研究：用Cohen热脉冲方法，当X_D为15mm，加热持续时间为0.25-1.5s时，茎流速率误差很少超过1％。综上所述，不能通过进一步增加热量和减少X_D的方法达到提高t_M值测定准确性的目的，X_D为15mm比较合适。

鉴于(1-3)式植物茎流速率与热脉冲速度的关系，如果不能准确识别速度小于10cm/hr的热脉冲温度随时间变化曲线的温度峰值点，就不能准确测量速率小于10cm/hr的植物茎流，这与Steve Green et al(Theory and Practical Applicationof Heat Pulse to Measure Sap Flow，Agronomy Journal，Vol.95，p1371-1379，2003)的分析方法和T-max植物茎流测量方法难以分辨速率小于10cm/hr植物茎流的结论一致，正如Steve Green et al在文中所说：“T-max方法测量低速茎流仍是一个需要破解的挑战性难题”。

一般植物茎流测量装置所用的温差检测方案，本发明称传统方案：温差检测器接前置放大器，由前置放大器进行温差放大后再送入模数转换器，由模数转换器转换成数字信号后再进行后续处理。温差检测器加数据采集器(data logger)构成的传统方式的T-max植物茎流测量装置，采用的就是这种传统方案(采集器中已包含前置放大器和模数转换器)。

如果要提高T-max植物茎流测量方法的精度，必须提高温度峰值点的准确识别能力。在传统方案，虽然理论上可以通过提高温度分辨率，来提高温度峰值点的准确识别能力。但事实上，采用的数据采集器(例如：CR1000)已具有16位的分辨率，即使将数据采集器换上号称24位的模数转换器，能稳定可靠工作的位数也只有16位。传统方案已经做到了极致，早已没有了提升空间。因此，要进一步提高测量精度，必须另辟蹊径，更新现有的技术方案。

如果能在不改变温度随时间变化曲线温度峰值点相对时间位置的情况下，想办法使低速热脉冲平缓的温度变化曲线温度峰值点更加突出明显，峰值点两侧更加陡峭，峰值点就更容易准确识别，不用增加热脉冲热能(加热量)，也可以显著提高测量低速茎流的能力，甚至可测量流速接近“零”的茎流。

为实现上述目的，本发明提出了“变指数放大”的技术方案。所谓“变指数放大”是发明人根据VCA810集成电路的特点，提出的一种用于准确识别随时间变化平缓曲线峰值点时间坐标的新的非均匀放大方法。图2为“变指数放大”的实际效果图，图2中，平缓的曲线为“变指数放大”前，陡峭的曲线为“变指数放大”后。

在本发明中，温差检测器采集到的温差信号送入前置放大器，经前置放大器进行低噪声低漂移初步放大后送入增益放大器，经增益放大器进一步放大后送入低通滤波器，经低通滤波器滤除温差信号带外高频信号后送入半波整流器，经过半波整流后送入变指数放大器，进行非均匀放大，在不改变温差信号峰值点相对时间位置的情况下，使温差信号曲线峰值点更加突出明显，峰值点两侧更加陡峭。

如果将“变指数放大”后的温差信号送入数据采集器，是不是就能达到低速热脉冲平缓的温度曲线峰值点准确识别的目的呢？数据采集器的16位分辨率所具有的实际分辨能力是与量程有关的。举例说，输入量程为1V，实际分辨能力是1V/2¹⁶＝15.26μV，如果输入量程为5V，实际分辨能力是5V/2¹⁶＝76.29μV。很不幸，我们使低速热脉冲平缓的温度曲线峰值点突出的同时，无意中对高速热脉冲陡峭的温度曲线进行了超常放大，对数据采集器来讲输入温差信号的变幅超常加大了，相当于提高了输入量程，而提高输入量程必然降低实际分辨能力。是不是可以通过数据采集器的一个数字端口(一般数据采集器都有不止一个数字端口)控制模拟开关切换变指数放大器，测低速热脉冲平缓的温度曲线峰值点采用变指数放大，测高速热脉冲陡峭的温度曲线时，使变指数放大器短接，来达到目的呢？视乎可以，但检测中判断、切换变指数放大器一定是以丢失数据为代价的，控制起来不仅麻烦，而且代价太高，因此，对传统方式传统方案的T-max植物茎流测量装置进行改造并不可取。

