CN103217336B - 一种群体种植的作物茎秆强度测量装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种群体种植的作物茎秆强度测量装置，其包括与群体作物接触的触杆、二个以上传感器、空心管、处理系统；所述触杆上均匀设置有所述传感器，且传感器固定在空心管上；所述处理系统包括采集模块、修正处理模块、显示模块和电源，所述处理系统固定在所述空心管的一端。本发明提供的基于力学的群体作物茎秆强度测量装置，具有便携性，测量结果精确、可靠，可以实现种植小区的全覆盖式测量，特别适于育种过程中对育种小区的农作物茎秆强度测量。

Description

一种群体种植的作物茎秆强度测量装置及其应用

技术领域

本发明属于农业工程领域，具体涉及一种借助于物理原理的施加压力以测定农作物特性的装置及其应用。

背景技术

作物的茎秆强度决定了作物品种的抗倒伏性能，而倒伏是作物生产过程中的主要限制因素之一，以小麦为例，灌浆后发生的倒伏可导致小麦产量损失40%以上。因此，在作物育种过程中，需要筛选茎杆强度较高的品系，作物的抗倒伏性成为重要的选择指标，因此，如何准确、客观地测量作物的茎秆强度非常重要。

作物的茎秆强度首先与茎秆本身的特性密切相关，包括各节长、茎粗、壁厚、株高、鲜重、干重、种植密度等因素；其次还与环境因素相关，比如土壤质地、降水量、施肥量等因素。研究表明，由于作物群体中间密度大，通风以及光照条件不如边缘的作物，因此边缘作物的茎秆长得粗壮，茎秆抗倒伏能力也强于群体中间的作物。因此，在实际的农业生产和育种筛选过程中，测量单株作物的茎秆强度尚不能准确反映群体的特征，需要研究能够测量群体作物茎杆强度的方法与技术。

目前测量作物茎杆强度的方法主要有两种方式，一种是人工观测自然环境下作物的倒伏情况来判断茎秆的抗倒伏能力。通过计算最终倒伏面积占试验小区总面积的比例来计算倒伏比例，或者是根据植株不同倾斜角度把倒伏程度分为5级，不倒伏为1级，植株倾斜角度小于30度为2级，植株倾斜角度30-45度为3级，植株倾斜角度45-60度为4级，植株倾斜角度60度以上为5级。

另一种方式是测量单株作物的力学特性参数，进而评价其茎杆强度。比较典型的是日本生产的秆强测定器（DIK-7400），采用机械式弹簧测力计，针对自然生长的作物，通过夹持装置夹住某株作物茎秆的特定部位，推到一定角度，测量推力大小，由指针刻度显示读数，人工记录结果。通过对比不同茎秆所需推力大小，来判断茎秆强度的大小。国产微电脑茎杆强度测定仪YYD-1，将作物取回室内，对平放在测试架上的作物茎秆施加压力直至压断，采用拉压力传感器获取最大的压断力，压断时需要的力越大，茎秆的抗倒伏能力越强。

实用新型专利“一种油菜茎杆强度测量装置”（专利号：200620135139.8）、“一种玉米茎杆强度测量装置”（专利号：200620135138.3）公开了类似的测量装置，分别用于油菜和玉米的茎秆强度测量。测量原理是利用夹持头推动单株油菜或玉米，至茎杆发生折断。通过压力传感器把施加在茎秆上的力转换为相应的电信号，输入到单片机中，单片机把获取到茎秆极限状态下所承受的最大压力，以数字形式在显示器上显示出来。实用新型专利“谷类作物茎杆抗倒伏强度微电脑测定仪”（专利号：97216391.3）公布的测量装置通过力传感器将茎秆所受压力转换为电信号输入到单片机中，单片机使用打印机或者显示器输出结果。

发明专利“一种手持式作物抗倒伏强度测量装置与方法”（专利号：201010237712.7），使用力学压力传感器和角度传感器同时获取单株作物的力和角度参数，进而计算抗倒伏强度。整个装置包括包括茎秆夹持装置、壳体、传感器模块、核心处理模块、电源模块、GPS模块，以及液晶显示屏、USB端口和键盘等。

