CN101971726B

CN101971726B - 基于阻抗频谱的豆类种子发芽力测量装置

Info

Publication number: CN101971726B
Application number: CN 201010264289
Authority: CN
Inventors: 侯瑞锋; 王成; 潘大宇; 乔晓军; 高权
Original assignee: Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture
Current assignee: Nongxin (Nanjing) Intelligent Agricultural Research Institute Co., Ltd
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2030-08-26
Also published as: CN101971726A

Abstract

本发明提供了一种基于阻抗频谱的豆类种子发芽力测量装置，包括：信号发生单元，扫频输出具有相同频率、幅值和相位的激励信号和参考信号；夹持单元，包括用于固定待测种子的固定件和设置在待测种子两侧的电极，输出表征待测种子在所述激励信号下阻抗特性的阻抗检测信号；阻抗频谱检测单元，检测扫频范围内不同频率的参考信号和相对应的阻抗检测信号之间的幅值比和相位差，由其计算得到阻抗检测信号的幅值和相位，由此生成扫频范围内待测种子的阻抗分布曲线，提取特征参数后获得待测种子的发芽力。该装置在不破坏待测种子的情况下，快速判断种子的发芽能力，极大程度地节省了人力、物力和时间。

Description

基于阻抗频谱的豆类种子发芽力测量装置

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种基于阻抗频谱的豆类种子发芽力测量装置。

背景技术

种子发芽力是指种子在适宜条件下(实验室可控制的条件下)发芽并长成正常植株的能力，通常用发芽势和发芽率表示。发芽势是指发芽试验初期(规定日期内)正常发芽的种子数占供试种子数的百分率；种子发芽率是指发芽试验终期(规定日期内)全部正常发芽种子数占供试种子数的百分率。种子发芽势高，表示种子活力强，发芽整齐，田间出苗一致；种子发芽率高，表示有活力的种子多，播种后出苗率可能高。现有的种子发芽力快速测量方法包括四唑法(TTC法)和电导率法(参见非专利文献：种子发芽率快速测定方法的研究进展，中国种业，2008年，第2期)。

TTC法测定依据为：凡有生命力的种子胚部在呼吸作用过程中都有氧化还原反应，而没有生命活力的胚则无反应；当TTC渗入种子胚的活细胞内，并作为氢受体被脱氢辅酶(NADH2或NADPH2)上的氢还原时，便由无色的TTC变为红色的三苯基甲脂(TTF)。根据该测定依据，将胚被染为红色的种子判断为有发芽能力的活种子，而将胚未被染色的种子判断为不具有发芽能力死种子。TTC染色反应是生物体内的酶促反应，受多种因素的影响，，反应速度较快且结果明显。

电导率法是根据细胞膜的完整性判断发芽能力大小：电导率高的种子发芽率低，电导率低的种子发芽率高。这是因为通常情况下活性高的种子浸水后，一些内含物质通过交换进入水中，使电导率有所提高；但由于各种膜具有选择透性，不允许电解质任意外渗，故随后电导率会达到平衡。当种子衰老后细胞膜的完整性降低，进入水中的化合物也多(包括氨基酸、有机酸、糖及其他离子等)，由于各种质膜均已丧失控制能力，基本破裂，故内含电解质可以源源不断进入水中，使电导率陆续不断上升。

现有的TTC法和电导率法均具有如下缺陷：测量时间较长；测量过程具有不可恢复的破坏性；种子的初始状态以及温度、湿度等一些客观因素会影响实验结果的重复性；容易受操作人员的主观因素影响，误差较大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何克服现有的豆类种子发芽力测量技术中存在的测量不精确、对种子存在破坏性等缺陷。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明的技术方案提供了一种基于阻抗频谱的豆类种子发芽力测量装置，包括：

信号发生单元，扫频输出具有相同频率、幅值和相位的激励信号和参考信号；其中，所述激励信号输出给夹持单元，所述参考信号输出给阻抗频谱检测单元；

夹持单元，包括用于固定待测种子的固定件和设置在待测种子两侧的电极，输出表征待测种子在所述激励信号下的阻抗特性的阻抗检测信号给阻抗频谱检测单元；

阻抗频谱检测单元，检测扫频范围内不同频率的参考信号和相对应的阻抗检测信号之间的幅值比和相位差，由其计算得到所述阻抗检测信号的幅值和相位，由此生成扫频范围内待测种子的特征阻抗分布曲线，提取所述特征阻抗的特征参数后获得待测种子的发芽力。

