CN110320247A - 植物茎秆含水量无损测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及植物茎秆含水量检测设备技术领域，公开了一种植物茎秆含水量无损测量装置及方法，其中植物茎秆含水量无损测量装置包括叉指电极、脉冲电磁波发射器和脉冲电磁波接收器，叉指电极用于贴附植物茎秆；叉指电极包括基底以及固定于基底上的第一主电极和第二主电极；第一主电极电连接脉冲电磁波发射器，第二主电极电连接脉冲电磁波接收器。该测量装置的基本原理为：植物茎秆含水量的变化会引起茎秆介电常数的变化，介电常数的变化又反映为电容值的变化，通过输出的电压值即可反映待测植物茎秆的含水量。通过介电法来实现对植物茎秆含水量的无损检测，具有使用简便，测量精确，灵敏度高，无侵入性和破坏性，长期连续检测的优点。

Description

植物茎秆含水量无损测量装置及方法

技术领域

本发明涉及植物茎秆含水量检测设备技术领域，尤其涉及一种植物茎秆含水量无损测量装置及方法。

背景技术

水在植物体里面扮演着相当重要的角色，具有维持植物体正常的生命活动，作为光合作用的原料，维持植物体温的稳定，运输以及储藏营养物质等作用。然而，对于植物的生长发育来说，在特定的阶段对水分含量有特殊的要求，过多或者过少可能影响植物体正常的生长发育。所以检测植物体内的含水量，有利于提高水资源的利用率，降低水资源的浪费，对于指导适时灌溉具有重大意义。

植物的茎秆具有支撑植物体、储藏以及传导水分和营养物质的功能，茎秆包括木质部和韧皮部，植物从根部吸收水分通过木质部运输到植物体的各个分支部分。研究表明，茎秆含水量和木质部的含水量有着相同的变化，茎秆含水量的变化可以反映整个植株的含水量状态，所以检测茎秆含水量的变化作为反映植物水分盈缺的一个重要标志。

目前一些常用的测量植物含水量的方法主要包括测量细胞液浓度、植物茎流速率、叶片水势、植物茎秆直径、蒸腾速率、冠层温度和根部通讯物质等方法，但是这些方法具有成本高，测量时间滞后，带有侵略性和破坏性等一系列缺点。

发明内容

本发明实施例提供一种植物茎秆含水量无损测量装置及方法，用以解决现有的植物茎秆含水量测量不及时、不准确且具有侵略性和破坏性的问题，以实现植物茎秆含水量的无损准确测量。

本发明实施例提供一种植物茎秆含水量无损测量装置，包括叉指电极、脉冲电磁波发射器和脉冲电磁波接收器，所述叉指电极用于贴附植物茎秆；所述叉指电极包括基底以及固定于所述基底上的第一主电极和第二主电极；所述第一主电极电连接所述脉冲电磁波发射器，所述第二主电极电连接所述脉冲电磁波接收器。

其中，所述叉指电极还包括设于所述第一主电极和所述第二主电极之间的多组叉指子电极对，所述叉指子电极对的每个子电极交替地与所述第一主电极和所述第二主电极中的一个相连。