现有技术尚存在一些缺陷：日本生产的秆强测定器（DIK-7400），采用机械式弹簧测力计测量单株茎秆抗弯折力的大小，指针移动表示测量力的大小，没有数显模块，人工读数会产生主观误差，而且不能保存数据；微电脑茎杆强度测定仪YYD-1，需要割断单株作物的茎秆，拿回室内后再水平置在专用支架上进行测量，具有破坏性，不能在田间进行活体测量；“一种油菜茎杆强度测量装置”和“一种玉米茎杆强度测量装置”，在田间测量时使用夹持装置推动单株茎秆使其弯曲，获取茎秆折断时所用力的大小，破坏了茎秆的生长状态；“一种手持式作物抗倒伏强度测量装置与方法”，通过夹持装置推动单株茎秆，获得反作用力和茎秆倾斜的角度，无法满足育种小区群体测量的需求。

以上测量方式都是针对单株作物进行测量，但是农作物都是群体种植的，小区中间和边缘的作物茎杆强度存在很大差异，测量某个单株难以代表整个小区的抗倒伏特征。此外，这种茎杆强度的差异并不是均匀、线性分布的，它与土壤、光照、灌溉等多种因素有关，因此采用测量多个单株取平均值的方法，也不能完全反映小区群体的特征。另外，作物种植密度对作物的倒伏影响很大，合理密植已成为栽培管理的核心技术之一。因此，现有的单株作物茎杆强度测量方法及装置难以满足育种筛选及农业生产的需求，迫切需要探索一种群体作物茎秆强度测量技术。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明的目的是提出一种群体种植的作物茎秆强度测量装置。

本发明的另一目的是提出测量群体种植的作物茎秆强度的方法。

实现本发明上述目的的技术方案为：

一种群体种植的作物茎秆强度测量装置，其包括：

与群体作物接触的触杆、二个以上传感器、空心管、处理系统；

所述触杆上均匀设置有所述传感器，且传感器固定在空心管上；

所述处理系统包括采集模块、修正处理模块、显示模块和电源，所述处理系统固定在所述空心管的一端。

所述触杆长度根据育种小区宽度而定。

其中，所述传感器为单点式、微压式、轮辐式和S型压力传感器中的一种，所述传感器有2-4个，构成压力传感器组。传感器对称设置在空心管上。

其中，所述空心管为截面为矩形的空心管，所述传感器的数据线设置在空心管中，所述空心管表面设置有标尺。传感器的输出信号线隐藏在矩形方管中，避免电线与作物叶片接触。所述的矩形方管上刻有标尺，用于在田间测量小区的宽度等参数。

其中，所述空心管和触杆为铝合金或PVC的材质；触杆为空心圆管，两端封住，避免触杆与作物叶片的缠绕，铝合金或PVC的材质也可减轻整体结构重量。

其中，所述空心管的一端还固定设置有水平杆，所述水平杆与所述空心管垂直；所述空心管两段设置有手柄。在矩形方管一端安装一个水平杆，两者相互垂直，以便工作时实时观察调整，通过目测保证水平杆处于水平状态，从而使传感器受力面保持垂直，避免触杆自重对测量信号的干扰，保证传感器准确测定作物的回弹力。

一种应用本发明提出的测量装置测量群体种植的作物茎秆强度的方法，包括步骤：

使测量装置的触杆与作物的茎秆接触，触杆受到的力传递给传感器，传感器输出的信号被采集模块采集，经过放大和AD转换，所得到的回弹力数据经过修正处理模块处理，在显示模块上显示。

其中，所述触杆水平与多个作物的茎秆接触。

所述的方法，通过持有测量装置的操作人员在田间行进，使触杆推扫到全部待测的作物茎秆，在推扫过程中，实现对整个待测量小区的全覆盖式测量。

其中，所述得到的数据按照种植密度和/或当年的物候条件进行修正，得出群体种植的作物茎秆强度的参数。

该装置的测量原理为：作物在受到推力时的变形与其茎秆强度有关，因此通过测定作物在外力作用下发生的形变，由传感器测得反作用力，也可称为回弹力T，进而利用回弹力T预测作物的茎秆强度，同时考虑种植密度等因素的影响。回弹力T与作物茎杆自身的机械强度及测量高度、弯曲程度等有关，其表达式如下：

