CN103293189A - 一种植物叶片表面湿度传感器及其测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植物叶片表面湿度传感器，包括基板和柔性铜条；基板为柔性玻璃纤维板；柔性铜条支撑所述柔性玻璃纤维板，并将柔性玻璃纤维板分割为湿容感测单元和频率感测单元。湿容感测单元位于湿度传感器左侧，醋酸纤维素高分子材料分别与上仿叶纹路镀金铜栅格和下仿叶纹路镀金铜栅格组成两个电极；两个电极分别与表层光学乳胶涂层和柔性玻璃纤维板粘合一体，并通过金手指插拔式接口连接对外连接。频率感测单元位于湿度传感器右侧，包括环形镀金铜栅格和表层光学乳胶涂层。本发明还公开了一种植物叶片表面湿度测量装置。本发明所公开的湿度传感器能够定量描述植物叶片表面湿度值，且叶片表面湿度值准确性较高。

Description

一种植物叶片表面湿度传感器及其测量装置

技术领域

本发明涉及农作物参数感知获取与监控领域，尤其涉及一种温室环境适用的植物叶片表面湿度传感器及其测量装置。

背景技术

植物叶片表面含水量起初是作为气象参数用于描述植物叶片表面露水或其它沉降物积聚总量。目前很多用在农业生产领域，主要作为植物真菌和病害控制，其值能够对灌溉系统的控制、监测雾或结露环境、温室环境调控提供数据支撑。从国内专利、文献查询可见研制相关传感器非常少，很多是采用进口的产品进行系统集成，如实用新型“监测农作物参数的无线传感器网络采集节点设备和系统”（授权公告号CN201680857）、发明专利“植物病害预警装置”（申请公布号CN102487762A）、实用新型“水稻格田环境监测系统”（CN202033358U）等都有提及叶片表面湿度传感器，但没有具体涉及传感器的研制与构成。还有部分专利如：发明专利“一种测量植物叶片所含水份的装置”（授权公告号CN1051615C）、发明专利“反射式近红外植物叶片含水量的无损检测装置及方法”（申请公布号CN101968443A）都是测量叶片内部含水量与本发明专利提及的叶片表面湿度不相关。目前叶片表面湿度测量有以下几个方案：①电阻法，采用镀金栅格式电路板模拟叶片表面，通过表面露水连接该变电阻阻值，该方法实现简单，应用方便，当前应用有2-3款产品，如美国Campell、DAVIS；②介电常数法，通过测量表面水分的介电常数判断当前水分情况；③称重法，通过增加称重传感器或者离线采叶称重；④模型法，针对特殊环境、不同作物、气候，建立作物叶片表面湿度预测模型，通过其他可测环境计算出当前叶片湿度。还有提出一些近红外、光学露点等方法，但在实际应用测量中很少采用。

植物叶片表面湿度定义为叶片表面或其它裸露表面液体湿度，其来源于结露、雾、沉降和少量植物吐水现象。其准确测量相对环境常规参数较困难，这是由于其受环境条件及其与植物冠层结构和组分的交互效应双重驱动，存在冠层内的异质性，叶片密度、叶倾角、方位差异、空间差异对测量结果都有一定的影响。目前应该用该传感器主要用户统计叶片表面湿度持续时间，很多传感器局限于干、湿两个状态，其相关电信号输出非线性化。应用较多的电阻法，对叶片湿润程度的测量受限于镀金栅格之间的距离，水滴直径小于栅格之间距离，该部分湿度将不能准确测量，同时该传感器应用需要在现场校对以确立阀值，为具体生产应用带来不便；介电常数方法，能够简单测量叶片表面含水量，同样需要确立阀值以满足应用；称重法类似于机械的方法增加称重传感器，为传感器测量增加成本，很多不能够做到在线测量，不能够满足电子测量的需求；模拟方法很多根据热力学与叶片组成构建模型，该方法受到作物品种、应用环境等多种限制，适用性不强，难以推广。目前能够应用的传感器很多采用方形简易结构，很少考虑到叶片能量、对光的吸收与反射、叶片表层组织结构，难以达到定量测量，导致测量结果不准确，模糊，不能够很好反映作物叶片表面湿度情况。