其中，所述特征参数为所述特征阻抗的等效电路中的元件参数。

其中，所述阻抗频谱检测单元进一步包括：

信号检测模块，检测所述参考信号与所述阻抗检测信号的幅值比及相位差，并以电压形式输出给A/D转换模块；

A/D转换模块，采集所述电压形式的幅值比和相位差，并将其转化为数字信号输出给运算模块；

运算模块，对所述数字信号进行处理，计算得到不同频率的激励信号下的阻抗检测信号的幅值和相位，生成扫频范围内的阻抗分布曲线，提取特征参数，获得待测种子的发芽力；

控制模块，对所述信号发生单元和A/D转换模块进行采样控制。

进一步地，所述阻抗频谱检测单元还包括：

FIFO存储模块，用于暂存A/D转换模块输出的数字信号，以在所述控制模块的控制下，在所述运算模块空闲时将所述数字信号输出给所述运算模块。

其中，所述信号检测模块包括对数检波器和相位检波器。

进一步地，所述装置还包括：

信号调理模块，对所述信号发生单元输出的所述激励信号和参考信号进行去杂散、放大处理。

其中，所述信号调理模块通过延时叠加法和相位扰动法实现所述去杂散处理。

其中，所述信号发生单元应使所述扫频范围内的频率转换时间小于2ns。

其中，所述信号发生单元输出的激励信号和参考信号为10KHz～2MHz的频率范围内的正弦波信号。

其中，所述信号发生单元采用直接数字频率合成算法生成所述扫频信号。

(三)有益效果

根据本发明的基于阻抗频谱的豆类种子发芽力测量装置，在不破坏待测种子的情况下，通过电极在种子两端施加扫频信号，测量其阻抗频谱特性，由此快速判断种子的发芽能力，且测量后的种子仍可用于后续检测或生产，极大程度地节省了人力、物力和时间。

附图说明

图1是根据本发明的基于阻抗频谱的豆类种子发芽力测量装置的一个实施例的示意图；

图2是根据本发明的基于阻抗频谱的豆类种子发芽力测量装置的一个实施例的阻抗频谱检测单元示意图。

具体实施方式

本发明提出的基于阻抗频谱的豆类种子发芽力测量装置，结合附图和实施例说明如下。

首先，有必要对本发明的原理进行解释说明。种子细胞由细胞壁和原生质体两部分组成，其中，原生质体由原生质所构成，包括两个主要的电解内含物：液泡和细胞质，它们分别被液泡膜和原生质膜包围；细胞质含有大量由特定膜包围的细胞器，液泡内的水溶性溶液主要含有无机离子和有机酸；电流通过细胞膜时产生电势差，该电势差由细胞膜的有效运输系统和可选择的渗透特性来保持；细胞器具有不同的电学特性；其中，液泡和细胞质类似于电阻器，而细胞膜具有电容特性，因此，细胞的等效电路应当是若干电阻、电容构成的串并联网络。种子发芽能力不一样，它的内部结构即阻抗特性就不一样。阻抗图谱是在一定频段范围内，对测试样品进行扫频得到的阻抗分布曲线。通过对阻抗曲线进行分析，获得其特征参数。特征参数是指种子内部阻抗的等效电路中各个元件的值。种子阻抗的等效电路多为电阻和分布电路串联构成的。这些元件参数跟种子自身结构有很大关系，表征着种子发芽能力的大小。

根据上述原理，本发明的基于阻抗频谱的豆类种子发芽力测量装置包括三大部分：信号发生单元、待测种子夹持单元以及阻抗频谱检测单元。信号发生单元在较宽频段内扫频输出具有相同频率、幅值和相位的激励信号和参考信号，其中，激励信号输出给夹持单元，参考信号直接输出给阻抗频谱检测单元；夹持单元包括用于固定待测种子的固定件和设置在待测种子两侧的电极，该电极可将激励信号引至待测种子，并输出表征待测种子在所述激励信号下的阻抗特性的阻抗检测信号给阻抗频谱检测单元；阻抗频谱检测单元，采集上述参考信号和阻抗检测信号，检测扫频范围内不同频率的参考信号和相对应的阻抗检测信号之间的幅值比和相位差，根据已知的参考信号的频率、幅值和相位计算得到相应的阻抗检测信号的幅值和相位，由此生成扫频范围内待测种子的阻抗分布曲线(即阻抗频谱图)，提取种子等效阻抗电路的各元件参数后获得待测种子的发芽力。此后，上述阻抗分布曲线、特征参数等图像、数据将根据需要输出给至少一个接收端，包括显示屏、PC机或SRAM静态随机存储器。

