CN103148834B - 手持式植物叶片运动方位角度电子测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于植物叶片在向日性运动中，可以测定叶片运动角度变化的植物叶片运动方位角度电子测量仪。一种植物叶片运动方位角度电子测量仪，在机架主体上主要设有电源盒、数据采集装置、显示器、电源开关、主控制器以及连接线路，数据采集装置的结构包括设于机架主体下方的悬挂角滑轨、方向角滑轨，悬挂角滑轨与方向角滑轨的结构相同，均包含半环形窄条状的下垫板、半环形窄条状的上挡板，下垫板上设有两条形状相同的滑轨条，两条滑轨条上均缠绕有电阻丝，在缠绕有电阻丝的两条滑轨条上方放置有一个金属球。本发明可较准确同时测量植物叶片的方向角和悬挂角，在使用过程中可实现自动化、省时省力、易于操作且实用方便。

Description

手持式植物叶片运动方位角度电子测量仪

技术领域

本发明涉及一种用于植物叶片在向日性运动中，可以测定叶片运动角度变化的植物叶片运动方位角度电子测量仪。

背景技术

高等植物不能像动物一样自由移动整体的位置，但植物体的器官在空间可以产生移动，以适应环境的变化，这就是植物的运动。当植物体受到单一方向的外界刺激而引起的定向运动，称为向性运动。而向光性就是植物向性运动中主要的运动之一。向日性运动又分为两种类型，一种是横向日性运动，叶片运动总是使叶平面与太阳的入射光线垂直，以捕获更多光能，尽可能达到光合作用的最大化；另一种是偏向日性运动，叶片运动总是使叶平面与太阳的入射光线平行，以减少光能捕获，从而规避高温等环境下的光灼伤。研究表明，植物叶片向日性运动能够影响植物的光合物质生产和生长发育，对植物的生存繁衍和发展具有重要的意义。

研究植物叶片运动的生理生态意义首先要对叶片运动本身进行测定，即叶片在空间上如何变换运动角度。前人对植物叶片的向日性运动已进行了大量研究，包括如何对叶片向日性运动进行测定，即叶片在空间上如何变换角度，也就是测定叶片的方位角、方向角和悬挂角。所述方位角，是叶尖端与罗盘仪指北针(北向)之间的夹角。以手持罗盘仪置于叶平面上，调整罗盘仪使指针指向0°,此时叶尖端在罗盘上所指的读数即为方位角；所述方向角，是以叶中脉为轴，叶片转向东或西的角度。以半圆量角器从直径中心(圆心)处悬一小铅锤线作为读数标志，放置半圆量角器平面与叶中脉垂直方向，使半圆量角器的直径面(半圆面)与叶平面保持紧贴，此时铅锤线的读数就是方向角；所述悬挂角，是叶中脉垂直运动离开水平面的角度。以半圆量角器的直径横梁平行紧贴叶中脉，此时铅垂线的读数就是悬挂角。

目前国内外对植物叶片向日性运动的测量方法主要有方位角度测定法、投影法、定点照相法等。

方位角测定法是使用量角器，铅垂线和罗盘仪测定叶片的方位角，方向角和悬挂角，通过这三个角度就可以对叶片的空间位置进行定位，进而描述叶片的运动状态。这种方法具有相对测定简单、快捷和宜于操作等特点，是运用较广的一种测定方法。投影法是利用叶片的投影来描述叶片运动的状态。在叶片的下方垂直于太阳光放置一个平板，利用叶片在这个平面上的投影面积和叶片的实际面积之比，求出叶面法线与太阳光线所成的角度，如假设叶片的实际面积为A，与太阳光线成直角的平面上叶片投影面积为B，则叶面法线和太阳光线所成角度i可以表示为，cosi＝B/A。当cosi等于1表示叶片和太阳光线垂直，接受的光强达到最大；当cosi接近0表示叶片和太阳光线平行，接受的光强达到最小。定点照相法与上述的两种测量法不同，它是每间隔1-2个小时用固定相机拍摄叶片的变化，捕捉视觉上叶片如何进行向日性运动的方法。