由此可见叶片表面传感器的研究还未进入定量化科学研究阶段，其传感器的研制与应用还处于起步阶段，在国内的产品研发与专利检索中很少见报道，能够应用的寥寥产品存在很多问题，不能够满足生产实际应用。因此需要在测量原理、传感结构、封装材料等方面开展创新性研发，解决难以定量描述、模拟叶片表面不准确等问题。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是：提供一种植物叶片表面湿度传感器，以克服现有技术中难以定量描述植物叶片表面湿度值以及模拟叶片表面湿度值不准确的技术问题；以及提供一种能够定量测量植物叶片表面湿度的装置。

（二）技术方案

为了解决上述所述的技术问题，一方面，本发明提供了一种植物叶片表面湿度传感器，包括基板和柔性铜条；

所述基板为柔性玻璃纤维板；

所述柔性铜条支撑所述柔性玻璃纤维板，并将所述柔性玻璃纤维板分割为湿容感测单元和频率感测单元；

所述湿容感测单元位于所述湿度传感器左侧，所述柔性玻璃纤维板的上面依次为下仿叶纹路镀金铜栅格、醋酸纤维素高分子材料、上仿叶纹路镀金铜栅格和表层光学乳胶涂层；

所述醋酸纤维素高分子材料分别与所述上仿叶纹路镀金铜栅格和所述下仿叶纹路镀金铜栅格组成两个电极；所述两个电极分别与所述表层光学乳胶涂层和所述柔性玻璃纤维板粘合一体；所述两个电极通过金手指插拔式接口对外连接；

所述频率感测单元包括环形镀金铜栅格和表层光学乳胶涂层；所述环形镀金铜栅格覆盖于所述湿度传感器右侧，输入端输出端构成测量电极；所述表层光学乳胶涂层覆盖于所述环形镀金铜栅格。

优选地，所述湿度传感器叶尖端设有叶片弯曲角度调整孔。

优选地，所述湿度传感器叶柄端设有固定密封块，所述固定密封块里嵌入有所述金手指插拔式接口和固定通孔。

优选地，所述柔性玻璃纤维板厚度为0.6mm。

优选地，所述柔性铜条的宽度为1mm。

优选地，所述镀金铜栅格最小宽度为0.08mm，栅格之间最小间距0.078mm，重量为14.175克。

另一方面，本发明还提供了一种植物叶片表面湿度测量装置，包括采集平台、固定台上、支撑架、金手指插座、信号处理电路和上述所述叶片表面湿度传感器；

所述采集平台通过侧面的通孔，穿在所述支撑架并置于所述固定台上；

所述固定台穿过所述支撑架并通过螺母挤压固定；

所述叶片表面湿度传感器通过所述金手指插座固定于所述采集平台，并与所述信号处理电路连接；

所述信号处理电路采集、处理所述叶片表面湿度传感器信号并向外提供0-2.5V电压的湿度信号。

优选地，所述采集平台是可组装的，所述采集平台支持叶片表面湿度传感器的数量不超过5个。

优选地，所述湿度信号的湿度值为0-700g/m²。

（三）有益效果

本发明所提供的一种植物叶片表面湿度传感器有如下优点：

1、本传感器整体材料的选择复合叶片热力学性质，辐射特性，表面经过沉金、防氧化、镀金处理，同时表层覆盖拟叶片疏水角质层胶，整体模拟叶片物理特性，使得测量结果更符合叶片实际情况，为准确测量提供基础；

2、采用区域射频反射与湿容原理，两种测量原理的结合使用能够定量获取叶片湿度，改变传统传感器通过干/湿两种状态分辨方式，无需现场校对，为植物病害产生机理研究提供便捷准确的数据支撑；

3、采用柔性基板，整个传感器具有一定应力与弯曲能力，通过在传感器顶端孔部增加螺丝等重物，能够改变传感器弯曲程度，模拟实际叶片弯曲情况，能够较好反应叶片在空间中的重力、倾斜等情况，能够对叶片表面湿度测量提供更好的测量环境，对水的凝结、沉降能够较真实反映；