其中，所述第一主电极和所述第二主电极相互平行，所述叉指子电极对的每个子电极均垂直于所述第一主电极或者所述第二主电极。

其中，所述子电极为矩形，且相邻两个所述子电极之间间隔预设距离。

其中，所述叉指电极还包括盖设于所述第一主电极、所述第二主电极和所述叉指子电极对的上表面的绝缘封装层。

其中，所述绝缘封装层为绝缘覆膜或者绝缘盖板。

其中，还包括同轴线，所述第一主电极通过所述同轴线的内导体电连接于所述脉冲电磁波发射器，所述第二主电极通过所述同轴线的外导体电连接于所述脉冲电磁波接收器。

其中，所述基底为柔性绝缘基底。

本发明实施例还提供一种利用上述植物茎秆含水量无损测量装置的测量方法，包括：

将叉指电极贴合于待测植物茎秆的表面；

脉冲电磁波发射器通过第一主电极发射电磁波，所述电磁波穿过所述待测植物茎秆，脉冲电磁波接收器通过第二主电极接收所述电磁波，获取测量电压值；

基于含水量和标准电压值关系曲线，计算所述测量电压值对应的所述待测植物茎秆的含水量。

其中，所述基于含水量和标准电压值关系曲线，计算所述测量电压值对应的待测植物茎秆的含水量，进一步包括：

比较所述测量电压值和所述标准电压值，当所述测量电压值与某一标准电压值相等时，则该标准电压值所对应的含水量与所述待测植物茎秆的含水量相同。

本发明实施例提供的植物茎秆含水量无损测量装置及方法，其中植物茎秆含水量无损测量装置包括叉指电极、脉冲电磁波发射器和脉冲电磁波接收器，脉冲电磁波发射器通过叉指电极的第一主电极发送电磁波，电磁波经过植物茎秆后又通过叉指电极的第二主电极被脉冲电磁波接收器接收，转换为电压值输出。由于植物茎杆里面还有大量的水，而水的介电常数远高于其他介质的介电常数，因而植物茎秆含水量的变化会引起茎秆介电常数的变化，介电常数的变化又反映为电容值的变化，通过输出的电压值即可反映待测植物茎秆的含水量。该测量装置可以实现对植物茎秆含水量的无损检测，具有使用简便，测量精确，灵敏度高，无侵入性和破坏性，长期连续检测的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中的一种植物茎秆含水量无损测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中的一种植物茎秆含水量无损测量方法的流程示意图；

附图标记说明：

1：叉指电极； 11：基底； 12：第一主电极；

13：第二主电极； 14：子电极 2：脉冲电磁波发射器；

3：脉冲电磁波接收器； 4：集成电路板； 5：同轴线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”“第二”是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。“上”“下”“左”“右”的方向均以附图所示方向为准。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明实施例中的具体含义。

图1是本发明实施例中的一种植物茎秆含水量无损测量装置的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的一种植物茎秆含水量无损测量装置，包括叉指电极1、脉冲电磁波发射器2和脉冲电磁波接收器3，叉指电极1用于贴附植物茎秆。叉指电极1包括基底11以及固定于基底11上的第一主电极12和第二主电极13。第一主电极12电连接脉冲电磁波发射器2，第二主电极13电连接脉冲电磁波接收器3。

具体地，叉指电极1为如指状或梳状的面内有周期性图案的电极，其中导电的电极结构可以采用铬、金等材料制作。叉指电极1的基底11的上表面固接有第一主电极12和第二主电极13，基底11可以适当弯曲。贴附方向可以为沿着植物茎秆的轴向方向，也可以为沿着植物茎秆的周向。当植物茎秆的直径较小时，优选为沿轴向方向进行测量。

脉冲电磁波发射器2和脉冲电磁波接收器3可以采用集成电路开发板,也可以是其它能够实现脉冲发射和脉冲接收功能的、市场上已经封装好的成品。如图1所示，脉冲电磁波发射器2和脉冲电磁波接收器3可以集中在一个集成电路板4上，也可以单独分开。使用时，脉冲电磁波发射器2将激励源的频率信号发送给频率合成器，频率合成器根据收到的指令，发出相应频率的电磁波信号，该电磁波信号输入到叉指电极1的第一主电极12中，并向外发射。电磁波经过植物茎秆后，被叉指电极1的第二主电极13接收，然后输送至脉冲电磁波接收器3，脉冲电磁波接收器3将接收到的电磁波信号转化为电压信号，获取电压值。

本实施例提供的一种植物茎秆含水量无损测量装置，包括叉指电极、脉冲电磁波发射器和脉冲电磁波接收器，脉冲电磁波发射器通过叉指电极的第一主电极发送电磁波，电磁波经过植物茎秆后又通过叉指电极的第二主电极被脉冲电磁波接收器接收，转换为电压值输出。由于植物茎杆里面还有大量的水，而水的介电常数远高于其他介质的介电常数，因而植物茎秆含水量的变化会引起茎秆介电常数的变化，介电常数的变化又反映为电容值的变化，通过输出的电压值即可反映待测植物茎秆的含水量。该测量装置可以实现对植物茎秆含水量的无损检测，具有使用简便，测量精确，灵敏度高，无侵入性和破坏性，长期连续检测的优点。