以上三种方法虽然均能描述出植物叶片如何进行向日性运动，但是在实际运用过程中每种方法都存在着各自的优缺点。方位角度测定法虽然能够对叶片在空间上如何运动进行分析，但只适合叶片运动方式较为简单的植物，比如棉花；在对运动方式较复杂的植物叶片的测定上显得力不从心，比如豆类。这种方法在测定时误差较大，且无法描述叶片的受光状态。投影法能够描述叶片的受光状态，很直接的反映叶片接受光强的多少，但是这种方法无法在空间方位上对叶片进行分析，反映不出叶片在空间上的运动过程，且在使用过程中操作复杂。定点照相法能够很直观的反映出叶片向日性运动的状态和变化过程，但无法定量描述叶片的运动方式以及受光状态。

为了更好的对植物叶片向日性运动进行测定，研究者也在不断的对叶片运动测定方式进行改进。比如在20世纪60年代，通过测定叶片的方位角和悬挂角以及太阳高度角和天顶角计算叶面法线和太阳光线所成角度，所用公式为，cosi＝cosβ*cos z+sinβ*sin z*cos(αs-αl)公式中αl是叶片方位角，z是太阳天顶角，β是叶片悬挂角，αs是太阳方位角。由此看出这种方法是把方位角测定法和投影法进行有效的结合，一方面能够对叶片在空间上如何运动进行分析，另一方面能够描述叶片的受光状态，但是这种方法依然无法解决对运动方式较复杂的植物叶片的测定。

为了解决运动方式较复杂的植物叶片的测定，直至2004年才出现了一个叶片运动可视评价系统(visual scoring system),这种方法是通过拍摄一定面积上的植物叶片，通过一个评价程序获得数字1到5这个范围内的评价结果，1代表叶片成直立状，5代表叶片成水平状，进而获得叶片运动的信息。这种方法弥补了定点照相法只能定性不能定量的缺点且操作更方便快捷，但这个评价系统是对一定面积内的所有叶片进行综合评价的结果，抹杀了叶片运动个体之间的差异，易于出现“正负”抵消的情况，比如在早晨太阳在东方时，方位向东的叶片呈现下垂状态，而向西的叶片呈现上举状态，而最后评价的结果可能是叶片呈水平状态。

虽然方位角度测定法存在很多不足，但是，由于其操作简单快捷等优点，仍是目前使用最普遍的测量方法。

现有的植物叶片运动方位角度测量仪，如中国专利号为ZL201010256428.4，名称为：植物叶片运动方位角度测量仪，就是通过对不同角度的量角器刻度盘加以整合设计制造的，测量仪器基本原理是，运用量角器的自身重力作用巧妙的代替了传统的铅垂线的功能，达到可以同时测定方向角和悬挂角的目的，特有的电磁固定装置可以使指针在刻度盘上的指示位置瞬间固定，使实验的测定和数据的读取更加快速和精确，实现了简化测量步骤，易于田间操作等特点，但是，这款实验仪器的设计依然存在很多不足，如测定悬挂角的滑针设计以及数据的读取装置等，都很大程度的增加了实验测定时角度测量和读取增大误差的概率，且数据的读取相对比较繁琐，对电池的消耗大，实验成本高等。

基于以上分析可以看出，虽然研究者对现有的叶片向日性运动的测定方法在进行改进，但进步缓慢，从20世纪60年代到2004年，长达40多年才有一个新的方法出现，且无进行商业化生产的叶片向日性运动测定的仪器。因此，通过本发明的研究和实施，在借鉴各种测定方法优势的基础上，改进现有的叶片向日性运动的测定方法，改进和优化植物叶片方位角度测量仪，添加数显装置和数据存储装置，实现仪器的智能化和自动化，做到测定结果更加精确且操作方便快捷；于此同时，开展植物叶片向日性运动的相关研究工作，并运用现代计算机技术对植物叶片的向日性运动进行三维可视化模拟，对于开展和推进植物叶片向日性运动研究具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以较准确同时测量植物叶片的方向角和悬挂角，在使用过程中可实现自动化、省时省力、易于操作且实用方便的手持式植物叶片运动方位角度电子测量仪。