4、叶片采用两种仿叶片纹络结构镀金铜栅格，覆盖整个测量叶片区域，栅格最小宽度0.08mm，栅格之间最小间距0.078mm，能够最大限度感测量叶片表面不同直径的水滴，提高感测精度。

附图说明

图1是本发明的植物叶片表面湿度传感器结构图；

图2是本发明的植物叶片表面湿度传感器的湿容部分构成图；

图3是本发明的植物叶片表面湿度装置构造图；

图4是本发明的信号处理电路构成原理图；

1-支撑架，2-固定台，3-螺母，4-叶片表面湿度传感器，5-采集平台，6-信号处理电路，7-金手指插座，8-传感器接口，9-通孔，11-上仿叶纹路镀金铜栅格，12-柔性铜条，13-叶片弯曲角度调整孔，14-醋酸纤维高分子材料，15-环形镀金铜栅格，16-金手指插拔式接口，17-柔性玻璃纤维板，18-下仿叶纹路镀金铜栅格，19-表层光学乳胶涂层，20-固定通孔，21-固定密封块。

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。

实施例一：

本实施例记载了一种植物叶片表面湿度传感器，包括基板和柔性铜条；

所述基板为柔性玻璃纤维板；

所述柔性铜条支撑所述柔性玻璃纤维板，并将所述柔性玻璃纤维板分割为湿容感测单元和频率感测单元；

所述湿容感测单元位于所述湿度传感器左侧，所述柔性玻璃纤维板的上面依次为下仿叶纹路镀金铜栅格、醋酸纤维素高分子材料、上仿叶纹路镀金铜栅格和表层光学乳胶涂层；

所述醋酸纤维素高分子材料分别与所述上仿叶纹路镀金铜栅格和所述下仿叶纹路镀金铜栅格组成两个电极；所述两个电极分别与所述表层光学乳胶涂层和所述柔性玻璃纤维板粘合一体；所述两个电极通过金手指插拔式接口对外连接；

所述频率感测单元包括环形镀金铜栅格和表层光学乳胶涂层；所述环形镀金铜栅格覆盖于所述湿度传感器右侧，输入端输出端构成测量电极；所述表层光学乳胶涂层覆盖于所述环形镀金铜栅格。

实施例二：

如图1所示，本实施例记载了一种植物叶片表面湿度传感器，包括：柔性玻璃纤维板17、柔性铜条12、叶片弯曲角度调整孔13和固定密封块21。柔性玻璃纤维板17作为模拟叶片的基板，柔性铜条12为1mm，支撑柔性玻璃纤维板17，并将柔性玻璃纤维板17分割为左边的湿容感测单元和右边的频率感测单元。

左边的湿容感测单元的结构如图2所示，柔性玻璃纤维板的上面依次为下仿叶纹路镀金铜栅格18、醋酸纤维高分子材料14、上仿叶纹路镀金铜栅格11和表层光学乳胶涂层19。采用醋酸纤维高分子材料14分别与上仿叶纹路镀金铜栅格11和下仿叶纹路镀金铜栅格18组成两个电极，形成湿容电极。两个电极并分别与表层光学乳胶层19和柔性玻璃纤维板17粘合一体，通过金手指插拔式接口16对外连接。

右边的频率感测单元如图1所示，环形镀金铜栅格15覆盖于模拟叶片右侧，即柔性玻璃纤维板17的右侧，输入端输出端构成测量电极；表层光学乳胶涂层19覆盖于所述环形镀金铜栅格15。

如图1所示，模拟叶片尖端有一个叶片角度调整孔13，通过增加一定重量的固定件，如小螺母。方便调整柔性叶片表面传感器的叶片方向和校对，确保与被测量区叶片方向和角度一致。叶片表面传感器4叶柄端采用电子灌封胶灌封形成固定密封块21，用于将一些裸露的电路部分密封，防止该部分电路进水影响测量。固定密封块21嵌入了金手指插拔式接口16与固定通孔20。

