CN102169008B - 一种农作物生物量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种农作物生物量测量装置和方法，通过对位于平行板电容器中的被测农作物样品施加扫频电场，测量其在一定温度、湿度条件下的介电特性，并通过建立介电常数、衰减系数与农作物生物量的相关模型，来完成对农作物生物量的检测。本发明可在不收割农作物的情况下，快速测量单株或多株农作物的生物量；本发明装置简单便携，适合于田间应用，极大程度节约了人力、物力和时间，进一步，本发明还可改造为在线连续农作物生物量监测系统，对田间农作物生物量进行连续监测。

Description

一种农作物生物量测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种农作物生物量的快速测量方法，特别是涉及一种基于介电频谱的农作物生物量快速测量方法。

背景技术

生物量(biomass)，或对植物专称植物量(phytomass)，是指某一时刻单位面积内实存生活的有机物质(干重)总量或鲜重总量，通常用kg/m²或t/ha表示。生物量的测定在农作物栽培和育种过程中具有重要意义。在农作物精细育种中，单株作物的生物量值可帮助育种学家了解作物的生长状态和光合作用效率，以获得优势作物类型；在农作物栽培过程中，通过作物的生物量测量，可推断作物长势，及时作出施肥、灌溉等决策。

现有的生物量测量方法是收割法(参见非专利文献：植被生物量的研究进展，西北农林科技大学学报(自然科学版)，36卷，第2期，175-182页)，其测量过程为：将测量目标收割后，直接称其鲜重；再将作物在60℃-80℃烘箱中烘干24小时-72小时至恒重，以测量其干重。

现有技术可以对农作物的生物量进行测定，但其有如下缺陷：(1)不能在体对农作物生物量进行测量；(2)测量过程具有不可恢复的破坏性；(3)需对测量样本进行烘干处理，耗时长；(4)收割过程浪费大量的人力；(5)由于是破坏性取样，故不适合时间上的动态观测研究。

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：克服现有技术中需收割、烘干、称重测量农作物生物量的缺陷，实现对农作物生物量的在体、非损伤实时在线测量。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种农作物生物量测量装置，其包括：

箱体，其一面设置为开口状，内部放置被测农作物样品；

平行板电容器，设置在所述箱体相对的两个面上；

信号发生模块，其两极分别与所述箱体两个面上的平行板电容器相连；

温湿度传感器，设置在所述箱体顶部；

信号调理与测量电路模块，分别与所述信号发生模块、所述平行板电容器和所述温湿度传感器连接。

上述农作物生物量测量装置中，所述信号调理与测量电路模块包括：

电压调节电路单元，与所述信号发生模块连接，对所述信号发生模块产生的信号电压进行放大；

信号调理电路单元，与所述平行板电容器连接，对所述平行板电容器的响应电压进行幅度转换以及模拟滤波；

数据采集单元，分别与所述信号调理电路单元和所述信号发生模块连接，采集所述信号调理电路单元模拟滤波后的模拟信号和所述信号发生模块产生的激励信号；

中央处理器单元，分别与所述数据采集单元和所述温湿度传感器连接，根据所述数据采集单元采集的信号和所述温湿度传感器所测的被测农作物样品的温度值，确定被测农作物样品的生物量。

上述农作物生物量测量装置中，所述平行板电容器周边设置有屏蔽层，平行板电容器与屏蔽层之间由绝缘材料隔开。

上述农作物生物量测量装置中，所述平行板电容器为铝板，所述屏蔽层为铜丝。

本发明还提供了一种基于上述测量装置的农作物生物量测量方法，其包括以下过程：

S1：由信号发生模块产生两路激励信号，分别传送给平行板电容器和信号调理与测量电路模块；

S2：所述平行板电容器将所接收的激励信号形成扫频激励电压，使箱体内的被测农作物样品周围激发扫频电场；

S3：所述信号调理与测量电路模块的信号调理电路单元对所述平行板电容器的响应电压进行幅度转换以及模拟滤波；

S4：所述信号调理与测量电路模块的数据采集单元采集所述信号调理电路单元输出的信号，获得所述扫频电场中被测农作物样品的介电常数和衰减系数，并传送至所述信号调理与测量电路模块的中央处理器单元；

