CN104820136B - 一种快速测量作物叶片介电常数的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速测量作物叶片介电常数的装置和方法，测量装置主要包括：支架一、支架二、平行电极板、压力传感器、形变弹簧、缓压弹簧、扳手一、扳手二、刻度尺、连接结点等。本发明装置为钳子型，其中支架一、支架二构成钳头，平行电极板位于钳口，扳手一、扳手二之间活动连接构成钳柄。测量时在电极板间夹紧待测叶片，其通过固定钳口处电极板的面积，由压力传感器和弹簧形变量间接测出叶片厚度，由LCR数字电桥测得电极板间的电容，单片机处理系统根据平行板电容器原理得出待测叶片的介电常数。本发明采用模块化原则设计，可以实现对活体作物局部叶片介电常数的快速检测。本发明具有以下优点：携带方便，易于操作，一体化，快速检测等。

Description

一种快速测量作物叶片介电常数的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种快速检测作物局部叶片介电常数的装置和方法，属于检测仪器技术领域。

背景技术

目前，作物的缺水检测已经成为农业工程的一个重大问题，而传统的烘干减重法虽然能够精确得到作物含水率，但此方法周期长且不能进行活体检测，因此有一定的局限性。近几年，随着科技的快速发展，一些先进的技术应用于作物叶片的含水率检测，包括光谱技术和电特性等技术。就电特性技术而言，介电常数作为物体的一种属性，因此只要确定含水量与介电常数的关系即可通过介电常数来预测样本含水量。本发明正是基于此背景而研究的一种快速检测作物叶片介电常数的装置。

现有技术中，采用人工分割作物叶片使其与平行板电极面积相等，并手工测量叶片的厚度，进而得出作物叶片的介电常数，这种方法对测量仪器精确度要求苛刻，并且分割作物叶片这种方法耗时很大等问题。而就测量介电常数而言，在具体的检测中会出现很多问题，如作物叶片样本很薄且易形变，在实际操作中测量其厚度时因夹持力太大容易破坏样本或夹持力太小不能夹紧样本导致数据不准确。本发明在活体作物且不损坏叶片的情况下能够快速测量其介电常数。本发明可测量玉米、生菜、小麦等农作物的介电常数。

发明内容

为了解决背景技术中提到的对测量仪器精度要求苛刻以及叶片易被夹坏等问题，本发明提出了一种简便快捷测量介电常数的装置，采用的技术方案为：

一种快速测量作物叶片介电常数的装置，包括：作物叶片夹紧装置、作物叶片厚度测量装置、LCR测量仪以及数据处理装置；

所述作物叶片夹紧装置包括：电极板、绝缘陶瓷、支架一、支架二、连接结点、扳手一、扳手二；所述支架一和所述支架二均为半圆形，所述支架一的一端依次胶黏绝缘陶瓷、电极板，所述支架二与支架一对应的一端依次胶黏绝缘陶瓷、电极板，构成平行板电容器；所述支架一和所述支架二的另一端分别与所述扳手一和所述扳手二固定连接，所述扳手一和所述扳手二通过连接结点活动连接；所述扳手二中间一段为缓压弹簧；

所述作物叶片厚度测量装置位于所述支架一和所述支架二的圆周内部，包括：压力传感器和形变弹簧；所述压力传感器的一端与所述形变弹簧的一端固定连接，所述压力传感器的另一端与支架一连接，所述形变弹簧的另一端与支架二连接；

所述LCR测量仪与电极板相连接，用于测量不同频率下电极板间的电容；

所述数据处理装置分别与压力传感器和LCR测量仪相连接，用于处理测量得到的参数，计算介电常数并缓存和输出至显示屏。

进一步，所述数据处理装置采用单片机，所述显示屏安装在所述支架一上。

进一步，所述扳手一和扳手二之间有压力固定装置，所述压力固定装置包括：刻度尺和刻度板；所述刻度尺的一端固定连接扳手一，所述刻度尺上连接所述刻度板。

进一步，所述压力传感器与支架一通过支架三连接，所述形变弹簧与支架二通过支架四连接，所述支架三与压力传感器的总长度与支架四的长度相等。

进一步，所述支架一和所述支架二均为空心金属管、横截面均为圆形。

进一步，所述支架一和所述支架二与所述绝缘陶瓷的连接处分别设有第一小孔，所述支架一和所述支架二的管壁上分别开有第二小孔，所述支架一和所述支架二内部均有导线，所述导线外部依次包有绝缘层和塑料导管，所述导线的一端穿过第一小孔固定焊接在所述电极板上，所述导线的另一端穿过所述第二小孔与LCR测量仪连接。