其中玻璃纤维板17采用0.6mm，其能量容纳约为1380Jm^-2K^-1，与0.45mm的叶片蓄能1420Jm^-2K^-1类似，拟合叶片热力学性质；同时镀金铜栅格最小宽度0.08mm，栅格之间最小间距0.078mm，重量为14.175克，能够覆盖叶片绝大部分区域，同时满足微米级的水分测量。传感器表面采用的光学乳胶涂层19能够透过水分同时模拟叶片光学特性，吸收红光与蓝紫光，反射绿光与近红外光，同时乳胶能够模拟叶片表层疏水角质层，使得叶片模拟更为科学与准确。传感器表层经过沉金、防氧化、镀金处理形成一体。

实施例三：

本实施例记载了一种植物叶片表面湿度测量装置，包括采集平台、固定台、支撑架、金手指插座、信号处理电路和上述所述叶片表面湿度传感器；

所述采集平台通过侧面的通孔，穿在所述支撑架并置于所述固定台上；

所述固定台穿过所述支撑架并通过螺母挤压固定；

所述叶片表面湿度传感器通过金手指插座固定于所述采集平台，并与所述信号处理电路连接；

所述信号处理电路采集、处理所述叶片表面湿度传感器信号并向外提供0-2.5V电压的湿度信号。

植物叶片表面湿度测量装置能够根据实际叶片大小,调整叶片的数量。

实施例四：

如图3所示，本实施例记载了一种植物叶片表面湿度测量装置，包括：支撑架1、固定台2、叶片表面湿度传感器4、金手指插座7、采集平台5和信号处理电路6。采集平台5通过侧面的通孔9，穿在支撑架1并置于固定台2上。固定台2穿过支撑架1并通过螺母3挤压固定，使用测量过程中根据实际测量叶片大小，选择叶片表面湿度传感器4安装。叶片表面湿度传感器4通过金手指插座7固定于采集平台5，并与信号处理电路6连接。直流电压通过传感器接口8为叶片表面湿度传感器提供电压。信号处理电路6采集、处理叶片表面湿度传感器4信号并向外提供0-2.5V，以g/m²为单位的湿度信号，实现叶片表面湿度定量化采集。

采集平台5是可组组装的，支持叶片表面湿度传感器4的数量不超过5个。

如图4所示的信号处理电路构成原理图，感测单元由多个模拟叶片构成，其中感测电极串接转换电路将相同类型感测电极串联，最终形成两组电极。同时程控有源晶振分别为频率反射电路、湿容电路提供20MH_Z与300K频率，频率反射电路通过回路返回频率信号，由于叶片表面有水分存在，导致频率衰减，不同的频率衰减能够反映不同的水分含量。

9-24V直流电源通过传感器接口为传感器供电，9-24V直流电源通过电源处理电路和电源处理电路的核心芯片（如LM2675），为系统（即微处理器、有源晶振、分频器和数字模拟转换电路）提供3V电源。湿容感测单元的多个叶片表面湿度传感器通过金手指插座与信号处理电路连接，其中的感测电极串接转换电路，将湿容电路部分和射频反射电路部分分别串接在一起扩大感测面积，对外输出两个电极，湿容电极与低通滤波器（LMV324）连接，射频反射电路与分频器（SN74LS292N）连接，同时程控有源晶振（Si599）为两个感测单元电路提供不同频率电信号，微处理器（STM32F050K4）通过I2C接口与SI599连接通讯，分别提供300K和20MHz的频率，微处理器中2个时钟计数器与经过处理的电极信号连接，用于计算频率信号经过感测单元返回的频率。20MHz高频信号通过区域频率反射电路形成一个LC振荡电路，当外部表面含水量增加，相应的频率发生变化，由此测得叶片表面含水量。相关计算公式如下：

$f_s=\frac{f_{\mathrm{dryair}}-f_t}{f_{\mathrm{dryair}}-f_{\mathrm{wetair}}}$

f_s为综合归一化频率，f_dryair为干燥空气下的频率值，f_wetair为700g/m2下频率值，f_t为测试返回的频率值。

f_s=a×H^b+c

c为常数项，用于调整表面湿度的相关度，能够将相关系数控制在0.9以上。H为区域频率反馈电路表面的湿度值。a，b系数为由与制作工艺的不同，如栅格铜片厚度、长度生产过程中存在一定的差异，导致测量结果有一定差异，a取值在200-300之间，b取值在1.0-2.0之间，具体值的确定需要根据不同叶片，对叶片喷雾使得叶片湿度0-700g/m²通过回归方程求得。