进一步地，如图1所示，叉指电极1还包括设于第一主电极12和第二主电极13之间的多组叉指子电极对，叉指子电极对的每个子电极14交替地与第一主电极12和第二主电极13中的一个相连。具体地，每个叉指子电极对均包括两个相对交叉设置的子电极14，偏左侧的子电极14的左端连接于第一主电极12，偏右侧的子电极14的右端连接于第二主电极13，上下相邻的两个子电极14分别连接不同的主电极，因而形成交替连接的结构。叉指子电极对的长宽比越大，密度越高，则灵敏度和响应速度越高。

进一步地，如图1所示，第一主电极12和第二主电极13相互平行，叉指子电极对的每个子电极14均垂直于第一主电极12或者第二主电极13。具体地，第一主电极12和第二主电极13为相对设置的两个竖向的主电极，在第一主电极12和第二主电极13之间交替设置有多个水平方向的子电极。

更进一步地，子电极14为矩形，且相邻两个子电极14之间间隔预设距离。该预设距离可以根据实际使用需求，以及测量灵敏度需求进行合理设计。

另外，子电极14的形状除了简单的矩形外，还可以为圆形或矩形突起，此处不做限制。

进一步地，叉指电极1还包括盖设于第一主电极12、第二主电极13和叉指子电极对的上表面的绝缘封装层(图中未示出)。更进一步地，绝缘封装层为绝缘覆膜或者绝缘盖板。通过设置绝缘封装层可以彻底隔绝叉指电极与外界，避免操作人员误触，也可以保证电磁波不受外界干扰。

进一步地，如图1所示，还包括同轴线5，第一主电极12通过同轴线5的内导体电连接于脉冲电磁波发射器2，第二主电极13通过同轴线5的外导体电连接于脉冲电磁波接收器3。具体地，同轴线5是由两根同轴的圆柱导体构成的导行系统，其内外导体之间填充空气或高频介质的一种宽频带微波传输线。因而同轴线5基本没有辐射损耗，几乎不受外界信号干扰，保证了电磁波信号传递的可靠性、准确性。

进一步地，基底11为柔性绝缘基底。具体地，基底11可以采用聚酰亚胺膜片(Polyimide Film，简称PI)或者聚对苯二甲酸类塑料膜片(Polyethylene terephthalate，简称PET)。

进一步地，该测量装置在工作过程中需要电源供电，可以连接外部电源供电，也可以在集成电路板4的内部集成电源模块对其供电，本发明实施例在此不做具体的限定。

如图2所示，本发明实施例还提供一种利用上述植物茎秆含水量无损测量装置的测量方法，包括：

步骤S20：将叉指电极1贴合于待测植物茎秆的表面。

具体地，可以采用胶带或者胶水将叉指电极1粘合在待测植物茎秆的表面，粘合过程中可以适当配合待测植物茎秆来弯曲基底11。

步骤S30：脉冲电磁波发射器2通过第一主电极12发射电磁波，电磁波穿过待测植物茎秆，脉冲电磁波接收器3通过第二主电极13接收电磁波，获取测量电压值。

步骤S40：基于含水量和标准电压值关系曲线，计算测量电压值对应的待测植物茎秆的含水量。

进一步地，步骤S40进一步包括：

比较测量电压值和标准电压值，当测量电压值与某一标准电压值相等时，则该标准电压值所对应的含水量与待测植物茎秆的含水量相同。

进一步地，在步骤S20之前，还包括步骤S10：获取含水量和标准电压值关系曲线，具体包括：

步骤S11：将完全风干的与待测植物相同品种的树木的离体茎秆浸取不同体积的水，以得到不同含水量的标准植物茎秆；

步骤S12：分别将叉指电极1贴合于不同含水量的标准植物茎秆，以获取对应的标准电压值；

步骤S13：基于标准电压值和含水量，绘制含水量和标准电压值关系曲线。

另外，在使用脉冲电磁波接收器3之前还需要对其进行标定，具体可以使用不同浓度的乙醇、甲醇或者氯化钠等试剂，配置不同介电常数的溶液来标定，进而可以得到电压输出值与介电常数呈线性关系。因而，通过电压输出值即可反映待测植物茎秆的介电常数，而不同含水量的植物茎秆的介电常数不同，所以通过电压输出值就可以间接的反映含水量。所以，本实施例利用这种介电法，即实现了含水量的无损检测。