S5：所述中央处理器单元根据所述信号发生模块产生的激励信号和所述数据采集单元传送的信号、以及温湿度传感器所获得的被测农作物样品的温湿度信号，获得介电常数和衰减系数与被测农作物样品的生物量的关系，依此来确定被测农作物样品的生物量。

上述农作物生物量测量方法中，所述过程S1中，所述信号发生模块采用直接数字频率合成芯片产生交流激励信号。

上述农作物生物量测量方法中，所述过程S4中，被测农作物样品的介电常数的获得方法具体为：

(1)将被测农作物样品及其周围的空气等效为一个等效电路，其中所述信号发生模块产生的激励信号作为扰动函数，所述平行板电容器的响应电压作为响应信号；

(2)根据所述扰动函数和响应信号建立频响函数，作为所述等效电路的阻抗；

(3)根据所述等效电路的阻抗的实部、虚部、模值和相位角，获得被测农作物样品的介电常数。

上述农作物生物量测量方法中，所述过程S4中，被测农作物样品的衰减系数的获得方法具体为：

(1)确定所述箱体内未放置被测农作物样品的扫频电场的衰减系数K_test；

(2)确定所述箱体内放置被测农作物样品的扫频电场的衰减系数K_space；

(3)确定被测农作物样品的衰减系数K_sample＝K_test-K_space。

上述农作物生物量测量方法中，所述过程S5中，确定被测农作物样品(7)的生物量的具体过程为：

(1)使用若干个质量互不相等的盛水容器作为水样本置于箱体内，在100-700KHZ频段内进行扫频测量，获得分辨所述若干个水样本的频率点；

(2)在所获得的频率点处，将被测农作物样品置于箱体内进行扫频测量，获得此时的衰减系数；

(3)依次切割掉被测农作物样品的一部分，并获得相对应的衰减系数，同时对每次所切割掉的部分被测农作物样品进行烘干称重；

(4)结合所获得的生物量干重及其对应的衰减系数，以及温湿度传感器测得的被测农作物样品的温湿度值，建立农作物生物量与衰减系数的关系，从而确定被测农作物样品的生物量；

(5)根据所测的介电常数、以及所建立的衰减系数与被测农作物样品的生物量的关系，获得介电常数和衰减系数与被测农作物样品的生物量关系，以此来确定被测农作物样品的生物量。

(三)有益效果

上述技术方案具有如下优点：通过在被测样品周围施加扫频电场，测量其介电特性的方式，本发明可在不收割农作物的情况下，快速测量单株或多株农作物的生物量(干重和鲜重)；本发明装置简单便携，适合于田间应用，极大程度节约了人力、物力和时间，进一步，本发明还可改造为在线连续农作物生物量监测系统，对田间农作物生物量进行连续监测。

附图说明

图1是本发明农作物生物量测量装置示意图；

图2是本发明农作物生物量测量装置原理图；

图3是本发明农作物生物量测量中阻抗分析装置原理图。

其中，1：箱体；2：测量线缆；3：信号发生模块；4：信号调理与测量电路模块；5：接地线缆；6：平行板电容器；7：被测农作物样品；8：温湿度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提供的基于介电频谱特性的农作物在体生物量测量装置和方法，其测量机理为：植物体中氢原子的状态与生物量有直接联系。以离子形式存在的氢元素，与植物体内的水分成线性关系；而扣除水分后的氢含量，可以直接反应植物的干重，即其有机成分。介电特性是指分子中的束缚电荷对外加电场的响应特性。物质的介电参数不是恒值，它们受频率、温度、极化特性、压力、材料组成成分、分子结构等因素的影响。因此，当将介电特性与农作物的含氢量相联系时，可以利用介电参数获得农作物的生物量。

