CN102590279A - 介电式植物茎流检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种植物茎流检测装置，公开了一种非侵入式的介电式植物茎流检测装置，该检测装置包括：包裹带，所述包裹带包裹被测茎秆；嵌入所述包裹带内的传感器电极，所述传感器电极感应茎秆含水量变化；与所述传感器电极连接的信号调节单元，所述信号调节单元将传感器电极感应到的茎秆含水量变化转换成输出电压的变化；与所述信号调节单元连接的数据采集单元，所述数据采集单元采集所述信号调节单元的电压信号。本发明采用内设传感器电极的包裹带对植物茎流进行非侵入式的检测植物茎流量，消除了对植物的生理过程造成不良的影响，避免了对植物茎秆造成的伤害。进一步地，采用具有弹性的包裹带，确保了传感器电极和茎秆之间的紧密接触。

Description

介电式植物茎流检测装置
技术领域
本发明涉及一种植物茎流检测装置，特别是涉及一种非侵入式的介电式植物茎流检测装置。
背景技术
水是维系植物生存的基本要素之一。就农业而言，水是作物生长的命脉，是保障我国粮食生产实现稳产与增产的基本前提条件。然而我国是一个干旱缺水严重的国家，淡水资源总量为28000亿立方米，仅占全球水资源的6％。而我国每年农业用水约占当年用水总量的62％。与发达国家农业灌溉用水有效利用率相比(利用系数约0.7-0.8)，我国农业用水效率不高的现象非常突出，除黄河流域部分地区水资源有效利用系数接近0.6以外，大部分地区仅为0.48。因此，水资源的高效合理利用是现代农业生产中非常重要的任务。实现节水农业，首当其冲的是植物生理需水信息的准确获取。长期以来，人们一直将土壤水分作为控制农作物灌溉的指标，但它并不能直接反映作物的需水情况，并且有滞后、精度低等缺点。因而，寻求一种直接反映植物需水信息的指标，以实现及时、适量灌溉，十分必要。
茎流指蒸腾作用在植物体内引起的上升液流。土壤液态水进入根系后，通过茎输导组织向上运送到达冠层，经由气孔蒸腾转化为气态水扩散到大气中去。根部吸收的水分有99.8％以上消耗在蒸腾作用上。通过精确测算茎流量，可以基本确定植株蒸腾失水量。植物茎流的测定对于建立土壤-植物-大气连续体模型，以及探讨区域性农田水分供需规律，验证抑蒸节水措施等都具有重要意义。对于科学研究领域来说，茎流测定技术提供了一种田间直接测定蒸腾的精确手段；对现代化农业生产来说，茎流作为一种水分生理指标，比土壤水分更适用于监视作物的生理过程，指导农田精量灌溉。
目前植物茎流测定主要是热学测量方法，可分为热脉冲法、热平衡法和热扩散法。
热脉冲法(Heat Pulse Method)是德国的Huber于1932年最先提出的。此后经过许多学者对所采用的方法及设备的不断改进，才逐渐开始在植物水分问题研究中使用。使用时在茎杆的某一处插入一个加热器热源，同时再在热源一定距离的上方插入一个热探测器。热脉冲随蒸腾流从热源传输到探测器所需的时间是可以测定出来的。据此，再根据茎杆中起传输水流作用的组织的截面的大小，可以通过对流与扩散理论建立的热在茎中传输的方程而将水流通量计算出来。
热平衡法(Heat Balance Method)理论最初见于上世纪70年代，在1981至1988年间被Baker，Van Babel以及Sakuratani等人通过田间试验证实。热平衡法又包括茎部热平衡法(Stem Heat BalanceMethod)和树干热平衡法(Tissue Heat Balance Method)。其中茎部热平衡法是将一个加热套包裹在茎杆外部并连续加热茎秆，通过安装在周围的温度传感器来感应茎秆温度，最后依据热平衡原理求出单位时间茎秆内液体流量。树干热平衡法原理与茎部热平衡法相同，只是需要插入探针来测定树干液流。