进一步，所述电极板为圆形，采用铜或铝，尺寸小于作物叶片样本的尺寸。

进一步，所述缓压弹簧可更换。

基于上述装置，本发明还提出了一种快速测量作物叶片介电常数的方法，包括以下步骤：

a.测量前，通过制动扳手一和扳手二使电极板间的压力达到最大，更换调整缓压弹簧，使最大压力在待测叶片可承受的压力范围内，并且在刻度尺上标出待测叶片承受最佳压力值的位置，用刻度板固定该位置；

b.电极板间不夹任何样本，通过制动扳手一和扳手二让两电极板完全接触闭合，记录形变弹簧所受到的压力F1；

c.将待测叶片放置在两电极板间，并完全覆盖两电极板，制动扳手一和扳手二使叶片被夹紧，将扳手二固定在步骤b中刻度板的位置，记录形变弹簧所受到的压力F2；

d.计算因夹持样本而引起的压力差为F＝F1-F2，根据此压力差推衍出电极板由完全闭合到张开一定角度下形变弹簧的形变量，根据杠杆及三角形原理即可推衍出电极板间的距离，即电极板夹紧作物叶片的厚度；

e.利用LCR测量仪测量得到电极板间的电容；

f.根据电极板的尺寸，计算电极板的面积；

g.利用单片机处理系统对步骤b、c、d、e、f的参数进行计算，根据平行板电容器原理得到作物叶片介电常数，并将结果放入缓存和输出显示屏。

进一步，所述步骤a还包括：在两电极板间放入标准薄片压力传感器。

本发明的有益效果为：

(1)作物叶片夹紧装置利用缓压弹簧的缓压特性，通过调节更换不同型号的弹簧可调节两极板间压力最大值，进而可保证压力最大值在作物叶片可承受的范围内，既可达到电极板夹紧作物叶片的目的，又不会损伤作物叶片。

(2)通过对刻度尺和刻度板的设计，可做到两电极板间压力固定为样本承受的最佳压力，并可多级调节。

(3)压力传感器和形变弹簧的结合使用，仅根据相应公式即可计算得到作物叶片厚度，简单易操作，且精度高。

(4)设计电极板的尺寸小于作物叶片样本的尺寸，可保证电极板的面积即为平行板电容器的有效面积，计算简单、实用性好；并且电极板与支架一和支架二之间夹有绝缘陶瓷，消除了边缘效应。

(5)支架一、支架二设计为半圆形，保证有足够的空间装下形变弹簧、压力传感器等器件。

(6)本发明提出的装置结构简单、成本低、集成度高、体积小、易于携带和操作，可应用于局部活体作物。

附图说明

图1为本发明提供的测量介电常数的装置结构图；

图2为本发明提供的支架一和支架二内部的导线通道示意图；

图3为本发明提供的快速更换缓压弹簧的结构示意图；

图4为本发明提供的定量刻度两极板间压力并进行固定的刻度装置图；

图5为本发明提供的测量作物样本厚度的原理示意图；

图6为本发明提供的一种数据处理结构框图。

其中，1-电极板，2-绝缘陶瓷，3-支架一，4-支架二，5-扳手二，6-扳手一，7-缓压弹簧，8-连接结点，9-压力传感器，10-形变弹簧，11-显示屏，12-支架三，13-支架四，14-刻度尺，15-刻度板，16-导线，17-绝缘层，18-塑料导管，19-插槽，20-座架。

具体实施方式

本发明提出一种测量作物叶片介电常数的装置，包括平行电极板、电极板夹紧作物叶片的装置、两极板间压力固定的装置、作物叶片厚度测量的装置、LCR测量仪及数据处理装置等。