图1和图2分别示出了本发明测量装置的示意图和原理图。如图所示，农作物生物量测量装置主要包括：箱体1，平行板电容器6，信号发生模块3，信号调理与测量电路模块4以及温湿度传感器8。箱体1一端开口，其相对的两侧设置平行板电容器6，顶部设置温湿度传感器8，信号发生模块3通过测量线缆2与平行板电容器6两极相连，信号调理与测量电路模块4通过接地线缆5分别与与信号发生模块3、平行板电容器6和温湿度传感器8连接。信号调理与测量电路模块4包括：电压调节电路单元，与信号发生模块3连接，对信号发生模块3产生的信号电压进行放大；信号调理电路单元，与平行板电容器6连接，对平行板电容器6的响应电压进行幅度转换以及模拟滤波；数据采集单元，分别与信号调理电路单元和信号发生模块3连接，采集信号调理电路单元模拟滤波后的模拟信号和信号发生模块3产生的激励信号；中央处理器单元，分别与数据采集单元和温湿度传感器8连接，根据数据采集单元采集的信号和温湿度传感器8所测的被测农作物样品的温度值，确定被测农作物样品的生物量。

其中，平行板电容器6是将薄板型材料夹在两个电极之间形成的电容器，处于正常生长状态的被测农作物样品7被置于平行板电容器6中，并影响电容器的介电常数和衰减因数。信号发生模块3在平行板电容器6两端形成扫频激励电压，从而在被测农作物样品7的周围激发扫频电场。

信号发生模块3即激励信号源采用直接数字频率合成(DDS)芯片产生交流激励信号。在被测农作物样品7周围形成频率变化的电场后，信号调理与测量电路模块4的信号调理电路单元对平行板电容器6的响应电压进行转换调理。经高带宽、低噪声的结型场效应管型输入缓冲器、增益1-64可变的程控放大器将信号转换为幅度为1V左右的信号，并进行模拟滤波。接着，数据采集单元对调理后的模拟信号进行高速数据采集。信号发生模块3选用现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)来产生激励信号，FPGA在产生激励信号的同时同步产生数字定时信号作为模数转换器(ADC)的触发信号。中央处理器单元选用高速数字信号处理器(Digital SignalProcessing，DSP)芯片，实时处理采集到的数字信号。同时，温湿度传感器8实时测量平行板电容器6中被测农作物样品7的温度，并将数字化的温度值发送到中央处理器单元。在测量过程中，中央处理器单元协调各部分运作，实时处理数据，获得被测农作物样品7生物量数值。

在上述技术方案中，信号发生模块3在一定频率范围内，扫频输出高精度信号波形，以便在平行板电容器6两端形成扫频电场；信号调理与测量电路模块4在扫频电场中，对响应电压进行转换调理，输出可被ADC采集的电压信号，并可得到扫频电场中的介电常数和衰减系数；作为中央处理器的DSP芯片实时处理ADC采集到信号，经计算得到衰减量的值，由实验得到的衰减量和生物量的测量关系得到被测农作物样品7的生物量(干重和鲜重)。

本发明方法所依据的理论依据包括，在300-700KHZ的频段中的每一个频率点，均可测量电容器的介电常数ε。同时，信号发生模块3形成的激发电场经过被测农作物样品7后会有衰减效应。如果定义E₀为初始激发电场，E_(z)为终端测得电场，那么，可以得到电场的衰减系数K：

$K=20\lg \left(\frac{E_0}{E_{\left(z\right)}}\right)$

在本发明方法中，电场经过被测农作物之后测得的衰减系数K_test由电容器本身的衰减系数K_space和农作物样品的衰减系数K_sample共同决定，即存在如下关系：