$T=\frac{3\mathrm{EIa}}{h^3}---\left(1\right)$

式（1）中，T为回弹力，E为茎秆弹性模量，I为截面惯性矩，α为受作用点处茎秆的挠度，h为测量系统对小麦茎秆施加横向载荷的作用点距地高度。

所述的压力传感器组，由多个相同的压力传感器组成，用来获取作物受到压迫至形变时产生的回弹力大小，传感器对称布置在矩形方管上，需针对具体作物，经过实验设计以及前期预实验来选择传感器的类型及量程。对称布置的传感器组克服了以往单个传感器难以测量分布不均匀作物的问题，保证了整个装置在水平方向的稳定性，同时克服了由于作物缠绕造成的竖直方向的扭转对传感器的损坏。

其中，所述触杆水平与多个作物的茎秆接触。本领域公知的测量手段是按照不同的作物、不同的时期，确定测量的部位。例如小麦在抽穗时期，为靠近麦穗下端的部位。

多个传感器测量得到的数据相加，得到群体作物的回弹力T，通过种植密度参数的修正和/或物候条件的修正。得出群体种植的作物茎秆强度的参数。

以种植密度参数修正，其公式为其中Q为修正后的群体作物茎杆强度，D为待测量小区的宽度，N为种植的作物行数。

所述显示模块实时显示测量曲线、数据及分析结果；整个装置采用同一个电源供电，减轻装置的整体重量。

种植密度的修正处理模块中，包括种植密度参数交互式输入界面，在实际测量时，由使用者首先利用矩形方管上的标尺测量待测育种小区的宽度，并人工查看小区的种植行数，然后在种植密度参数交互式输入界面上输入宽度和行数的数值。

所述的修正处理模块，还包括内嵌的茎杆强度预测模型。建立茎杆强度预测模型的步骤为：预先选择有代表性的农作物，包括不同生态区域、不同生育期的农作物。利用本发明所述的群体作物茎杆强度测量装置测定力学性能等参数，运用弹性梁弯曲理论，分析茎秆在横向受迫条件下产生的回弹力，并结合人工录入的种植密度参数，针对不同的种植地区、不同生育期建立群体作物的茎杆强度模型，划分茎杆强度等级，最后将建立的数学模型嵌入采集系统中。茎杆强度预测模型可用于多种地区、多种作物，对作物的保护、水肥施用提供指导。

所述群体作物茎秆强度测装置，在仪器中嵌入茎秆强度预测模型后，由两人站在小区之间的间隙里，手持该装置平稳移动，划过待测的育种小区，即可测量群体作物的茎秆强度，数据采集系统即可实时显示并存储该区域的茎秆强度，从而实现了该小区的全覆盖式测量。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的基于力学的群体作物茎秆强度测量装置，具有便携性，测量结果精确、可靠，可以实现种植小区的全覆盖式测量，特别适于育种过程中对育种小区的农作物茎秆强度测量；

相比于手持式作物抗倒伏强度测量装置，可同时测量多株、多行的作物，考虑了种植密度的影响，从而实现了对整个小区内的作物群体茎秆强度的测量。相比日本产秆强测定器（DIK-7400），除了可测量群体作物外，还可实现测量数据的实时保存。相比微电脑茎杆强度测定仪YYD-1、一种油菜茎杆强度测量装置、一种玉米茎杆强度测量装置，除了可以测量群体作物外，还可以实现田间作物的活体无损测量，不会破坏茎秆的生长状态，这一点在育种材料筛选过程中尤为重要。

附图说明

图1为本发明提出的测量装置的结构图。

图2为测量装置上的控制盒结构图。

图中，1为触杆，2为传感器，3为显示模块，4为控制盒，5为手柄，6为空心管，7为数据线，8为水平杆，9为采集模块，10为电源。

具体实施方式

现以以下最佳实施例来说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1：

群体作物茎杆强度测量装置的结构如图1所示。

压力传感器2，经过实验设计以及前期预实验，以小麦为测量对象，确定传感器量程为1kg。根据系统的要求以及基于整体结构的考虑，选择型号为NA6，额定负荷为1kg的单点式压力传感器，其工作电压为5-12VDC，非线性度为0.02%FS，安全过载率为150%FS，灵敏度为0.85-1.15mV/V，传感器输出电压与受力之间的关系是成线性的。传感器一端固定在空心管6上，一端受压同时输出电压信号。