湿容电路部分采用采用醋酸纤维素高分子材料（对水汽灵敏度高、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易集成化,能够组成高分子薄膜电容的高分子材料）分别与上两个仿叶纹路镀金铜栅格和下两个仿叶纹路镀金铜栅格组成两个电极，配合程控有源晶振及外围电路构成振荡电路，测量两个电极之间的电容。通过提供300k的频率信号测量电极间的电容，通过电容的变化反映湿度的变化，计算公式如下：

C=(1/K)*(1/f)，其中C为电容值，K为电路参量，f为频率。

该湿容电路能够将电容值150pF-200pF转换为0-100%的湿度值，其对应关系为线性关系，其转换公式如下：

h=0.02c-3.0

c为测的电容值，单位为pF，h为湿容电路的湿度。

湿容电路测得的湿度为空气湿度与表面湿度的和空气湿度的和，用于修正区域频率反馈电路测得叶片表面湿度。

H_R=H×h+e^0.0000047x

x为两种测量方式频率差平均值，H_R为叶片表面湿度值。

微处理器通过以上公式计算出叶片表面湿度值，通过12位DA转换电路（MCP4821）将湿度信号转换为模拟电压信号，信号输出0-2500mV对应叶片表面湿度值0-700g/m²。

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 (9)

1.一种植物叶片表面湿度传感器，其特征在于，包括基板和柔性铜条；

所述基板为柔性玻璃纤维板；

所述柔性铜条支撑所述柔性玻璃纤维板，并将所述柔性玻璃纤维板分割为湿容感测单元和频率感测单元；

所述湿容感测单元位于所述湿度传感器左侧，所述柔性玻璃纤维板的上面依次为下仿叶纹路镀金铜栅格、醋酸纤维素高分子材料、上仿叶纹路镀金铜栅格和表层光学乳胶涂层；

所述醋酸纤维素高分子材料分别与所述上仿叶纹路镀金铜栅格和所述下仿叶纹路镀金铜栅格组成两个电极；所述两个电极分别与所述表层光学乳胶涂层和所述柔性玻璃纤维板粘合一体；所述两个电极通过金手指插拔式接口对外连接；

所述频率感测单元包括环形镀金铜栅格和表层光学乳胶涂层；所述环形镀金铜栅格覆盖于所述湿度传感器右侧，输入端输出端构成测量电极；所述表层光学乳胶涂层覆盖于所述环形镀金铜栅格。

2.根据权利要求1所述的表面湿度传感器，其特征在于，所述湿度传感器叶尖端设有叶片弯曲角度调整孔。

3.根据权利要求1所述的表面湿度传感器，其特征在于，所述湿度传感器叶柄端设有固定密封块，所述固定密封块里嵌入有所述金手指插拔式接口和固定通孔。

4.根据权利要求1所述的表面湿度传感器，其特征在于，所述柔性玻璃纤维板厚度为0.6mm。

5.根据权利要求1所述的表面湿度传感器，其特征在于，所述柔性铜条的宽度为1mm。

6.根据权利要求1所述的表面湿度传感器，其特征在于，所述镀金铜栅格最小宽度为0.08mm，栅格之间最小间距0.078mm，重量为14.175克。

7.一种植物叶片表面湿度测量装置，其特征在于，包括采集平台、固定台上、支撑架、金手指插座、信号处理电路和权利要求1～6任一项所述叶片表面湿度传感器；

所述采集平台通过侧面的通孔，穿在所述支撑架并置于所述固定台上；

所述固定台穿过所述支撑架并通过螺母挤压固定；

所述叶片表面湿度传感器通过金手指插座固定于所述采集平台，并与所述信号处理电路连接；

所述信号处理电路采集、处理所述叶片表面湿度传感器信号并向外提供0-2.5V电压的湿度信号。

8.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于，所述采集平台是可组装的，所述采集平台支持叶片表面湿度传感器的数量不超过5个。

9.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于，所述湿度信号的湿度值为0-700g/m²。

Images