CN1051615C - 一种测量植物叶片中所含水份的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量植物叶片中所含水份，特别是活体植物叶片中所含水份的测量仪器。本发明的装置中包括有β射线源、β射线探测器、放大甄别单元、电源、数据处理单元和数据显示器件。本发明中用半导体核探测器作为β射线探测器，在β射线源和β射线探测器之间还设有可调光栏，用以调节探测立体张角。本发明的装置中所用的半导体核探测器最好是采用GL型锂漂移金硅面垒探测器。

Description

一种测量植物叶片中所含水份的装置

本发明涉及一种用于测量植物叶片中所含水份，特别是活体植物叶片中所含水份的测量仪器，本发明的方法是利用测量穿过植物叶片的β射线强度来测定叶片中的含水量；本发明的装置中包括有β射线源、β射线探测器、放大甄别单元、电源、数据处理显示单元。

米德尔斯基(Mederski)曾于1961年提出用β射线测量仪测定透过叶片的β射线强度来作为一种非破坏性的方法测定植物水份状况的变化。至今为止，尚无专门用来测定植物叶片含水量的仪器。现阶段用β射线测量叶片水份的装置均是采用核物理实验中的几种通用实验仪器组合而成，其中的β射线探测器是用计数管或者晶体闪烁器。这类装置的测量精度不高，整个装置体积较大，使用不便，在进行测定时所用时间较长。除此之外用现有装置测定较窄的叶片或测定活体植物叶片的含水量时有较大的困难。

本发明提供一种可克服现有装置不足，测量精度较高、装置体积较小、使用方便、测量植物叶片中所含水份的专用装置。本发明可更为方便地用于测定活体植物叶片的含水量。

本发明中用半导体核探测器作为β射线探测器，使装置的测量精度有较大幅度的提高，并使装置的体积大为缩小，适合携带、运输和野外使用。本发明中在β射线源和β射线探测器之间设有可调光栏，可以调节探测立体张角，以适于测定不同大小的叶片。由于β射线源和可调节光栏设于一个构件上，β射线探测器和另一个可调节光栏置于另一构件上，所述的两构件的端部用一绞链联接，并形成可扣合的结构，当所述的两构件在扣合状态时，在一个构件上设置的β射线源可调节光栏与另一个构件上设置的β射线探测器可调节光栏间留有一用于放置被测叶片的空间，使测定操作更为简便。在本发明的装置中采用电荷灵敏前置放大器和甄别、成形电路单元。经电荷灵敏放大器放大的信号送入甄别、成形电路单元进行处理，本发明的数据处理及显示单元采用微处理器，可立即显示所测的结果，大大提高了测定的速度，而且这种装置特别适合于测定活体叶片的含水量，为有关的工作提供了一种可靠的专用仪器。本发明的装置中所用的半导体核探测器最好是采用GL型锂漂移金硅面垒探测器，β射线源采用¹⁴C-β放射源，或其它的β射线源。

附图说明：图1为本发明的原理框图；图2为电荷灵敏前置放大器的电原理图；图3为放大、甄别单元电路的电原理图；图4为本发明的电荷灵敏前置放大器的一个实施例；图5为基本放大节的实施例；图6为甄别器的实施例；图7为数据处理及显示单元的实施例；图8为本发明的探头的正视图；图9为图8中A-A向结构剖面示意图；图10为本发明测定高粱叶片含水量与所透过的β射线强度值的关系曲线。

本发明以下结合附图及实施例进行详细解说：

由附图1可见本发明中在β射线源(1)和半导体核探测器(2)间设有可调节光栏(3a)和(3b)，光栏(3a)和(3b)间放置被测叶片(4)，由β射线源(1)和半导体核探测器(2)构成的探头(11)与电荷灵敏前置放大器(5)及放大、甄别成形电路(6)、微处理器和数据显示单元(7)相连接。装置中有直流电源及逆变器(21)，向半导体核探测器(2)供电的高压是电源(8)。为适于野外使用，本发明中还可加设有6V电源变换器或6V电池组(9)。

附图2给出的电荷灵敏前置放大器中，Q为半导体探测器，C₁是探测器的电容，而C₂代表放大器的输入电容和分布电容之和，放大器D中的K表示电压放大器的放大倍数，其前的负号表示放大器的输入和输出的极性相反，C_f是反馈电容。关于电荷灵敏前置放大器的更详细情况及具体的电路可参见清华大学工程物理系编的《射线仪器电子学》第八章、第八节(原子能出版社1978年版)的有关内容。

图3给出的甄别、成形单元电路中虚线内的部分是主放大器，它是通常的线性放大器，其中(10)为衰减器，(11)和(12)分别为两个放大节，(13)为甄别器，(14)为成形输出极。电路中的衰减器(10)用于调节放大倍数。R₁C₁构成一个微分电路。放大节(11)是负反馈放大节，其后接R₂C₂组成的积分电路。(12)是主放大器的输出级。图中的(13)为积分甄别电路，其具体应用的电路可采用清华大学工程物理系编的《射线仪器电子学》(原子能出版社1978年版)第九章所给出的几种电路。