本发明的机械结构部分的作用是将小麦茎秆在受力时产生的反作用力传递给传感器，用来固定传感器组2的底部支架使用矩形截面的空心管6。测量的小麦试验区域的大小为80cm×300cm，传感器的承载面大小为200cm×200cm，将两个传感器对称布置，触杆1长度设计为90cm，为了避免触杆1与小麦叶片的缠绕，使用空心圆管。为了使整个装置轻盈，触杆1以及底部矩形方管6均采用铝合金材质。为了增加摩擦力，在底部矩形管6两端增加横向手柄5。手柄5为橡胶材质，方便把持。为了使传感器2的受力面保持垂直，在底部矩形管6的一端增加一个水平杆8。

数据采集模块9置于控制盒4中，显示模块3位于控制盒顶部，电源10和修正处理模块也位于控制盒中。

数据采集模块9负责对传感器输出的模拟信号进行采集，并对信号进行调理。由于本检测装置由两个传感器组成，同时输出两路信号，加上对采集速率的考虑，选用阿尔泰公司生产的高速模拟量采集模块3056AH12，此采集模块是四路差分电压输入，与传感器输出信号相匹配，分辨率为16位，+10～+30VDC电源供电，可与传感器使用同一个电源10供电，使系统更简洁，而且采集频率为100Hz，可以满足系统对采集速率的要求。

所述显示模块3选用平板电脑，采集得到的数据上传至平板电脑进行曲线显示、数据分析处理。选用型号为帅酷M5A的平板电脑，WindowsXP操作系统，配有1GBDDR内存，5英寸LCD液晶彩色显示屏，两个USB接口，可充电锂电池工作时长为3小时，在平板电脑平台中内置修正处理模块。

种植密度的修正处理模块，基于VC6.0进行开发，包括种植密度参数交互式输入界面，在实际测量时，由使用者首先利用矩形方管上的标尺测量待测育种小区的宽度，并人工查看小区的种植行数，然后在种植密度参数交互式输入界面上输入宽度和行数的数值。

在测量群体种植的小麦的茎秆强度时，两个操作人员手持测量装置，在田间行进，触杆推扫到该区域内全部小麦的茎秆。选择北京市农林科学院小汤山实验基地的小麦，在灌浆期采集数据，得到80cm×300cm区域内小麦在测量高度为45cm时的茎秆回弹力为6.177N。

茎杆强度预测模型的建立：针对北京市农林科学院小汤山实验基地的小麦样品，用群体作物茎秆强度测量装置测定力学信号等参数，运用弹性梁弯曲理论，分析小麦茎秆在横向受迫条件下产生的回弹力T，按照式（1）计算。通过分析同一小麦茎秆不同作用点处回弹力的差异，可反映出不同茎节处的机械强度，选择最佳的作用点，通过实验验证，选择茎秆距离地面45cm的高度处为作用点。结合种植密度修正参数计算小麦的群体强度为0.824N*m，建立该地区的群体小麦茎杆强度等级测量模型，同时考虑不同土壤含水及紧实度等因素造成的影响，对模型进行修正，从而建立起包含这些影响因素的统计学模型，并覆盖将来的应用范围。将建立的数学模型输入到PDA平台中，从而形成完善的系统。

实施例2：

对于群体种植玉米的茎秆强度测量，选用传感器量程为10kg的单点式压力传感器。测量的玉米试验区域的大小为300cm×600cm将四个传感器对称布置，触杆长度为300cm。其他部件与实施例1相同。

在测量群体种植的玉米的茎秆强度时，两个操作人员手持测量装置，在田间行进，触杆推扫到玉米的茎秆。选择玉米茎秆基部3-4节测量茎秆的反弹力，经过初步试验，测定玉米的茎秆反弹力为207.48N。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种测量群体种植的作物茎秆强度的方法，其特征在于，采用的作物茎秆强度测量装置包括：两个压力传感器(2)，经过实验设计以及前期预实验，以小麦为测量对象，确定压力传感器量程为1kg，根据系统的要求以及基于整体结构的考虑，选择型号为NA6，额定负荷为1kg的单点式压力传感器，其工作电压为5-12VDC，非线性度为0.02％FS，安全过载率为150％FS，灵敏度为0.85-1.15mV/V，压力传感器输出电压与受力之间的关系是成线性的；压力传感器一端固定在空心管(6)上，一端受压同时输出电压信号；