本发明提供了替代传统方式传统方案的T-max植物茎流测量方法及其装置。

上述T-max植物茎流测量方法的突出特点是：

4、没有特别昂贵的器件，成本低于传统方式传统方案。

上述T-max植物茎流测量装置的突出特点是：

附图说明：

图1为热脉冲发射后温度随时间变化的曲线图。

图2为本发明“变指数放大”的实际效果图。

图3为本发明T-max植物茎流测量方法的示意图。

图4为本发明T-max植物茎流测量装置的构成、连接与工作流程图。

图5、6、7、8为本发明实施例电路图。

具体实施方式：

一种T-max植物茎流测量方法：

如图3所示，在要测量茎流的植物茎干1上安装加热器2，在植物茎干1上位于茎流下游距加热器2的距离X_D处安装检测温度传感器3，在茎流上游或下游不受热脉冲影响的植物茎干1上安装补偿温度传感器4，检测温度传感器3和补偿温度传感器4组成温差检测器，加热控制器16在控制安装于植物茎干1上的加热器2发射加热植物茎干1的热脉冲后，清零并启动计时器17，温差检测器采集到的温差信号送入前置放大器5，经前置放大器5进行低噪声低漂移初步放大后送入增益放大器6，经增益放大器6进一步放大后送入低通滤波器7，经低通滤波器7滤除温差信号带外高频信号后送入半波整流器8，经过半波整流后送入变指数放大器9，进行非均匀放大，在不改变温差信号峰值点相对时间位置的情况下，使温差信号曲线峰值点更加突出明显，峰值点两侧更加陡峭，经变指数放大后送入门限检测器10，区分并剔除干扰信号，避免误动作，经门限检测后送入微分和过零检测器11，找出温差信号的峰值点，在该峰值点上关闭计时器17，计时器17所记录的时间就是T-max植物茎流测量方法必须检测的t_M值，将t_M值和X_D值代入T-max植物茎流测量方法计算公式，计算植物茎流速率V_S。

一种T-max植物茎流测量装置，如图4所示，测量装置由以下各部分组成：

安装在植物茎干1上的加热器2，安装在植物茎干1上位于茎流下游距加热器2的距离X_D处的检测温度传感器3，安装在茎流上游或下游不受热脉冲影响的植物茎干1上的补偿温度传感器4，前置放大器5，增益放大器6，低通滤波器7，半波整流器8，变指数放大器9，门限检测器10，微分和过零检测器11，单片机12，数模转换器13，通讯接口电平转换器14，控制计算机15。

如图4所示，测量装置各部分连接关系如下：

由安装在植物茎干1上位于茎流下游距加热器2的距离X_D处的检测温度传感器3和安装在茎流上游或下游不受热脉冲影响的植物茎干1上的补偿温度传感器4组成了温差检测器，温差检测器的输出端与前置放大器5相连接，前置放大器5的输出端与增益放大器6相连接，增益放大器6的输出端与低通滤波器7相连接，低通滤波器7的输出端与半波整流器8相连接，半波整流器8的输出端与变指数放大器9相连接，变指数放大器9的输出端与门限检测器10相连接，门限检测器10的输出端与微分和过零检测器11相连接，微分和过零检测器11的输出端与单片机12的外部中断1端口相连接，控制计算机15通过通讯接口电平转换器14与单片机12的串行口相连接，单片机12的一组I/O端口与数模转换器13的数字输入端相连接，数模转换器13的模拟输出端与安装在植物茎干1上的加热器2相连接。

如图4所示，测量装置工作流程如下：

单片机12加电后，初始化程序使之进入“空闲”状态，只有发生“中断”才能结束“空闲”状态，在中断服务程序中完成各项操作，退出中断服务程序后重新进入“空闲”状态，这种工作方式(“空闲”+“中断”)，单片机12的CPU大部分时间处于睡眠状态，受干扰的几率大为减少，不仅省电，更重要的是抗干扰能力强，在控制计算机15通过通讯接口电平转换器14向单片机12串行口发送茎流数据采集指令时，向单片机12发出了串行接收中断请求，单片机12响应串行接收中断请求，进入串行接收中断服务程序，根据茎流数据采集指令中的加热时间长度和加热电压的二进制数字值启动加热，加热电压的二进制数字值通过数模转换器13转换为模拟电压加到加热器2上，按指令中的加热时间长度在单片机12的控制下瞬间加热植物茎干1，在启动加热后，立刻将单片机12的16位定时器0清零启动计时，同时开放单片机12与微分和过零检测器11相连接的外部中断1端口，退出串行接收中断服务程序，在计时过程中，以在定时器0溢出中断服务程序中对定时器0中断次数进行计数的方式扩展计时长度，