优选地，本发明中的电极为Ag/AgCl电极，其极化作用非常小，对种子的影响达到可以忽略的程度；将该Ag/AgCl电极放置于待测种子两端时，可通过凝胶使其与种子进行接触，以进一步减小电极对种子的极化作用。

优选地，本发明中的信号发生单元包括采用直接数字频率合成(DDS)算法的FPGA芯片，其能实现宽频段的扫频信号输出；由于DDS算法输出的一般是数字化的正弦波，因此还需经过高速D/A转换器和低通滤波器才能得到一个可用的模拟频率信号；此外，DDS芯片输出的信号不可避免地带有杂散，因此，本发明采用延时叠加法和相位扰动法尽可能地减少杂散。

具体来说，延时叠加法用于抑制频谱中的边带，可以采用两片DAC(数模转换)芯片，对其分别使用相位相反的时钟进行触发，提高输出信噪比；相位扰动技术用于减小相位舍位误差，在相位截断前加入一个均匀分布的随机扰动，把确定性的、有规律的杂散转化成随机的、无规律的相位噪声；经扰动处理后，误差序列编程类白噪声，其能量被均匀分布到更多频率点上，从而大大提高了信噪比。

在实际应用中，即使经过上述处理，DDS信号仍可能出现杂散，因此必须抑制住影响主频谱最为严重的频线；由于DDS芯片输出的是单频正弦波，可以采用衰减性较好的低通椭圆滤波器，椭圆滤波器有非常陡峭的过滤带，能较好地抑制某个频段以上频率的谱线，同时采用锁相环PLL抑制DDS信号中的偏离主谱线较大的杂散。

此外，由于待测种子阻抗值很大，信号比较微弱，需要设计电路对输入待测种子中的激励信号和输出给阻抗频谱检测单元的参考信号进行适当的放大和衰减。

具体实施过程中，信号发生单元在宽频率(10kHz～2MHz)范围内按照对数扫频输出高精度正弦信号波形，同时要求频率转换的时间很短，优选为不超过2ns。

优选地，本发明中的阻抗频谱检测单元可进一步划分为：信号检测模块，检测所述参考信号与所述阻抗检测信号的幅值比及相位差，分别以电压形式输出给A/D转换模块；A/D转换模块，采集所述电压形式的幅值比和相位差，并将其转化为数字信号，输出给运算模块；运算模块，对所述数字信号进行处理，根据上述幅值比和相位差，基于已知的参考信号的频率、幅值和相位，计算得到相应的阻抗检测信号的幅值和相位，由此生成扫频范围内的阻抗分布曲线，提取特征参数，获得待测种子的发芽力，并根据需要输出给接收端；控制模块，对所述信号发生单元、A/D转换模块和其他缓存单元进行采样控制。

优选地，信号检测模块通过对数放大器来检测信号的幅值比和相位差。对数放大器能对两个信号进行对数压缩，并通过精密匹配的两个宽带对数检波器和相位检波器来实现对两输入通道信号的幅度比和相位差的测量。信号测量中，为了使测量相位精确，可以采用高精度的相位检波器CD-552R4。

优选地，可以采用高速A/D芯片MAX120实现信号的采集和模数转换。

优选地，可以选用高速DSP芯片TMS320F240作为本发明的阻抗频谱检测单元的中央处理器(充当运算模块和控制模块)，实时处理采集到的数字信号，获得表征种子发芽能力的各种参数。由于DSP芯片不能实现对数据实时处理的同时还控制整个阻抗频谱检测单元的运作，所以经A/D芯片转换得到的数据先进入FIFO(First Input FirstOutput)存储器中，FIFO中的数据在DSP芯片空闲时再传给DSP进行运算和处理。具体来说，该DSP芯片充当控制模块时，通过串口将控制字写入信号发生单元，控制其发生的频率范围、频率间的转换时间、频率的滞留时间和信号幅度大小；发出信号启动或者停止A/D转换，同时控制FIFO数据缓存的读写操作。