平行电极板的设计：包括电极板1和绝缘陶瓷2，为了简单装置及实用性，选用的平行电极板1尺寸应很小，小于作物叶片样本的尺寸。

电极板夹紧作物叶片的装置：包括支架一3、支架二4、扳手一6、扳手二5、连接结点8和缓压弹簧7，利用缓压弹簧7的缓压特性，调节不同型号的缓压弹簧7可调节电极板1间压力最大值；当调节压力值在适用的压力范围内，即可达到电极板1夹紧作物叶片的目的。

两极板间压力固定的装置：包括刻度尺14和刻度板15，通过对刻度尺14的设计，可达到对电极板1间压力进行固定并可选用多级压力型号。

作物叶片厚度测量的装置：包括压力传感器9和形变弹簧10，当两电极板1夹紧叶片时，通过压力传感器9和形变弹簧10形变量的结合，根据相应公式可测得作物叶片厚度。

LCR测量仪：此装置可测量不同频率下两电极板1间的电容值。

数据处理装置：此装置是基于单片机系统而设计的，可将测得的电容、测得的作物叶片厚度、及平行板的有效面积等参数进行处理，计算得到作物叶片的介电常数，做到缓存及输出。

具体实施原理及实施步骤如下：

(1)本发明是基于平行板电容器原理而设计的。

(2)利用弹簧的缓压特性，通过对缓压弹簧7长度及其形变系数的调节，可做到对两极板间压力进行多级调节控制并固定；

为了确定两电极板1间的压力值，可在电极板1间放入标准薄片压力传感器进行压力刻度，借助于该薄片压力传感器，一方面可以将电极板1的最大压力设在样本承受范围内，另一方面可以将样本承受的最佳压力值在刻度尺14上标出并用刻度板15固定。

(3)当两电极板1间压力固定时，制动扳手一6和扳手二5在不夹任何样本的情况下，让两电极板1完全接触闭合，记录形变弹簧10所受到的压力F1，当两电极板1间夹持样本时，记录形变弹簧10受到的压力为F2，此时，由于夹持样本而引起的压力差为F＝F1-F2，即可根据此压力差推衍出形变弹簧10由完全闭合到张开一定角度下对压力传感器9压力的变化量，根据杠杆及三角形原理即可推衍出两电极板1间的距离，间接测得作物叶片的厚度。

(4)采用固定的电极板1，并做到使电极板1的尺寸(无论长或宽)均小于作物叶片样本，此时平行板电容器公式中的有效面积即为电极板1的面积。

(5)根据LCR测量仪可测得两电极板1间作物叶片的电容。

(6)上述(2)～(5)中的参数，可通过单片机进行处理计算，得到作物叶片的介电常数。

本发明装置的关键点在于两电极板1在不损坏叶片的情况下又夹紧叶片，利用缓压弹簧7的缓压和形变原理，当制动扳手一6和扳手二5时，根据弹簧的弯曲量驱使两电极板1间的压力逐渐增大，直到弹簧弯曲度达到最大，两电极板间压力值达到最大；此时，两电极板间的压力最大值为一固定值。根据此原理，调节缓压弹簧7的型号，即更换不同形变系数的弹簧，实现控制两电极板1间的压力最大值在作物叶片可承受的范围内。

实施例

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，为本发明提供的一种测量叶片介电常数的结构图，包括电极板1、绝缘陶瓷2、支架一3、支架二4、扳手一6、扳手二5、缓压弹簧7、连接结点8、压力传感器9、形变弹簧10、显示屏11、支架三12、支架四13、刻度尺14等。本装置为钳子状结构，长度大小设计为30cm左右，支架一3和支架二4相当于钳头，扳手一6和扳手二5相当于钳柄，扳手一6和扳手二5通过连接结点8可实现活动夹紧，进而带动钳口处的电极板1夹紧。其中支架一3和支架二4的横截面为圆形，材料为金属，因为金属不易形变，且内部为空心。考虑到压力传感器9和形变弹簧10等部件的安装，将支架一和支架二做成相等大小的半圆形，保证有足够的空间装下形变弹簧10、压力传感器9及支架三12和支架四13等器件，所述支架三12连接支架一3的圆周正中间位置，所述支架四13连接支架二4的圆周正中间位置，其中压力传感器9和支架三12的总长度等于支架四13的长度，如此可大大简化计算过程，并可提高计算精度。