温差检测器采集到的温差信号送入前置放大器5，经前置放大器5进行低噪声低漂移初步放大后送入增益放大器6，经增益放大器6进一步放大后送入低通滤波器7，经低通滤波器7滤除温差信号带外高频信号后送入半波整流器8，经过半波整流后送入变指数放大器9，进行非均匀放大，在不改变温差信号峰值点相对时间位置的情况下，使温差信号曲线峰值点更加突出明显，峰值点两侧更加陡峭，经变指数放大后送入门限检测器10，区分并剔除干扰信号，避免误动作，经门限检测后送入微分和过零检测器11，找出温差信号的峰值点后，微分和过零检测器11的输出向已开放的与微分和过零检测器11相连接的单片机12的外部中断1端口发出中断请求，

单片机12响应外部中断1中断请求，进入外部中断1服务程序，停止定时器0计时，开始通过通讯接口电平转换器14向控制计算机15发送计时数据并引发串行中断请求，关闭单片机12外部中断1，退出外部中断1服务程序，

单片机12响应串行发送中断请求，进入串行发送中断服务程序，将剩余计时数据同样通过通讯接口电平转换器14发送给控制计算机15，数据发送完后，退出串行发送中断服务程序，

单片机12的定时器1用于“喂狗”，在定时器1溢出中断服务程序中复位看门狗电路，俗称“喂狗”，单片机12的定时器2用于串行口波特率发生器，因此，需要选用具有3个定时器的单片机，例如：89C52，

控制计算机15将计时数据t_M和安装探头时已经确定的距离X_D代入T-max植物茎流测量方法计算公式，计算出所测茎干1的植物茎流速率V_S并显示在屏幕上，在所测茎干1被施加的热量全部消退后，进行下一轮植物茎流速率测量，并重复同样的过程。

实施例：如图4所示，由安装在植物茎干1上位于茎流下游距加热器2的距离15mm处的检测温度传感器3和安装在茎流上游距加热器2的距离40mm处的补偿温度传感器4组成了温差检测器，温度传感器采用T型热电偶。图5、6、7、8为本发明的实施例电路图，与图4的对应关系如下：温差检测器的输出端与图5中的集成电路U1、U2、电容C1、C2、C3、C8、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9组成的图4的前置放大器5相连接，其中的电阻R1、R2、R3、R4、R7、R8、电容C1、C2、C3、C8组成了无源低通滤波器用于抑制带外高频噪声。前置放大器5的输出端与图5中的集成电路U3、电容C14、C17、电阻R10、R11、R12、R13、可调电阻RV1组成的图4的增益放大器6相连接，其中的可调电阻RV1用于产品出厂前的总偏差调整。增益放大器6的输出端与图6中的集成电路U4、U5、电容C20、C21、C24、C25、C26、C27、电阻R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、R22、R23、R24组成的图4的低通滤波器7相连接。低通滤波器7的输出端与图7中的二极管D1、电阻R25组成的图4的半波整流器8相连接。半波整流器8的输出端与图7中的集成电路U6、电阻R26、R27、R28、电容C28、精密电压基准DV1组成的图4的变指数放大器9相连接。变指数放大器9的输出端与图7中的集成电路U7、电阻R29、R30、电容C33组成的图4的门限检测器10相连接。门限检测器10的输出端与图7中的集成电路U8、电阻R31、R32、R33、R34、电容C36、晶体管Q1组成的图4的微分和过零检测器11相连接，其中的晶体管Q1、电阻R33、R34为微分和过零检测器连接单片机外部中断1的光电隔离电路。微分和过零检测器11的输出端与图8中的集成电路U10、U11、U12、电容C48、C49、电阻R35、晶振Y1组成的图4的单片机12外部中断1端口相连接，其中的集成电路U10为单片机的看门狗电路，集成电路U11、电阻R35为单片机外部中断1连接微分和过零检测器的光电隔离电路。单片机12的一组I/O端口与图8中的集成电路U13、U14、电阻R36、R37、R38、R39、晶体管Q2、Q3组成的图4的数模转换器13相连接。数模转换器13的输出端与图4的加热器2相连接。控制计算机15的RS232串口通过图8中的集成电路U9、电容C41、C42、C43、C44组成的图4的通讯接口电平转换器14与单片机12的串行口相连接。控制计算机15选用便于携带的微型笔记本电脑(如没有RS232串口可另配USB-RS232转换器)。