K_sample＝K_test-K_stpace

其中，K_space数值在电容器空载时测量得到，因此，可实时得到被测农作物样品7的衰减系数K_sample，并计算该衰减系数与小麦的生物量数值的关系。通过实验，可以建立衰减系数和生物量的模型。实验前期，选用若干个盛水容器的水样本在上述装置中进行测试，本实施例中选用101.3g、182.5g、270.6g、350.3g的水样本(水和容器)放置在平行板电容器6中心位置进行测试，选定100-700KHZ频段进行扫频测量，找到可以明显分辨四个不同水样本的频率点，在该频率点，不同的水样本测试得到的衰减系数K和它有明显的对应关系。然后，在这个频率点上开始建模的过程：首先，取整株样本植物称重为M，然后放置在电容器的中心位置进行测试，得到此时的衰减系数K1，并记录温湿度等信息；其次，样本植物割去一定重量m_-1后，同样放在电容器的中心位置进行测试，得到此时的衰减系数K2；然后，再次割去植物样本一块，称重m_-2，放在电容器中测试得到此时的衰减系数K3；以此类推，对样本植物割11次，最后一次将样本植物全部割完，每割一次将割去的样本植物部分放在天平上称重，同时测试此时割完后样本植物的衰减系数K，同时记录这时的温湿度数值；可以用如下的表1来表示衰减系数和重量之间的对应关系。

表1

割取植物样本次数	植物样本生物量	衰减系数
			完整样本植物	M	K1
第1次割去m-1	M-m-1	K2
			第2次割去m-2	M-m-1-m-2	K3
第3次割去m-3	M-m-1-m-2-m-3	K4
			第4次割去m-4	M-m-1-m-2-m-3-m-4	K5
5	M-m-1-m-2-m-3-m-4-m-5	K6
			6	、、、、、、	K7
7	、、、、、、	K8
			8	、、、、、、	K9
9	、、、、、、	K10
			10	、、、、、、	K11
11	m	K12
			割完	m0	K

对表1中样本植物割去的各个部分进行烘干，也可以得到生物量干重和衰减系数、水分含量和衰减系数的对应关系，实验选取100个样本植物用进行测试，建立植物生物量和衰减系数的关系：M＝aK+b，a和b分别为该关系式中的相关因子。

根据上述农作物生物量和衰减系数的关系，可以建立农作物介电常数和生物量的关系，从而可以实现在实时测量农作物介电常数的同时，由所建立的关系获得农作物的生物量。

下面以小麦为例，描述基于介电频谱的小麦生物量测量装置和方法，其测量装置的结构如图1所示，原理图如图2所示，阻抗分析装置如图3所示。该装置包括以下部分：箱体1、测量线缆2、信号发生模块3，信号调理与测量电路模块4、接地线缆5、平行板电容器6、被测农作物样品7、温湿度传感器8。

箱体1用于固定平行板电容器6和温湿度传感器8，温湿度传感器8固定在箱体顶部。

被测农作物样品7为活体小麦植株，以盆栽方式置于平行板电容器中央。在施加空间交频激励电场后，被测农作物样品7处于交变的电场中。

所采用得平行板电容器6为两块铝板，测试过程中，两块铝板分别与信号发生模块3的两级相接。铝板与装置的其他部分绝缘，当系统工作时，两极铝板向其中间的自由空间施加交频激励电场；为了屏蔽外界电信号的干扰，在铝板的周边加上屏蔽层，屏蔽层采用细铜丝沿铝板周边包一圈，屏蔽层和铝板间用绝缘材料隔开。

由于空间温度和湿度会影响样品的频率响应，所以将温湿度传感器8嵌于箱体1上。测试过程中，平行板电容器6间的温度和湿度数值被采集，并用以对测试结果进行校准。

信号调理与测量电路模块4对温湿度传感器8输出的模拟信号进行滤波、放大，并对信号发生模块3产生的信号进行放大；中央处理器单元用于对测试系统整体进行控制，协调各部分运作。