如图1所示，本发明的基于阻抗频谱的豆类种子发芽力测量装置的一个实施例包括：测量线缆1、螺杆装置2、固定架3、挡板4、Ag/AgCl电极5、玻璃管6和接地线缆8。测量对象为豆类种子7，其由螺杆装置2、固定架3、挡板4和玻璃管6组成的夹具固定，Ag/AgCl电极5设置于玻璃管6两侧，玻璃管6通过前端的凝胶与种子7接触，以进一步减小电极对种子的极化作用，同时使电极与玻璃管以及玻璃管与凝胶的接触面积一致，均为玻璃管6的内径。由于凝胶本身有一定的粘度，可以在测量时间段内粘住很轻的豆类种子7，不需要再另加装置防止被测对象在垂直方向的移动。测量电缆1连接信号发生单元(未示出)，而信号发生单元连接阻抗频谱检测单元(未示出)。测量时，水平移动固定架3上的挡板4以粗调Ag/AgCl电极5的水平位置；再转动螺杆装置2以微调Ag/AgCl电极5的水平位置，使之和待测种子7充分接触；测量准备就绪后即可开启信号发生单元。

如图2所示，阻抗频谱检测单元进一步包括信号检测模块、高速A/D模块、FIFO存储器和DSP芯片。DSP是整个单元的控制核心，实现着对信号发生单元源(控制其输出频率)、A/D模块(采样控制)、FIFO存储模块的控制。本实施例中的信号发生单元采用FPGA芯片实现DDS算法，同时采用延时叠加法和相位扰动法去除杂散；再经过低通椭圆滤波和锁相环滤波后输出到后续环节。信号检测模块中，对数检波器比较参考信号和经过待测种子之后的激励信号(即前述阻抗检测信号)的幅值比，高精度的相位检波器获得上述两个信号的相位差；信号检测模块将该幅度比和相位差以电压形式输出给高速A/D芯片；FIFO和DSP构成高速采集系统；由于参考信号的幅值和相位是知晓的，DSP芯片可以根据已知值和差值计算得到阻抗检测信号的幅度A和相位θ，从而获得待测种子的阻抗：

Z＝A(cosθ+jsinθ)

Z＝R+jX

其中，R是阻抗的实部，X是阻抗的虚部。

在一定频率范围(100Hz～8MHz)下扫频得到不同频率的阻抗，将阻抗的实部作为横轴，虚部作为纵轴就得到在不同频率下X随着R的变化曲线，即阻抗图谱。Core-core理论表明其变化曲线等效于电阻和分布电路的组合。通过对等效电路的分析，提取能区分出豆类种子发芽力大小的电容、电阻参数，即可获得小麦种子的发芽能力。此后DSP芯片将各频率下的阻抗值和种子能否发芽的信息传输给SRAM、PC机或显示屏，根据需要进行存储或显示。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种基于阻抗频谱的豆类种子发芽力测量装置，其特征在于，所述装置包括：

阻抗频谱检测单元，检测扫频范围内不同频率的参考信号和相对应的阻抗检测信号之间的幅值比和相位差，由其计算得到所述阻抗检测信号的幅值和相位，由此生成扫频范围内待测种子的特征阻抗分布曲线，提取所述特征阻抗的特征参数后获得待测种子的发芽力；

所述阻抗频谱检测单元进一步包括：

2.如权利要求1所述的基于阻抗频谱的豆类种子发芽力测量装置，其特征在于，所述特征参数为所述特征阻抗的等效电路中的元件参数。

3.如权利要求1所述的基于阻抗频谱的豆类种子发芽力测量装置，其特征在于，所述阻抗频谱检测单元还包括：

4.如权利要求1所述的基于阻抗频谱的豆类种子发芽力测量装置，其特征在于，所述信号检测模块包括对数检波器和相位检波器。

5.如权利要求1所述的基于阻抗频谱的豆类种子发芽力测量装置，其特征在于，所述装置还包括：

6.如权利要求5所述的基于阻抗频谱的豆类种子发芽力测量装置，其特征在于，所述信号调理模块通过延时叠加法和相位扰动法实现所述去杂散处理。

7.如权利要求1所述的基于阻抗频谱的豆类种子发芽力测量装置，其特征在于，所述信号发生单元应使所述扫频范围内的频率转换时间小于2ns。

8.如权利要求1所述的基于阻抗频谱的豆类种子发芽力测量装置，其特征在于，所述信号发生单元输出的激励信号和参考信号为10KHz～2MHz的频率范围内的正弦波信号。

9.如权利要求1所述的基于阻抗频谱的豆类种子发芽力测量装置，其特征在于，所述信号发生单元采用直接数字频率合成算法生成所述扫频信号。