测量装置的机械结构部分的作用是将小麦茎秆在受力时产生的反作用力传递给压力传感器，用来固定压力传感器的底部支架使用矩形截面的空心管(6)，测量的小麦试验区域的大小为80cm×300cm，压力传感器的承载面大小为200cm×200cm，将两个压力传感器对称布置，触杆(1)长度设计为90cm，为了避免触杆(1)与小麦叶片的缠绕，使用空心圆管，为了使整个装置轻盈，触杆(1)以及底部的空心管(6)均采用铝合金材质，为了增加摩擦力，在底部的空心管(6)两端增加横向手柄(5)，手柄(5)为橡胶材质，方便把持；为了使压力传感器(2)的受力面保持垂直，在底部的空心管(6)的一端增加一个水平杆(8)；

数据采集模块(9)置于控制盒(4)中，显示模块(3)位于控制盒顶部，电源(10)和修正处理模块也位于控制盒中；

数据采集模块(9)负责对压力传感器输出的模拟信号进行采集，并对信号进行调理；由于所述测量装置由两个压力传感器组成，同时输出两路信号，加上对采集速率的考虑，选用阿尔泰公司生产的高速模拟量采集模块3056AH12，此采集模块是四路差分电压输入，与压力传感器输出信号相匹配，分辨率为16位，+10～+30VDC电源供电，与压力传感器使用同一个电源(10)供电，使系统更简洁，而且采集频率为100Hz，可以满足系统对采集速率的要求；

所述显示模块(3)选用平板电脑，采集得到的数据上传至平板电脑进行曲线显示、数据分析处理；选用型号为帅酷M5A的平板电脑，WindowsXP操作系统，配有1GBDDR内存，5英寸LCD液晶彩色显示屏，两个USB接口，可充电锂电池工作时长为3小时，在平板电脑平台中内置修正处理模块；

种植密度的修正处理模块，基于VC6.0进行开发，包括种植密度参数交互式输入界面，在实际测量时，由使用者首先利用空心管上的标尺测量待测育种小区的宽度，并人工查看小区的种植行数，然后在种植密度参数交互式输入界面上输入宽度和行数的数值；

在测量群体种植的小麦的茎秆强度时，两个操作人员手持测量装置，在田间行进，触杆推扫到该区域内全部小麦的茎秆，选择北京市农林科学院小汤山实验基地的小麦，在灌浆期采集数据，得到80cm×300cm区域内小麦在测量高度为45cm时的茎秆回弹力为6.177N；

茎杆强度预测模型的建立：针对北京市农林科学院小汤山实验基地的小麦样品，用作物茎秆强度测量装置测定回弹力参数，运用弹性梁弯曲理论，分析小麦茎秆在横向受迫条件下产生的机械强度，回弹力T按照式(1)计算：

$T=\frac{3EIa}{h^3}---\left(1\right)$

式(1)中，T为回弹力，E为茎秆弹性模量，I为截面惯性矩，α为受作用点处茎秆的挠度，h为测量系统对小麦茎秆施加横向载荷的作用点距地高度；

两个压力传感器测量得到的数据相加，得到群体作物的回弹力T，通过种植密度参数的修正，得出群体种植的作物茎秆强度的参数；

以种植密度参数修正，其公式为其中Q为修正后的群体作物茎杆强度，D为待测量小区的宽度，N为种植的作物行数；

通过分析同一小麦茎秆不同作用点处回弹力的差异，可反映出不同茎节处的机械强度，选择最佳的作用点，通过实验验证，选择茎秆距离地面45cm的高度处为作用点；结合种植密度修正参数计算小麦的群体强度为0.824N*m，建立该地区的群体小麦茎杆强度等级测量模型，同时考虑不同土壤含水及紧实度因素造成的影响，对模型进行修正，从而建立起包含这些影响因素的统计学模型，并覆盖将来的应用范围，将建立的数学模型输入到PDA平台中，从而形成完善的系统。