信号发生模块3产生两路标准信号，其中一路通过待测小麦植株后，信号幅度、相位均发生改变；经过幅相检测模块以后，输出两路信号的幅度比和相位差；AD转换后，作为DSP模块的输入信号，在DSP模块中添加相应的算法，计算出实验需要的一系列参数，在PC机控制界面上显示。

信号发生模块3施加一个频率不同的小振幅的交流正弦电势波，测量交流电势与电流信号的比值(系统的阻抗)随正弦波频率ω的变化，或者是阻抗的相位角

随ω的变化。本实施例中，交流正弦电势波的幅度为20mV。

将测试样品和期间的空气看作是一个等效电路，这个等效电路是由电阻(R)、电容(C)、电感(L)等基本元件按串联或并联等不同方式组合而成，通过交频激励和介电频谱分析，可以测定等效电路的构成以及各元件的大小，利用这些元件的电化学含义，来分析样品的生物量信息。

系统进行测试时，信号发生系统产生一个激励信号，即对测试样本输入一个扰动函数X，系统输出一个响应信号Y。响应信号Y被信号测量系统获得。通过扰动函数X和响应信号T之间的关系，可以获得传输函数G(ω)，用以描述扰动与响应之间关系。

G(ω)＝Y/X

如果X为角频率为ω的正弦波电流信号，则Y即为角频率也为ω的正弦电势信号，此时，传输函数G(ω)也是频率的函数，称为频响函数，这个频响函数为系统的阻抗(impedance)，用Z表示。

如果X为角频率为ω的正弦波电势信号，则Y即为角频率也为ω的正弦电流信号，此时，频响函数G(ω)为系统的导纳(admittance)，用Y表示。

阻抗和导纳互为倒数关系，Z＝1/Y。

阻纳G是一个随ω变化的矢量，可以用角频率ω的复变函数来表示，即：

G(ω)＝G′(ω)+jG″(ω)

其中，G′(ω)为实部，G″(ω)为虚部。

若G为阻抗，则有：Z＝Z′+jZ″。

阻抗Z的模值为：|Z|＝Z′²+Z″²。

阻抗的相位角φ为：

本系统工作时，测量模块测定不同频率ω下的扰动信号X和响应信号Y的比值，得到不同频率下阻抗的实部Z′、虚部Z″、模值|Z|和相位角φ，然后将这些量绘制成各种形式的曲线，就得到活体小麦样本的介电频谱。

通过对阻抗频谱进行自动分析处理，提取特征信息，结合介电常数与小麦生物量的关系，即可获得活体小麦的生物量信息。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种农作物生物量测量装置，其特征在于，包括：

箱体(1)，其一面设置为开口状，内部放置被测农作物样品(7)；

平行板电容器(6)，设置在所述箱体(1)相对的两个面上；

信号发生模块(3)，其两极分别与所述箱体(1)两个面上的平行板电容器(6)相连；

温湿度传感器(8)，设置在所述箱体(1)顶部；

信号调理与测量电路模块(4)，分别与所述信号发生模块(3)、所述平行板电容器(6)和所述温湿度传感器(8)连接；

所述信号调理与测量电路模块(4)包括：

电压调节电路单元，与所述信号发生模块(3)连接，对所述信号发生模块(3)产生的信号电压进行放大；

信号调理电路单元，与所述平行板电容器(6)连接，对所述平行板电容器(6)的响应电压进行幅度转换以及模拟滤波；

数据采集单元，分别与所述信号调理电路单元和所述信号发生模块(3)连接，采集所述信号调理电路单元模拟滤波后的模拟信号和所述信号发生模块(3)产生的激励信号；

中央处理器单元，分别与所述数据采集单元和所述温湿度传感器(8)连接，根据所述数据采集单元采集的信号和所述温湿度传感器(8)所测的被测农作物样品(7)的温度值，确定被测农作物样品(7)的生物量。