本发明公开了一种手持式植物叶片运动方位角度电子测量仪，其特征在于设有一机架主体5，在所述机架主体5上主要设有电源盒9、数据采集装置11、显示器6、电源开关、主控制器8以及连接线路，所述数据采集装置11的结构包括设于机架主体5下方的悬挂角滑轨21、方向角滑轨20，所述悬挂角滑轨21与方向角滑轨20的结构相同，均包含半环形窄条状的下垫板17、半环形窄条状的上挡板16，所述下垫板17上设有两条形状相同的滑轨条19，两条滑轨条19上均缠绕有电阻丝15，在缠绕有电阻丝15的两条滑轨条19上方放置有一个金属球18，上述的金属球18与电阻丝15相接触，所述上挡板16设于金属球18上方，与金属球18表面有间隙，起隔挡作用；所述机架主体5前方设有标准板，所述标准板水平设置；

所述悬挂角滑轨21所形成的平面与水平面呈垂直设置，所述悬挂角滑轨21上部两端与机架主体5活动连接，所述方向角滑轨20与机架主体5固定连接，并且方向角滑轨20所形成的平面与圆水准器1所在的平面相垂直；

在上述结构中，可以通过连接线路构成多条电路回路，但其中的一条，如图7所示通过连接线路形成的电流回路Ⅰ22，在所述电流回路Ⅰ22中，所述悬挂角滑轨21与方向角滑轨20串联连接，在所述悬挂角滑轨21上其中一条滑轨条19接电路正极，另一条滑轨条19接电路负极，电流流向是从接正极的滑轨条19流入，流经金属球，再从另一条滑轨条19流出，这时金属球起到导通电路的作用；所述方向角滑轨20的电路连接关系与此相同，即：所述方向角滑轨20上其中一条滑轨条19接电路正极，另一条滑轨条19接电路负极，电流流向是从接正极的滑轨条19流入，流经金属球，再从另一条滑轨条19流出，这时金属球也起到导通电路的作用；在所述悬挂角滑轨21与方向角滑轨20上分别并联设有电压表Ⅰ2，电压表Ⅱ3，该电流回路Ⅰ22上设有总电流表4，该电流回路Ⅰ22通过电源盒9供电。

所述悬挂角滑轨21与方向角滑轨20的连接位置关系可以有多种方式，可以是：

如图3、图4，所述悬挂角滑轨21与方向角滑轨20的大小不同，悬挂角滑轨21与方向角滑轨20竖向呈“十”字型交叉安装，所述悬挂角滑轨21所形成的圆面的中轴线与固定安装的方向角滑轨20形成的圆面相重合。

也可以是：如图8所示，所述悬挂角滑轨21与方向角滑轨20的大小不同，所述方向角滑轨20位于悬挂角滑轨21外围，且与悬挂角滑轨21竖向呈“T”字型交叉安装，所述悬挂角滑轨21所形成的圆面的中轴线与固定安装的方向角滑轨20形成的圆面相平行。

所述机架主体5前方所设的标准板最好由水平设置的圆水准器1代替。所述的圆水准器，是现有技术中的常用到的圆水准器，是一个封闭的圆形玻璃容器，顶盖的内表面为一球面，容器内盛乙醚类液体，留有一小气泡。容器顶盖中央刻有一小圈，小圈的中心是圆水准器的零点。通过零点的球面法线是圆水准器的轴，当圆水准器的气泡居中时，圆水准器的轴位于铅锤位置。机架主体5前方设有圆水准器1，是为了更好地找准水平面，为测量的准确性提供保证。

所述数据采集装置11外最好设有半球形透明挡风罩14。半球形透明挡风罩14的作用是防止旁边枝叶的触碰或风吹等因素对悬挂角滑轨21与方向角滑轨20的测量精度产生影响。

本发明所述的手持式植物叶片运动方位角度电子测量仪基本工作原理如下：

参照图7，在测量时要使水平设置在机架主体的标准板最大限度的贴近植物的叶片，使叶片所在的平面与标准板所在的平面保持平行，标准板沿纵轴线的空间角度就是所需测量叶片的空间角度。待所述的悬挂角滑轨、方向角滑轨都静止不动后，悬挂角滑轨因重力的作用会自然下垂，方向角滑轨与安装连接盒12所在平面相垂直，它们之上所设有的金属球随重力作用下沿滑轨条滚动，当其处于静止状态时，两个金属球所连接起来的电阻丝的长度是不同的，这时悬挂角滑轨与方向角滑轨两端设置的电压表Ⅰ2、电压表Ⅱ3会分别测量出两端的电压值，该电压值分别为U1、U2，总电流表测出电路回路Ⅰ22的总电流为A，将所测得的数值信号传送到主控制器，则主控制器可以算出悬挂角α和方向角β。

