CN103439187A - 作物水分状况茎变差监测变送器 - Google Patents

Abstract

本发明属于农业节水灌溉技术领域，尤其涉及一种作物水分状况茎变差监测变送器。包括：探头和处理电路两部分。探头包括：位移传感器、探头支架、恒力弹簧支架。位移传感器的测量推拉杆上固定有卷制恒力弹簧的凹形拉伸移动托架，在恒力弹簧支架的右上部和右下部对称地安装有两个相同的卷制恒力弹簧，它们的拉伸端分别对称地固定于凹形拉伸移动托架的上、下两侧。因为卷制恒力弹簧通过测量推拉杆对茎秆施加力的大小，始终保持在最佳大小上，所以不必再进行调校，直至测量推拉杆的全部量程压缩完毕为止，克服了植株茎生长对茎变差监测结果的影响。处理电路采用了外置高精度电压基准单独向位移传感器供电的非常规做法，稳定性好。结构简单，成本低廉。

Description

作物水分状况茎变差监测变送器

技术领域：

本发明属于农业节水灌溉技术领域，尤其涉及一种作物水分状况茎变差监测变送器。

背景技术：

茎变差监测变送器用于监测作物茎秆直径的微变化，作物茎秆直径的微变化是指作物茎秆白天蒸腾失水收缩，夜晚根系吸水膨胀，由此导致的植株茎秆直径上的微小变化。作物茎直径微变化与作物体内的水分变化密切相关，同时它还能反应出外界蒸腾条件及土壤供水能力的变化。国外利用植株茎直径微变化监测作物水分状况的相关试验研究从20世纪50年代末就已经开始，20世纪80年代在继续深化机理研究的同时，开始注重于应用技术的探索。1984年，McBurney等针对已有方法的不确定性和植物生长对测定结果的影响等问题，对茎直径变化和茎水势之间的关系及测定方法做了进一步研究。20世纪90年代，茎直径变化监测作物水分方法在自动控制灌溉系统中已有所运用。1995年，Sato等在温室条件下进行了盆栽试验。他们设计安装了一个自动控制供水系统，包括一台PC、I／O界面、喷灌设备、光合光子通量密度(PPFD)传感器和激光茎直径传感器。与其它研究不同，Sato等用茎直径变化监测作物水分状况的手段是激光直径传感器，因为激光茎直径传感器没有其它研究中用带弹簧的位移传感器受植物茎生长影响的问题。位移传感器是通过弹簧夹持在植物茎秆上的，弹簧作用于植物茎秆上的压力与弹簧的位移成正比，伴随植物茎秆的生长使弹簧的位移加大，从而作用于植物茎秆上的压力逐渐增强，导致植株茎秆直径的微小变化(膨胀和收缩)也逐步减少而严重影响茎变差的监测结果。例如：中国农业科学院农田灌溉研究所在采用德国产DD型茎直径变化传感器测定番茄植株茎直径微变化时，探头安装松紧的初始值控制在1000Ω(相当于弹簧压缩1000μm)，由于番茄茎直径的自然生长作用其值会增加，当所测探头电阻超过1500Ω(相当于弹簧压缩1500μm)时，将探头调松至1000Ω(相当于弹簧压缩1000μm)，以减少番茄茎秆自然生长的影响。进行如此频繁的调校，在自动控制灌溉系统中是绝对不能接受的，因此，茎生长严重影响茎变差的监测结果的问题，是采用茎变差方法诊断作物缺水程度，实现灌溉自动控制实际运用的一个必须逾越的障碍和必须解决的一个前提。本发明人的试验也证实，弹簧对茎秆施加力的大小，是，是否能测到茎直径的日变化和测量灵敏度高低的决定因素，经试验，对番茄茎秆施加力的最佳大小是9.6N。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种能消除作物茎生长影响且稳定性好的作物水分状况茎变差监测变送器。