本发明中，其微处理器和数据显示单元(7)可以是由单片机与数码管构成，也可由单片机、数码管和打印装置构成，也可以是在输出级后接输出接口和微型计算机。关于具体的结构在有关微型计算机方面的手册及教材中均有详细的介绍。

本发明的探头由附图8和图9给出，其中在探头(15)的结构中，β射线源(1)和可调节光栏(3a)置于构件(16)上，光栏(3b)和半导体核探测器(2)置于构件(17)上。可调节光栏(3a)和(3b)的结构与现有的照相机的可调光栏基本相同。本发明的可调光栏也可以由两组薄金属片构成，每组有两片可相对运动的金属薄片，两组间的金属薄片可作相对垂直运动。这种结构的光栏更为简单，至于光栏的调解可通过下述的措施实现：在每个金属薄片上设螺母，使该螺母与固定于探头上的螺栓相配合，转动螺栓即可实现光栏的调整。通过调节可调光栏，可调整测量的立体张角。构件(16)和(17)间用绞链(18)联接，并形成一可扣合的结构。当构件(16)和(17)处于图9所示的扣合位置时，在光栏(3a)和(3b)间有一用于放置被测叶片的空间(30)。在构件(16)上设有一用于开启的手柄(19)。在位于绞链(18)另一侧，在构件(16)和(17)间设有恢复弹簧(20)。当按动手柄(19)，构件(16)和(17)即可张开，以便于置入被测叶片，松开手柄(19)后在弹簧(20)的作用下构件(16)与(17)扣合，探头(15)处于测定状态。在图9中，空间(22)可用于设置有关的电气元件，这样可使仪器的结构更为紧凑。

本发明的使用中将被测叶片置于探头的空间(30)处，然后扣合构件(16)和(17)，利用调节可调光栏(3a)和(3b)，以调整测量的立体张角。接通电源后整个仪器启动，β射线即从β射线源(1)中射出，穿过被测叶片后被半导体核探测器(2)所接收并产生电荷脉冲，并被送入电荷灵敏前置放大器(5)中，经前置放大的检测信号进入放大、甄别、成形电路(6)中，再放大，甄别，去除噪声并成形，最终以方波信号输入微处理器和数据显示单元(7)，微处理器按式(一)对输入信号进行处理并通过数据显示单元显示检测结果。

ln(I/I_t)＝ln(I_d/I_l)(1-RWC)    (一)

上式中RWC为叶片含水量(％)

      1为透过被检测叶片的β射线强度

      I₁为透过饱和含水的叶片的β射线强度

      I_d为透过完全不含水的叶片的β射线强度

式(一)取自于《作物和土壤示踪教程》(国际原子能机构技术报告丛书，V·米德尔伯，D·R·尼尔森，D·A·伦尼编，中译本，马昌麟等译，1980，原子能出版社)

图4、图5、图6、图7是本发明的一个实施例中各相应部分的电路图，而探头部分仍采用图8和图9给出的结构，在本发明的实施例中，探头所用的半导体核探测器采用了GL型锂漂移金硅面垒探测器，β射线源采用¹⁴C-β放射源，源强为10⁵次衰变/秒。

在图4中由结型场效应晶体管T₁和四个晶体管及外围电路组成电荷灵敏前置放大器。T₁的源极接地电阻R₉是T₁的“栅漏”电阻，通过R₉使T₁的栅极获得一定的直流电位，并加有直流负反馈以保证静态工作点稳定。T₂是一个输入电阻大而输出电阻小的射极输出器。T₃是基极接地电路。T₄和T₅组成怀特射极输出器。因为T₃为共基极电路，其输入电阻小，故接入T₂的作用是在不损害第一级放大器上升时间的情况下增大T₁管的放大倍数。T₃的集电极负载电阻由R₅和起自举作用的电阻R₆组成。自举电路的作用是为提高无反馈时的放大倍数K。最后经怀特射极输出器输出。反馈电容C_f接在输出端和输入端之间。自举从输出端经过电容C₃加到R₆和R₅的连接点上。本例中经半导体探测器测出的信号经A点输入。T₁采用低噪声管，本例中所采用的是CX402B，其噪声系数应≤0.5db。

图5是放大、甄别单元电路中放大节(11)(12)的实施例。本实施例由差值放大级T₉和T₁₀、单管放大级T₁₁及外围电路组成。在差值放大级T₉的基级加入输入信号，T₁₀的基极加反馈信号。图5中R₃₆、C₁₂、C₁₃、R₃₂、C₁₄、C₁₇、C₁₈等均是滤波元件，D₁₁是为了保持静态工作点而加的稳压管，R₃₈为反馈电阻，R₃₉是一分压电阻，C₁₅用于改善输出信号的前沿。本实施例也可用商品化的集成器件组成。