本发明是基于平行板电容器的原理而设计的，因此，电极板1的设计至关重要。电极板1的设计规则如下：①测量样本时样本必须能完全覆盖电极板1。②电极板1避免与其他金属物品导通，以消除边缘效应。因此设计的电极板1为圆形，薄且面积小，直径为5mm，厚度1mm，材料为铜或铝，电极板1与支架一3、支架二4间隔一层薄绝缘陶瓷2，且电极板1、绝缘陶瓷2和支架一3、支架二4之间用黏胶黏住。

本发明中涉及到两个弹簧，两个弹簧起到的作用不同。两个弹簧的具体安装如下：

先安装形变弹簧10，再安装缓压弹簧7，其中，形变弹簧10起到测量样本厚度的作用，而缓压弹簧7仅起到减压缓压的作用。在安装这两个弹簧时，形变弹簧10与压力传感器9的连接部分应牢牢固定，因为此部分简单的位移会对测量厚度产生很大的影响；而缓压弹簧7要求没有那么高，此部分仅起到减压缓压的作用。在安装完形变弹簧10时，应考虑：在形变弹簧10无压缩无伸长的情况下，钳口即两电极板1处应该处于张开状态。

如图2所示，本发明中的支架一和支架二内部的导线通道连接装置。

在电极板1、绝缘陶瓷2及支架一3、支架二4连接中，电极板1与支架一3和支架二4中间间隔一层陶瓷材料，导线16与电极板1焊紧，在绝缘陶瓷2与支架一3和支架二4连接处分别设置第一小孔供塑料导管18通过。导线16经塑料导管18进入支架一3和支架二4内部，塑料导管18内部前端导线16为裸露，用于和电极板1焊接，后端部分外面有绝缘层17包裹隔离，以防止导线和金属支架一3、金属支架二4连接导通；支架一3和支架二4靠近连接结点8处的管壁上分别开有第二小孔，所述支架一3和支架二4内部的导线16经第二小孔穿出与LCR测量仪连接。

如图3所示，本装置提供了一种快速更换缓压弹簧的装置。扳手二5中间部位有切口，在两个切口处分别安装了相同的插槽19，并在不同型号的缓压弹簧7上安装了与插槽19对应的座架20。当调节更换缓压弹簧7时，可直接将相应的缓压弹簧7根据插槽19与座架20的对应方式直接装入扳手二5的切口处即可。

如图4所示，本发明提供的一种定量刻度两电极板间压力并进行多级固定的刻度装置。由刻度尺14与刻度板15两部分组成，两者均为金属材料，刻度尺14作为刻度板15的载体，即在刻度时，刻度板15在刻度尺14中的位置决定了两电极板1间的压力；例如，两电极板间压力最大值为10N，可根据对比实验或借助于标准薄片压力传感器在刻度尺14上刻度某些压力值，如1N，2N，3N，4N，5N，6N，7N，…等，即可完成对电极板1间的压力值进行简单的刻度固定。刻度尺14的尺寸要足够长(在扳手一6和扳手二5无制动状态下，刻度尺14能够延伸在两扳手间)，本刻度板15为弯曲成直角的形状，是为了将刻度板15卡在刻度尺14上时，防止另一端与扳手平行；刻度尺14一端固定于扳手一6，可用四个螺母将刻度尺14固定于扳手一6上，保持其在扳手一6上的稳定，并且在刻度尺14内部划开两条细缝，同时也应在刻度板15上相应的位置钻出两个小孔，此细缝和小孔的作用是为了能够通过螺母将刻度尺14与刻度板15连接在一起，做到能够任意更换刻度板15在刻度尺14上的位置。只要在刻度尺14上记下对应的压力刻度，将刻度板15装入相对应的压力刻度下即可完成对压力的刻度定量。此外，本发明中扳手一6和扳手二5的横截面为正方形，其中扳手二5后半部分比前半部分要细很多。这是由于当定量刻度时，需将扳手二5放入相应的刻度内，刻度可能很密集，若扳手二很粗则在两个刻度之间不能放下；若较细则可完全放入，提高精度。