本发明的目的是这样实现的：

一种作物水分状况茎变差监测变送器，包括：探头和处理电路两部分，探头部分包括：位移传感器、探头支架、恒力弹簧支架和被测植株茎秆，位移传感器为电位器式位移传感器，位移传感器的测量推拉杆上远离位移传感器的最外端固定有茎秆活动顶托，测量推拉杆上靠近位移传感器的一端，并且随着测量推拉杆的移动不被碰撞的位置固定有用来固定上卷制恒力弹簧和下卷制恒力弹簧的拉伸端的拉伸移动托架，拉伸移动托架为凹形，探头支架由左侧L型架、右侧L型架、上丝杆、下丝杆和丝杆固定螺丝以及固定在右侧L型架上的茎秆固定顶托组成，位移传感器固定在左侧L型架上，恒力弹簧支架的左侧固定在左侧L型架上，在恒力弹簧支架的右上部通过滚轮1和滚轮固定轴1安装有上卷制恒力弹簧，与之对称，在恒力弹簧支架的右下部通过滚轮2和滚轮固定轴2安装有下卷制恒力弹簧，上卷制恒力弹簧和下卷制恒力弹簧的拉伸端分别对称地固定于拉伸移动托架的上、下两侧，被测植株茎秆被夹在茎秆活动顶托和茎秆固定顶托之间，处理电路部分包括：由电压基准集成电路和滤波电容1、滤波电容2构成的向位移传感器进行精准供电的电路，由电压电流转换集成电路、滤波电容3、滤波电容4、失调调整电位器、量程调整电位器、电阻1、电阻2和场效应管构成的输入电压转化为4～20mA的电流输出的电路，向位移传感器进行精准供电的电路的输出端即电压基准集成电路的第6脚与位移传感器的供电端连接，位移传感器的电压输出端与输入电压转化为4～20mA的电流输出的电路的输入端即电压电流转换集成电路的第5脚连接，位移传感器的接地端分别与向位移传感器进行精准供电的电路和输入电压转化为4～20mA的电流输出的电路的接地端相连即位移传感器的接地端分别与电压基准集成电路的第4脚和电压电流转换集成电路的第2脚连接。

以番茄为例，测量番茄茎变差，对番茄茎秆施加力的最佳大小是9.6N，据此，选择两个相同的拉伸力同为4.8N的卷制恒力弹簧，分别作为上卷制恒力弹簧和下卷制恒力弹簧安装在恒力弹簧支架上。通过调节丝杆固定螺丝来调节测量推拉杆的初始压缩量，一般可选择压缩1000μm。因为上卷制恒力弹簧和下卷制恒力弹簧通过测量推拉杆对番茄茎秆施加力的大小，始终保持在9.6N这个最佳大小上，所以不必再进行调校，直至测量推拉杆的全部量程压缩完毕为止，克服了植株茎生长对茎变差监测结果的影响。

本发明的处理电路没有采用电压电流转换集成电路的内部电压基准向位移传感器供电的常规做法，而是采用外置高精度电压基准单独向位移传感器供电的非常规做法，避免了相互牵制，显著提高了作物水分状况茎变差监测变送器的工作稳定性。

本发明具有如下积极效果：

本发明的作物水分状况茎变差监测变送器，能很好地消除作物茎生长对茎变差监测结果的影响，稳定性好，结构简单，成本低廉。

附图说明：

附图1为本发明的探头结构的示意图。

附图2为本发明的处理电路的电路图。

具体实施方式：

一种作物水分状况茎变差监测变送器，如附图1和附图2所示，包括：探头和处理电路两部分，探头部分包括：位移传感器1、探头支架2、恒力弹簧支架3和被测植株茎秆4，位移传感器1为电位器式位移传感器，位移传感器1的测量推拉杆1-1上远离位移传感器1的最外端固定有茎秆活动顶托1—2，测量推拉杆1—1上靠近位移传感器1的一端，并且随着测量推拉杆1—1的移动不被碰撞的位置固定有用来固定上卷制恒力弹簧3—1和下卷制恒力弹簧3-2的拉伸端的拉伸移动托架1-3，拉伸移动托架1—3为凹形，探头支架2由左侧L型架2—1、右侧L型架2—2、上丝杆2—3、下丝杆2-4和丝杆固定螺丝以及固定在右侧L型架2—2上的茎秆固定顶托2-5组成，位移传感器1固定在左侧L型架2—1上，恒力弹簧支架3的左侧固定在左侧L型架2—1上，在恒力弹簧支架3的右上部通过滚轮1和滚轮固定轴1安装有上卷制恒力弹簧3-1，与之对称，在恒力弹簧支架3的右下部通过滚轮2和滚轮固定轴2安装有下卷制恒力弹簧3-2，上卷制恒力弹簧3-1和下卷制恒力弹簧3—2的拉伸端分别对称地固定于拉伸移动托架1—3的上、下两侧，被测植株茎秆4被夹在茎秆活动顶托1-2和茎秆固定顶托2—5之间，处理电路部分包括：由电压基准集成电路U1和滤波电容1(C2)、滤波电容2(C3)构成的向位移传感器1进行精准供电的电路，由电压电流转换集成电路U2、滤波电容3(C1)、滤波电容4(C4)、失调调整电位器RV1、量程调整电位器RV2、电阻1(R1)、电阻2(R2)和场效应管Q1构成的输入电压转化为4～20mA的电流输出的电路，向位移传感器1进行精准供电的电路的输出端即电压基准集成电路U1的第6脚与位移传感器1的供电端连接，位移传感器1的电压输出端与输入电压转化为4～20mA的电流输出的电路的输入端即电压电流转换集成电路U2的第5脚连接，位移传感器1的接地端分别与向位移传感器1进行精准供电的电路和输入电压转化为4～20mA的电流输出的电路的接地端相连即位移传感器1的接地端分别与电压基准集成电路U1的第4脚和电压电流转换集成电路U2的第2脚连接。