上述计算所要用到的公式为：

α＝[U1/(I×R1)]×360°-90°

β＝[U2/(I×R2)]×360°-90°

当主控制器将悬挂角α和方向角β的角度数值计算出来之后，再将该结果信号传至显示器，从显示器显示出来，这样可以直观地得出结果数值，测量起来真正实现了智能化。

与现有技术相比，本发明能够实现一次性同时测定植物叶片方向角和悬挂角，在使用过程中可实现自动化、省时省力、易于操作且实用方便，本发明所提供的植物叶片运动方位角度电子测量仪，打破了原有传统测量方式的思维定式，简化了测量步骤，使用测定更精确、更快捷，为田间条件下快速测定大量作物叶片的方向角和悬挂角提供了可能，对开展田间条件下不同栽培技术措施对作物叶片运动的影响、不同品种作物间叶片的运动特征及高光效作物种质资源的筛选等方面的研究均具有重要意义，这必将进一步推进值物叶片运动的生理生态智能化、可视化模拟的深入研究。

附图说明

图1为本发明实施例1的主视结构示意图。

图2为图1的另一视角的结构示意图。

图3为本发明实施例1中数据采集装置的结构示意图。

图4为图3的右视的结构示意图。

图5为图3中俯视的下垫板、滑轨条、金属球位置关系的结构示意图。

图6为图3中下垫板、滑轨条、金属球位置关系的立体结构示意图。

图7为本发明在实施例中的自动控制过程的工作原理示意图。

图8为本发明实施例2中数据采集装置的结构示意图。

图中所示：1为圆水准器，2为电压表Ⅰ，3为电压表Ⅱ，4为总电流表，5为机架主体，6为显示器，7为测量电源开关，8为主控制器，9为电源盒，10为显示器电源开关，11为数据采集装置，12为安装连接盒，13为连接杆，14为挡风罩，15为电阻丝，16为上挡板，17为下垫板，18为金属球，19为滑轨条，20为方向角滑轨，21为悬挂角滑轨，22为电流回路Ⅰ。

具体实施方式

实施例1：

参照图1—图7，本实施例是一种手持式植物叶片运动方位角度电子测量仪，其结构总体做成手枪样式，设有一机架主体5，在图中所示的枪体，在所述机架主体5上主要设有电源盒9、数据采集装置11、显示器6、电源开关、主控制器8以及连接线路，所示电源盒9设于手枪的把手部位的壳体内，所述数据采集装置11的结构包括设于机架主体5下方的悬挂角滑轨21、方向角滑轨20，所述悬挂角滑轨21与方向角滑轨20的结构相同，均包含半环形窄条状的下垫板17、半环形窄条状的上挡板16，所述下垫板17上设有两条形状相同的滑轨条19，两条滑轨条19上均缠绕有电阻丝15，在缠绕有电阻丝15的两条滑轨条19上方放置有一个金属球18，上述的金属球18与电阻丝15相接触，所述上挡板16设于金属球18上方，与金属球18表面有间隙，起隔挡作用；所述机架主体5前方设有标准板，所述标准板水平设置；

所述悬挂角滑轨21所形成的平面与水平面呈垂直设置，所述悬挂角滑轨21上部两端与机架主体5活动连接，所述方向角滑轨20与机架主体5固定连接，并且方向角滑轨20所形成的平面与圆水准器1所在的平面相垂直；

在上述结构中，通过连接线路形成一电流回路Ⅰ22，在所述电流回路Ⅰ22中，所述悬挂角滑轨21与方向角滑轨20串联连接，在所述悬挂角滑轨21上其中一条滑轨条19接电路正极，另一条滑轨条19接电路负极，电流流向是从接正极的滑轨条19流入，流经金属球，再从另一条滑轨条19流出，所述方向角滑轨20的电路连接关系与此相同，在所述悬挂角滑轨21与方向角滑轨20上分别并联设有电压表Ⅰ2，电压表Ⅱ3，该电流回路Ⅰ22上设有总电流表4，该电流回路Ⅰ22通过电源盒9供电。另外显示器供电由电源盒单独供电。