未说明的电容均为电源旁路电容，集成电路：U1型号为CS3301A，U2型号为INA114，U3型号为OPA227，U4、U5型号为AF100-2CJ，U6型号为VCA810，U7型号为LM160，U8型号为LM161，U9型号为MAX232，U10型号为DS1232，U11型号为6N137，U12型号为AT89C52，U13型号为DAC7611，U14型号为OP07。二极管：D1型号为1N60P，晶体管：Q1型号为2N3906，Q2型号为2SK30A，Q3型号为2SD2495。

伤口误差修正参数可用“Theory and Practical Application of Heat Pulse toMeasure Sap Flow，Steve Green et al，Agronomy Journal，Vol.95，p1371-1379，2003”一文中，表5(Table 5)的数据。

Claims

1.一种T-max植物茎流测量方法，其特征在于：在要测量茎流的植物茎干(1)上安装加热器(2)，在植物茎干(1)上位于茎流下游距加热器(2)的距离X_D处安装检测温度传感器(3)，在茎流上游或下游不受热脉冲影响的植物茎干(1)上安装补偿温度传感器(4)，检测温度传感器(3)和补偿温度传感器(4)组成温差检测器，加热控制器(16)在控制安装于植物茎干(1)上的加热器(2)发射加热植物茎干(1)的热脉冲后，清零并启动计时器(17)，温差检测器采集到的温差信号送入前置放大器(5)，经前置放大器(5)进行低噪声低漂移初步放大后送入增益放大器(6)，经增益放大器(6)进一步放大后送入低通滤波器(7)，经低通滤波器(7)滤除温差信号带外高频信号后送入半波整流器(8)，经过半波整流后送入变指数放大器(9)，进行非均匀放大，在不改变温差信号峰值点相对时间位置的情况下，使温差信号曲线峰值点更加突出明显，峰值点两侧更加陡峭，经变指数放大后送入门限检测器(10)，区分并剔除干扰信号，避免误动作，经门限检测后送入微分和过零检测器(11)，找出温差信号的峰值点，在该峰值点上关闭计时器(17)，计时器(17)所记录的时间就是T-max植物茎流测量方法必须检测的t_M值，将t_M值和X_D值代入T-max植物茎流测量方法计算公式，计算植物茎流速率V_S。

2.一种T-max植物茎流测量装置，包括安装在植物茎干(1)上的加热器(2)、安装在植物茎干(1)上位于茎流下游距加热器(2)的距离X_D处的检测温度传感器(3)、安装在茎流上游或下游不受热脉冲影响的植物茎干(1)上的补偿温度传感器(4)、前置放大器(5)、增益放大器(6)、低通滤波器(7)、半波整流器(8)、变指数放大器(9)、门限检测器(10)、微分和过零检测器(11)、单片机(12)、数模转换器(13)、通讯接口电平转换器(14)、控制计算机(15)，其特征在于：由安装在植物茎干(1)上位于茎流下游距加热器(2)的距离X_D处的检测温度传感器(3)和安装在茎流上游或下游不受热脉冲影响的植物茎干(1)上的补偿温度传感器(4)组成温差检测器，温差检测器的输出端与前置放大器(5)相连接，前置放大器(5)的输出端与增益放大器(6)相连接，增益放大器(6)的输出端与低通滤波器(7)相连接，低通滤波器(7)的输出端与半波整流器(8)相连接，半波整流器(8)的输出端与变指数放大器(9)相连接，变指数放大器(9)的输出端与门限检测器(10)相连接，门限检测器(10)的输出端与微分和过零检测器(11)相连接，微分和过零检测器(11)的输出端与单片机(12)的外部中断1端口相连接，控制计算机(15)通过通讯接口电平转换器(14)与单片机(12)的串行口相连接，单片机(12)的一组I/O端口与数模转换器(13)的数字输入端相连接，数模转换器(13)的模拟输出端与安装在植物茎干(1)上的加热器(2)相连接。

3.根据权利要求2所述的一种T-max植物茎流测量装置，其特征在于：所述的变指数放大器(9)包含有型号为VCA810的集成电路或VCA810的替代型号集成电路。