如附图1所示，以番茄为例，测量番茄茎变差，对番茄茎秆施加力的最佳大小是9.6N，据此，选择两个相同的拉伸力同为4.8N的卷制恒力弹簧，分别作为上卷制恒力弹簧3—1和下卷制恒力弹簧3—2安装在恒力弹簧支架3上。通过调节丝杆固定螺丝来调节测量推拉杆1-1的初始压缩量，一般可选择压缩1000μm。因为上卷制恒力弹簧3—1和下卷制恒力弹簧3-2通过测量推拉杆1-1对番茄茎秆施加力的大小，始终保持在9.6N这个最佳大小上，所以不必再进行调校，直至测量推拉杆1-1的全部量程压缩完毕为止，克服了植株茎生长对茎变差监测结果的影响。

卷制恒力弹簧既有国产的也有进口的，可找厂家订做；位移传感器可在上海精线电子科技有限公司型号为JSP的5mm位移传感器的基础上订做。

如附图2所示，本发明的处理电路没有采用电压电流转换集成电路U2的内部电压基准向位移传感器1供电的常规做法，而是采用外置高精度电压基准单独向位移传感器1供电的非常规做法，避免了相互牵制，显著提高了作物水分状况茎变差监测变送器的工作稳定性。

电压基准集成电路U1的型号为AD586；电压电流转换集成电路U2的型号为XTR110，其它见附图2的标注。

Claims (1)

1.一种作物水分状况茎变差监测变送器，其特征在于：包括探头和处理电路两部分，探头部分包括位移传感器(1)、探头支架(2)、恒力弹簧支架(3)和被测植株茎秆(4)，位移传感器(1)为电位器式位移传感器，位移传感器(1)的测量推拉杆(1—1)上远离位移传感器(1)的最外端固定有茎秆活动顶托(1—2)，测量推拉杆(1—1)上靠近位移传感器(1)的一端，并且随着测量推拉杆(1—1)的移动不被碰撞的位置固定有用来固定上卷制恒力弹簧(3—1)和下卷制恒力弹簧(3—2)的拉伸端的拉伸移动托架(1—3)，拉伸移动托架(1—3)为凹形，探头支架(2)由左侧L型架(2-1)、右侧L型架(2-2)、上丝杆(2-3)、下丝杆(2-4)和丝杆固定螺丝以及固定在右侧L型架(2-2)上的茎秆固定顶托(2-5)组成，位移传感器(1)固定在左侧L型架(2—1)上，恒力弹簧支架(3)的左侧固定在左侧L型架(2—1)上，在恒力弹簧支架(3)的右上部通过滚轮1和滚轮固定轴1安装有上卷制恒力弹簧(3—1)，与之对称，在恒力弹簧支架(3)的右下部通过滚轮2和滚轮固定轴2安装有下卷制恒力弹簧(3-2)，上卷制恒力弹簧(3-1)和下卷制恒力弹簧(3—2)的拉伸端分别对称地固定于拉伸移动托架(1—3)的上、下两侧，被测植株茎秆(4)被夹在茎秆活动顶托(1—2)和茎秆固定顶托(2-5)之间，处理电路部分包括由电压基准集成电路(U1)和滤波电容1(C2)、滤波电容2(C3)构成的向位移传感器(1)进行精准供电的电路，由电压电流转换集成电路(U2)、滤波电容3(C1)、滤波电容4(C4)、失调调整电位器(RV1)、量程调整电位器(RV2)、电阻1(R1)、电阻2(R2)和场效应管(Q1)构成的输入电压转化为4～20mA的电流输出的电路，向位移传感器(1)进行精准供电的电路的输出端即电压基准集成电路(U1)的第6脚与位移传感器(1)的供电端连接，位移传感器(1)的电压输出端与输入电压转化为4～20mA的电流输出的电路的输入端即电压电流转换集成电路(U2)的第5脚连接，位移传感器(1)的接地端分别与向位移传感器(1)进行精准供电的电路和输入电压转化为4～20mA的电流输出的电路的接地端相连即位移传感器(1)的接地端分别与电压基准集成电路(U1)的第4脚和电压电流转换集成电路(U2)的第2脚连接。

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