所述悬挂角滑轨21与方向角滑轨20的大小不同，悬挂角滑轨21与方向角滑轨20竖向呈“十”字型交叉安装，所述悬挂角滑轨21所形成的圆面的中轴线与固定安装的方向角滑轨20形成的圆面相重合。

实施例2：

参见图8，与实施例1相比，本实施例的不同之处在于所述悬挂角滑轨21与方向角滑轨20的大小不同，所述方向角滑轨20位于悬挂角滑轨21外围，且与悬挂角滑轨21竖向呈“T”字型交叉安装，所述悬挂角滑轨21所形成的圆面的的中轴线与固定安装的方向角滑轨20形成的圆面相平行。

实施例3：

与实施例1相比，本实施例的不同之处在于所述机架主体5前方所设的标准板最好由水平设置的圆水准器1代替。

实施例4：

与实施例1相比，本实施例的不同之处在于所述数据采集装置11外设有半球形透明挡风罩14。

Claims (3)

1.一种手持式植物叶片运动方位角度电子测量仪，其特征在于设有一机架主体(5)，在所述机架主体(5)上主要设有电源盒(9)、数据采集装置(11)、显示器(6)、电源开关、主控制器(8)以及连接线路，所述数据采集装置(11)的结构包括设于机架主体(5)下方的悬挂角滑轨(21)、方向角滑轨(20)，所述悬挂角滑轨(21)与方向角滑轨(20)的结构相同，均包含半环形窄条状的下垫板(17)、半环形窄条状的上挡板(16)，所述下垫板(17)上设有两条形状相同的滑轨条(19)，两条滑轨条(19)上均缠绕有电阻丝(15)，在缠绕有电阻丝(15)的两条滑轨条(19)上方放置有一个金属球(18)，上述的金属球(18)与电阻丝(15)相接触，所述上挡板(16)设于金属球(18)上方，与金属球(18)表面有间隙，起隔挡作用；所述机架主体(5)前方设有水平设置的圆水准器(1)，所述数据采集装置(11)外设有半球形透明挡风罩(14)；

所述悬挂角滑轨(21)所形成的平面与水平面呈垂直设置，所述悬挂角滑轨(21)上部两端与机架主体(5)活动连接，所述方向角滑轨(20)与机架主体(5)固定连接，并且方向角滑轨(20)所形成的平面与圆水准器(1)所在的平面相垂直；

在数据采集装置(11)结构中，通过连接线路形成一电流回路Ⅰ(22)，在所述电流回路Ⅰ(22)中，所述悬挂角滑轨(21)与方向角滑轨(20)串联连接，在所述悬挂角滑轨(21)上其中一条滑轨条(19)接电路正极，另一条滑轨条(19)接电路负极，电流流向是从接正极的滑轨条(19)流入，流经金属球，再从另一条滑轨条(19)流出，所述方向角滑轨(20)的电路连接关系与此相同，即：所述方向角滑轨(20)上其中一条滑轨条(19)接电路正极，另一条滑轨条(19)接电路负极，电流流向是从接正极的滑轨条(19)流入，流经金属球，再从另一条滑轨条(19)流出；在所述悬挂角滑轨(21)与方向角滑轨(20)上分别并联设有电压表Ⅰ(2)，电压表Ⅱ(3)，该电流回路Ⅰ(22)上设有总电流表(4)，该电流回路Ⅰ(22)通过电源盒(9)供电。

2.如权利要求1所述的手持式植物叶片运动方位角度电子测量仪，其特征在于所述悬挂角滑轨(21)与方向角滑轨(20)的大小不同，悬挂角滑轨(21)与方向角滑轨(20)竖向呈“十”字型交叉安装，所述悬挂角滑轨(21)所形成的圆面的中轴线与固定安装的方向角滑轨(20)形成的圆面相重合。

3.如权利要求1所述的手持式植物叶片运动方位角度电子测量仪，其特征在于所述悬挂角滑轨(21)与方向角滑轨(20)的大小不同，所述方向角滑轨(20)位于悬挂角滑轨(21)外围，且与悬挂角滑轨(21)竖向呈“T”字型交叉安装，所述悬挂角滑轨(21)所形成的圆面的中轴线与固定安装的方向角滑轨(20)形成的圆面相平行。