如图5所示，本发明提供了一种根据形变弹簧受到的压力测得两电极板间作物叶片厚度的原理示意图。实际上用于计算厚度的点可简化为三个点:电极板1的中心点a、形变弹簧10与压力传感器9交点b及连接结点8的中心点c；以a、b、c为顶点构成三角形，bc与ac的夹角记作α₁。当钳口处两电极板1完全闭合时，如实线部分所示，测得a到c的距离为L，形变弹簧10的一半长度为d；当钳口处两电极板1由闭合到张开一定角度α时，如虚线部分所示，形变弹簧10较完全闭合时水平高出部分为d1，钳口张开的高度为x，即为实际样本厚度的一半。图5仅为整个装置的一半简易示意图，另一半与此示意图完全对称。计算得到如下关系式：

$d_1=\frac{F}{2k}$

$d_1+d=\frac{d}{\sin \mathrm{\α}}\sin ({\mathrm{\α}}_1+\mathrm{\α})$

x＝L sina

即 $x=L\sin [\arcsin \left(\frac{2\mathrm{kd}+F}{2\mathrm{kd}}\sin {\mathrm{\α}}_1\right)-{\mathrm{\α}}_1]---\left(1\right)$

其中： ${\mathrm{\α}}_1=\mathrm{src}\sin \frac{d}{\sqrt{\frac{1}{4}{L}^2-d^2}}.$

如图6所示，为本发明基于单片机的数据处理系统框图。压力传感器9输出的模拟信号，通过A/D转换电路得到相应的数字信号，将此数字信号输入给单片机；单片机的另一路输入来自LCR测量仪测量电极板1间的电容信息，在测量LCR参数时需要考虑到频率的影响，因为在不同频率下，测得的电容不同，得到的介电常数便不同。本装置中的简易LCR测量仪内部设置37个频率点，即在启动整个装置后，装置可快速测量37个频率点对应的LCR参数，当37个频率点下的LCR参数测量出来后，可将此数据快速送入数据处理系统中的数据缓存；进而内部程序可对不同频率点下的介电常数进行计算，通过输入的公式(1)即可得到x(两电极板1间距离的一半，即作物叶片厚度的一半)，进而可得到作物叶片的厚度；进一步计算电极板1的面积，根据平行板电容器的公式可推算出作物叶片的介电常数。计算结果一路送入数据缓存，另一路输出显示，通过触摸显示屏11将数据显示出来。

所应理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，在不违背本发明的原则和实质内容的前提下，所作任何改进、变型以及等同替换等都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种快速测量作物叶片介电常数的装置，其特征在于，包括：作物叶片夹紧装置、作物叶片厚度测量装置、LCR测量仪以及数据处理装置；

所述作物叶片夹紧装置包括：电极板(1)、绝缘陶瓷(2)、支架一(3)、支架二(4)、连接结点(8)、扳手一(6)、扳手二(5)；所述支架一(3)和所述支架二(4)均为半圆形，所述支架一(3)的一端依次胶黏绝缘陶瓷(2)、电极板(1)，所述支架二(4)与支架一(3)对应的一端依次胶黏绝缘陶瓷(2)、电极板(1)，构成平行板电容器；所述支架一(3)的另一端和所述支架二(4)的另一端分别与所述扳手一(6)和所述扳手二(5)固定连接，所述扳手一(6)和所述扳手二(5)通过连接结点(8)活动连接；所述扳手二(5)中间一段为缓压弹簧(7)；

所述作物叶片厚度测量装置包括位于所述支架一(3)和所述支架二(4)的圆周内部的压力传感器(9)和形变弹簧(10)、以及位于扳手一(6)和扳手二(5)之间的刻度尺(14)和刻度板(15)；所述压力传感器(9)的一端与所述形变弹簧(10)的一端固定连接，所述压力传感器(9)的另一端与支架一(3)连接，所述形变弹簧(10)的另一端与支架二(4)连接；所述刻度尺(14)的一端固定在所述扳手一(6)上，所述刻度板(15)能够卡在所述刻度尺(14)上；