通过以上实施例可以看出，本发明提供的植物茎秆含水量无损测量装置及方法，其中植物茎秆含水量无损测量装置包括叉指电极、脉冲电磁波发射器和脉冲电磁波接收器，脉冲电磁波发射器通过叉指电极的第一主电极发送电磁波，电磁波经过植物茎秆后又通过叉指电极的第二主电极被脉冲电磁波接收器接收，转换为电压值输出。由于植物茎杆里面还有大量的水，而水的介电常数远高于其他介质的介电常数，因而植物茎秆含水量的变化会引起茎秆介电常数的变化，介电常数的变化又反映为电容值的变化，通过输出的电压值即可反映待测植物茎秆的含水量。该测量装置可以实现对植物茎秆含水量的无损检测，具有使用简便，测量精确，灵敏度高，无侵入性和破坏性，长期连续检测的优点。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种植物茎秆含水量无损测量装置，其特征在于，包括叉指电极、脉冲电磁波发射器和脉冲电磁波接收器，所述叉指电极用于贴附植物茎秆；所述叉指电极包括基底以及固定于所述基底上的第一主电极和第二主电极；所述第一主电极电连接所述脉冲电磁波发射器，所述第二主电极电连接所述脉冲电磁波接收器。

2.根据权利要求1所述的植物茎秆含水量无损测量装置，其特征在于，所述叉指电极还包括设于所述第一主电极和所述第二主电极之间的多组叉指子电极对，所述叉指子电极对的每个子电极交替地与所述第一主电极和所述第二主电极中的一个相连。

3.根据权利要求2所述的植物茎秆含水量无损测量装置，其特征在于，所述第一主电极和所述第二主电极相互平行，所述叉指子电极对的每个子电极均垂直于所述第一主电极或者所述第二主电极。

4.根据权利要求3所述的植物茎秆含水量无损测量装置，其特征在于，所述子电极为矩形，且相邻两个所述子电极之间间隔预设距离。

5.根据权利要求2所述的植物茎秆含水量无损测量装置，其特征在于，所述叉指电极还包括盖设于所述第一主电极、所述第二主电极和所述叉指子电极对的上表面的绝缘封装层。

6.根据权利要求5所述的植物茎秆含水量无损测量装置，其特征在于，所述绝缘封装层为绝缘覆膜或者绝缘盖板。

7.根据权利要求1所述的植物茎秆含水量无损测量装置，其特征在于，还包括同轴线，所述第一主电极通过所述同轴线的内导体电连接于所述脉冲电磁波发射器，所述第二主电极通过所述同轴线的外导体电连接于所述脉冲电磁波接收器。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的植物茎秆含水量无损测量装置，其特征在于，所述基底为柔性绝缘基底。

9.一种利用如权利要求1至8中任一项所述植物茎秆含水量无损测量装置的测量方法，其特征在于，包括：

将叉指电极贴合于待测植物茎秆的表面；

脉冲电磁波发射器通过第一主电极发射电磁波，所述电磁波穿过所述待测植物茎秆，脉冲电磁波接收器通过第二主电极接收所述电磁波，获取测量电压值；

基于含水量和标准电压值关系曲线，计算所述测量电压值对应的所述待测植物茎秆的含水量。

10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，所述基于含水量和标准电压值关系曲线，计算所述测量电压值对应的待测植物茎秆的含水量，进一步包括：

比较所述测量电压值和所述标准电压值，当所述测量电压值与某一标准电压值相等时，则该标准电压值所对应的含水量与所述待测植物茎秆的含水量相同。