热扩散法(Thermal Dissipation Probe Method)首先由法国科学家Granier于1985年提出。它是将两根探针插入茎秆或树干内，其中上部探针含有加热器和热电偶，下部探针只有热电偶，恒定加热，通过测定两探针的温度值来计算液流速度。
目前国内常见的植物茎流计主要是由格林斯潘和澳大利亚英联邦科学与工业研究组织(CSIRO)联合研制开发的SF系列热脉冲型茎流传感器和英国Dynagage公司研制的包裹式茎流计。它们的主要缺点是：1)脉冲式传感器需要将探针插入植物茎秆内，这显然破坏了植物的正常生理过程，甚至给植物造成不可恢复的损伤；2)为精确测量茎秆温度需要保证温度传感器的应用条件，对产品的隔热性能要求较高；3)所有产品都需要对植物进行加热，这有可能会烧伤茎秆，并且同样会影响植物的正常生理过程，使采集到的数据不能准确反映植物的正常生理状况。
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茎流检测装置在检测过程中对植物的正常生理过程造成的不良影响及对植物茎秆造成的伤害。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种介电式植物茎流检测装置，包括：
包裹带，所述包裹带包裹被测茎秆；
嵌入所述包裹带内的传感器电极，所述传感器电极感应茎秆含水量变化；
与所述传感器电极连接的信号调节单元，所述信号调节单元将传感器电极感应的茎秆含水量变化转换成输出电压的变化；
与所述信号调节单元连接的数据采集单元，所述数据采集单元采集到所述信号调节单元的电压信号。
其中，所述包裹带具有弹性。
其中，所述信号调节单元包括依次连接的高频振荡电路、检波电路和运算放大电路，所述传感器电极与所述高频振荡电路连接，所述运算放大电路与所述数据采集单元连接。
其中，所述数据采集单元包括单片机芯片、以及分别与所述单片机芯片连接的时钟模块和存储模块，所述单片机芯片与所述信号调节单元连接。
其中，所述包裹带的外部还设有外壳。
其中，所述外壳由两个半圆形壳体组成。
其中，所述外壳采用塑料制成。
其中，所述传感器电极通过同轴电缆与所述信号调节单元连接。
(三)有益效果
上述技术方案提供的一种介电式茎流检测装置，采用内设传感器电极的包裹带对植物茎流进行非侵入式的检测植物茎流量，能够消除对植物的生理过程造成不良影响，避免对植物茎秆造成伤害；进一步地，采用具有弹性的包裹带，确保了传感器电极和茎秆之间的紧密接触。
附图说明
图1是本发明一种介电式植物茎流检测装置的结构示意图；
图2是本发明一种介电式植物茎流检测装置的电路原理图。
其中，1、被测茎秆；2、包裹带；3、传感器电极；4、同轴电缆；5、外壳；6、信号调节单元；7、数据采集单元。
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。
如图1，本发明一种介电式植物茎流检测装置，包括：包裹带2，该包裹带2包裹被测茎秆1；嵌入包裹带2内的传感器电极3，该传感器电极3感应茎秆含水量变化；与传感器电极3连接的信号调节单元6，该信号调节单元6将传感器电极3感应到的茎秆含水量变化转换成输出电压的变化；与信号调节单元6连接的数据采集单元7，该数据采集单元7采集信号调节单元6的电压信号。本实施例的包裹带2具有弹性，为弹性包裹带，一方面使得包裹带2紧密地包裹住被测茎秆1；另一方面确保当被测茎秆1的直径因天气、土壤水分等因素出现微小变化时，仍能够保证包裹带2与被测茎秆1的紧密接触，并且不会对被测茎秆1造成伤害。当将该介电式茎流检测装置安装在处于生长期的植物茎秆上，则在茎秆直径增长超过包裹带2的调整范围后，可手动调节包裹带2以获得一致的紧密性，包裹带2通过扣合的方式连接成环状，尾部带有弯钩，在每间隔一段长度上开有一个扣环，通过使弯钩勾住不同的扣环即可调节包裹带2的长度。