2.如权利要求1所述的农作物生物量测量装置，其特征在于，所述平行板电容器(6)周边设置有屏蔽层，平行板电容器(6)与屏蔽层之间由绝缘材料隔开。

3.如权利要求2所述的农作物生物量测量装置，其特征在于，所述平行板电容器(6)为铝板，所述屏蔽层为铜丝。

4.一种基于权利要求1-3中任一项所述的测量装置的农作物生物量测量方法，其特征在于，包括以下过程：

S1：由信号发生模块(3)产生两路激励信号，分别传送给平行板电容器(6)和信号调理与测量电路模块(4)；

S2：所述平行板电容器(6)将所接收的激励信号形成扫频激励电压，使箱体(1)内的被测农作物样品(7)周围激发扫频电场；

S3：所述信号调理与测量电路模块(4)的信号调理电路单元对所述平行板电容器(6)的响应电压进行幅度转换以及模拟滤波；

S4：所述信号调理与测量电路模块(4)的数据采集单元采集所述信号调理电路单元输出的信号，获得所述扫频电场中被测农作物样品(7)的介电常数和衰减系数，并传送至所述信号调理与测量电路模块(4)的中央处理器单元；

S5：所述中央处理器单元根据所述信号发生模块(3)产生的激励信号和所述数据采集单元传送的信号、以及温湿度传感器(8)所获得的被测农作物样品(7)的温湿度信号，获得介电常数和衰减系数与被测农作物样品(7)的生物量的关系，依此来确定被测农作物样品(7)的生物量。

5.如权利要求4所述的农作物生物量测量方法，其特征在于，所述过程S1中，所述信号发生模块(3)采用直接数字频率合成芯片产生交流激励信号。

6.如权利要求4所述的农作物生物量测量方法，其特征在于，所述过程S4中，被测农作物样品(7)的介电常数的获得方法具体为：

(1)将被测农作物样品(7)及其周围的空气等效为一个等效电路，其中所述信号发生模块(3)产生的激励信号作为扰动函数，所述平行板电容器(6)的响应电压作为响应信号；

(2)根据所述扰动函数和响应信号建立频响函数，作为所述等效电路的阻抗；

(3)根据所述等效电路的阻抗的实部、虚部、模值和相位角，获得被测农作物样品(7)的介电常数。

7.如权利要求4所述的农作物生物量测量方法，其特征在于，所述过程S4中，被测农作物样品(7)的衰减系数的获得方法具体为：

(1)确定所述箱体(1)内未放置被测农作物样品(7)的扫频电场的衰减系数K_test；

(2)确定所述箱体(1)内放置被测农作物样品(7)的扫频电场的衰减系数K_space；

(3)确定被测农作物样品(7)的衰减系数K_sample＝K_test-K_space。

8.如权利要求7所述的农作物生物量测量方法，其特征在于，所述过程S5中，确定介电常数和衰减系数与被测农作物样品(7)的生物量关系的具体过程为：

(1)使用若干个质量互不相等的盛水容器作为水样本置于箱体(1)内，在100-700KHZ频段内进行扫频测量，获得分辨所述若干个水样本的频率点；

(2)在所获得的频率点处，将被测农作物样品(7)置于箱体(1)内进行扫频测量，获得此时的衰减系数；

(3)依次切割掉被测农作物样品(7)的一部分，并获得相对应的衰减系数，同时对每次所切割掉的部分被测农作物样品(7)进行烘干称重；

(4)结合所获得的生物量干重及其对应的衰减系数，以及温湿度传感器(8)测得的被测农作物样品(7)的温湿度值，建立农作物生物量与衰减系数的关系，从而确定被测农作物样品(7)的生物量；

(5)根据所测的介电常数、以及所建立的衰减系数与被测农作物样品(7)的生物量的关系，获得介电常数和衰减系数与被测农作物样品(7)的生物量关系，以此来确定被测农作物样品(7)的生物量。

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