本实施例中的甄别器，见图6，是一电容耦合跟随器。其中的晶体管T₁的集电极与T₂的基极通过电容C和电阻R₂耦合。T₂的基电极电位通过电阻R_v1和R_v2控制。R_c1、R₁、R₂及T₁的分压电阻R_x决定了T₂的静态工作点。本例的工作状态与单稳态电路或双稳态电路有类似之处，在静态时一晶体管导通，而另一晶体管截止，两晶体管的发射极通过电阻R_s接地，并使电路实现正负反馈的翻转作用。当b点电位较低时，T₁管载止，T₂管导通，T₂的U_c2为低电位。当输入脉冲讯号时，T₁开始导通，U_c1下降，使T₂截止，U_c2从低电位到高电位，产生一个电压的跳变。在第一次翻转后T₁导通，T₂截止，这时T₁为一个单管负反馈放大电路。当输入讯号下降时则R_s两端电位下降，并使U_c1上升，通过电阻R₂使U_b2增大致使T₂又导通，而T₁截止。由此根据输入的讯号产生相应的矩形脉冲。

经前级输入的矩形脉冲通过图7中的光电耦合级(23)被送入数据处理及显示单元，进行处理并显示测试结果。在本实施例中，数据处理及显示单元由单片机(24)、存贮器(26)、锁存器(25)、驱动器(27)(28)以及显示器(29)等外围电路构成，由于依据式(一)进行数据处理的程序较大，所以用存贮器(26)作为扩展的外存，并采用锁存器(25)实现其扩展。本实施例中单片机(24)采用的是8031，存贮器(26)采用了光可擦除的直读存贮器EPROM2716，锁存器(25)采用74LS373，驱动器(27)(28)均采用74LS273，并通过驱动器(27)(28)驱动六位数码管组成的显示器(29)显示测试的数据。

上述的实施例中，各电路的元件的参数应根据具体所用的器件及相关参数匹配确定。

用本发明的仪器对植物叶片含水量的测定方法、条件及结果如下：

实验条件：

测量的立体张角调至β计数为2-3万左右/5分钟

称重时采用万分之一的分析天平

叶片浸泡条件是在光照强度约为700流明/米²条件下，置于22.5±2.5℃蒸馏水中浸泡5小时以上，并以此时取出的叶片为饱和含水的叶片。

被测叶片：高梁叶

实验方法：

取一片经浸泡后的叶片，将其表面的水用吸水纸吸干后用本发明的装置进行测定，测定的时间约5-6分钟，记录所测的β计数，然后将该叶片用称重法称重，并计录所称的重量。将经测定、称重后的叶片置于干燥的器皿中静置30分钟后取出，再重复前述的过程，用本发明的装置测定其β计数，用称重法得到叶片重量，并记录各自的测定数值。如此反复进行若干次，直至叶片的β计数和重量基本不变化时，将叶片置于烘箱中烘干，将烘干后的叶片再用本发明的装置测定其β计数，用称重法称重，记录实验数据后终止该叶片的实验过程。

再取出另一片浸泡后的叶片重复上述实验。共对12片叶片进行上述的实验。其中的一组的部分实测结果见下表

实验编号	β计数	RWC(相对含水量)
			1	1900	51％
2	2020	46％
			3	2238	41％
4	2269	39％
			5	2417	34％
6	2500	21％

注：本组实验中I₁＝1015±31

将12组实验所得的数据进行统计处理，得到了高粱叶片的校正曲线，见图10。经误差分析表明，用本发明的装置所的结果最大偏差为±3％，而且这一偏差自然包括了校正曲线本身的偏差。由此可见，本发明的装置的测量误差是很小的。

通过上述实验结果可见利用本发明的装置测定植物叶片含水量其精度较高，而且测定时间极短。

用本发明的装置对烟叶、蔷薇花叶、松树叶等测定的结果有与上述所作的实验有相同的结论。

另需说明的是本发明的实施并不仅限于上述实施例的电路，在实际的应用上可采用本说明书中所列的有关现有技术及其他的现有技术中所公开的有关电路。

Claims (5)

1、利用β射线测量植物叶片含水量的装置，包括β射线源、β射线探测器、放大成形单元、电源、数据处理单元和数据显示器件，其特征在于(        β射线探测器为半导体核探测器。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于在β射线源和β射线探测器与被测叶片之间设有可调节光栏。

3、根据权利要求2所述的装置，其特征是β射线源和可调节光栏设于一个构件上，β射线探测器和另一个可调节光栏置于另一构件上，所述的两构件的端部用一绞链联接，并形成可扣合的结构，当所述的两构件在扣合状态时，在一个构件上设置的β射线源可调节光栏与另一个构件上设置的β射线探测器可调节光栏间有一用于放置被测叶片的空间。

4、根据权利要求3所述的装置，其特征是装置中采用的放大成形单元由相互耦合的电荷灵敏前置放大器和放大、甄别、成形电路构成，经电荷灵敏前置放大器放大的信号送入甄别、成形电路处理，本发明的数据处理单元采用微处理器。

5、根据权利要求1、2、3、4或5所述的装置，其特征是所述的半导体核探测器是GL型锂漂移金硅面垒探测器。

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