传感器电极3为两条金属带，分别嵌入包裹带2内，并通过同轴电缆4与信号调节单元连接，该两条金属带分别焊接在同轴电缆4的中心线和屏蔽线上。由于该线路上传输的信号频率较高，使用同轴电缆4能保证信号传输质量。该介电式植物茎流检测装置还设有塑料制成的外壳5，将包裹带2安装在该外壳5的内部，以避免包裹带2受到损坏，并起到防水的作用，该外壳由两个半圆形的壳体构成。
如图2，信号调节单元6包括经依次连接的高频振荡电路、检波电路和运算放大电路，传感器电极3与高频振荡电路连接，运算放大电路与数据采集单元7连接。该数据采集单元包括单片机芯片以及分别与单片机芯片相连的时钟模块和存储模块，单片机芯片与信号调节单元的高频振荡电路连接。该单片机芯片可以采用MSP430F149，自带8路12位AD模块、I2C和SPI通信模块等。时钟模块可以采用R8025，存储模块可以采用M25P80。传感器电极3将检测的信号经过高频振荡电路转换为高频信号后，经过检波电路输出到运算放大器，转换为0-2.5V标准电压输出。数据采集单元7的单片机芯片的AD模块采集到信号调节单元6的运算放大电路输出的电压信号，时钟模块以I2C模块方式与单片机芯片通信，为系统提供准确的测量时间，存储模块以SPI模块方式与单片机芯片通信，用于存储测量结果。
上述技术方案所提供的介电式植物茎流检测装置的测量过程如下：当植物茎流量(指单位时间茎秆内液体流量)增大，则可理解为被测茎秆1中单位时间内的水分增加时，传感器电极3将感应到茎秆含水量变化并反映到信号调节单元6中输出电压的变化。单片机芯片每间隔五分钟采集一次传感器信号，计算出传感器输出变化值ΔV，并结合标定数据推算出植物茎流大小。根据要测量的植物类型，可先在此植物茎秆上进行传感器标定，找到茎流大小与传感器输出的对应关系(在一定范围内为线性)，实际茎流量通过测量一定时间内搜集到的茎液量得到。
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)

1.一种介电式植物茎流检测装置，其特征在于，包括：
包裹带，所述包裹带包裹被测茎秆；
嵌入所述包裹带内的传感器电极，所述传感器电极感应茎秆含水量变化；
与所述传感器电极连接的信号调节单元，所述信号调节单元将传感器电极感应到的茎秆含水量变化转换成输出电压的变化；
与所述信号调节单元连接的数据采集单元，所述数据采集单元采集所述信号调节单元的电压信号。
2.如权利要求1所述的介电式植物茎流检测装置，其特征在于，所述包裹带具有弹性。
3.如权利要求1所述的介电式植物茎流检测装置，其特征在于，所述信号调节单元包括依次连接的高频振荡电路、检波电路和运算放大电路，所述传感器电极与所述高频振荡电路连接，所述运算放大电路与所述数据采集单元连接。
4.如权利要求1所述的介电式植物茎流检测装置，其特征在于，所述数据采集单元包括单片机芯片、以及分别与所述单片机芯片连接的时钟模块和存储模块，所述单片机芯片与所述信号调节单元连接。
5.如权利要求1所述的介电式植物茎流检测装置，其特征在于，所述包裹带的外部还设有外壳。
6.如权利要求5所述的介电式植物茎流检测装置，其特征在于，所述外壳由两个半圆形壳体组成。
7.如权利要求5所述的介电式植物茎流检测装置，其特征在于，所述外壳采用塑料制成。
8.如权利要求1所述的介电式植物茎流检测装置，其特征在于，所述传感器电极通过同轴电缆与所述信号调节单元连接。
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