所述LCR测量仪与电极板(1)相连接，用于测量不同频率下电极板(1)间的电容；

所述数据处理装置分别与压力传感器(9)和LCR测量仪相连接，用于处理测量得到的参数，计算介电常数并缓存和输出至显示屏(11)。

2.根据权利要求1所述的快速测量作物叶片介电常数的装置，其特征在于，所述数据处理装置采用单片机，所述显示屏(11)安装在所述支架一(3)上。

3.根据权利要求1所述的快速测量作物叶片介电常数的装置，其特征在于，所述扳手一(6)和扳手二(5)之间有压力固定装置，所述压力固定装置包括：刻度尺(14)和刻度板(15)；所述刻度尺(14)的一端固定连接扳手一(6)，所述刻度尺(14)上连接所述刻度板(15)。

4.根据权利要求1所述的快速测量作物叶片介电常数的装置，其特征在于，所述压力传感器(9)与所述支架一(3)之间通过支架三(12)连接，所述形变弹簧(10)与所述支架二(4)之间通过支架四(13)连接，所述支架三(12)与所述压力传感器(9)的总长度与所述支架四(13)的长度相等。

5.根据权利要求1所述的快速测量作物叶片介电常数的装置，其特征在于，所述支架一(3)和所述支架二(4)均为空心金属管、横截面均为圆形。

6.根据权利要求5所述的快速测量作物叶片介电常数的装置，其特征在于，所述支架一(3)和所述支架二(4)与所述绝缘陶瓷(2)的连接处分别设有第一小孔，所述支架一(3)和所述支架二(4)的管壁上分别开有第二小孔，所述支架一(3)和所述支架二(4)内部均有导线(16)，所述导线(16)外部依次包有绝缘层(17)和塑料导管(18)，所述导线(16)的一端穿过第一小孔固定焊接在所述电极板(1)上，所述导线(16)的另一端穿过所述第二小孔与LCR测量仪连接。

7.根据权利要求1所述的快速测量作物叶片介电常数的装置，其特征在于，所述电极板(1)为圆形，采用铜或铝，尺寸小于作物叶片样本的尺寸。

8.根据权利要求1所述的快速测量作物叶片介电常数的装置，其特征在于，所述缓压弹簧(7)可更换。

9.一种基于权利要求1-8任一项所述装置的快速测量作物叶片介电常数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.测量前，通过制动扳手一(6)和扳手二(5)使电极板(1)间的压力达到最大，更换调整缓压弹簧(7)，使最大压力在待测叶片可承受的压力范围内，并且在刻度尺(14)上标出待测叶片承受最佳压力值的位置，用刻度板(15)固定该位置；

b.电极板(1)间不夹任何样本，通过制动扳手一(6)和扳手二(5)让两电极板(1)完全接触闭合，记录形变弹簧(10)所受到的压力F1；

c.将待测叶片放置在两电极板(1)间，并完全覆盖两电极板(1)，制动扳手一(6)和扳手二(5)使叶片被夹紧，将扳手二(5)固定在步骤b中刻度板(15)的位置，记录形变弹簧(7)所受到的压力F2；

d.计算因夹持样本而引起的压力差为F＝F1-F2，根据此压力差推衍出电极板(1)由完全闭合到张开一定角度下形变弹簧(7)的形变量，根据杠杆及三角形原理即可推衍出电极板(1)间的距离，即电极板(1)夹紧作物叶片的厚度；

e.利用LCR测量仪测量得到电极板(1)间的电容；

f.根据电极板(1)的尺寸，计算电极板的面积；

g.利用单片机处理系统对步骤b、c、d、e、f的参数进行计算，根据平行板电容器原理得到作物叶片介电常数，并将结果放入缓存和输出显示屏(11)。

10.根据权利要求9所述的快速测量作物叶片介电常数的方法，其特征在于，所述步骤a还包括：在两电极板(1)间放入标准薄片压力传感器。