CN202182784U - 三维扫描式温度梯度采集系统 - Google Patents

Abstract

一种三维扫描式温度梯度采集系统，其包括立体支架，所述立体支架上设有可移动的支座，所述支座上设有至少一个用于测量空气温度的空气温度传感器，所述支座与用于驱动所述支座竖直移动和水平移动的一驱动系统连接，所述驱动系统和空气温度传感器与一处理器连接，所述处理器用于接收所述空气温度传感器采集的空气温度数据并控制所述驱动系统的运行。本实用新型可以实现无人值守的自动化温度梯度等环境要素的测量。

Description

三维扫描式温度梯度采集系统

技术领域

本实用新型涉及一种温度采集装置，尤其涉及一种三维扫描式温度梯度采集系统。

背景技术

温度的实时采集对科学研究、工程建设、工农业生产的有效实施具有十分重要的意义，例如在农田生态系统的微环境中，作物冠层内的温度、土壤温度和水分对农田生态过程的调节有着重要的作用。作物冠层的温度会影响叶片气孔的开闭，进而影响作物的蒸腾作用、光合作用及生物量。土壤温度和水分会影响土壤中有机质的分解过程及作物根系的生长。因此，温度变化对农田生态系统微环境具有不可忽视的影响，目前，地球变暖已经成为全球共识，因此评价和预测气候变暖过程中物理及化学的结果已经越来越紧迫。

向下的红外辐射增强导致了气候变暖，辐射产生的热量以感热、潜热和土壤热通量的形式消散。这会改变农田生态系统微环境中热量和水分的分布。温度的升高会显著地影响粮食作物的产量，而作物冠层内温度分布直接决定了作物的生长过程及干物质的积累。所以，在利用红外辐射增温基础上，充分认识农田生态系统微环境的变化，对于更深入的理解气候变暖对作物产量构成的影响有着重要的意义。

目前，在野外条件下利用红外辐射增温来模拟气候变暖为手段的试验已经有所尝试，但尚无进行该增温方式对作物冠层内的农田微气候影响的研究。其原因一方面是将红外增温辐射引入农田进行的研究还很少，处于探索阶段。目前关于红外辐射增温的野外试验，温度的测定主要是在地表、地面5-10cm和作物冠层的最上层；二是受限于技术手段。目前温度测定的方式通常是常规的热敏电阻固定点测定结合热红外成像仪测定，该方法不能对受气候变化影响导致的作物冠层内温度的变化被有效的测定，无法掌握作物生长以及产量变化与植株周围温度变化之间的关系，从而限制了未来气候变化与粮食作物产量之间关系及其解决方案的深入研究。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种三维扫描式温度梯度采集系统，以至少解决现有技术尚不能连续测定作物冠层温度的问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供的三维扫描式温度梯度采集系统包括立体支架，所述立体支架上设有能够移动的支座，所述支座上设有至少一个用于测量空气温度的空气温度传感器，所述支座与用于驱动所述支座竖直移动和水平移动的一驱动系统连接，所述驱动系统和空气温度传感器与一处理器连接，所述处理器用于接收所述空气温度传感器采集的空气温度数据并控制所述驱动系统的运行。

根据上述三维扫描式温度梯度采集系统的一种优选实施方式，其中，所述立体支架设有能够竖直滑动的滑竿，所述支座设于所述滑竿上；所述驱动系统包括驱动所述滑竿竖直移动的第一驱动装置和驱动所述支座水平移动的第二驱动装置，所述第二驱动装置设于所述滑竿上。

根据上述三维扫描式温度梯度采集系统的一种优选实施方式，其中，所述第一驱动装置和第二驱动装置分别为与所述处理器连接的第一步进电机和第二步进电机；所述第一步进电机的输出轴与一第一丝杠连接，所述第一丝杠的螺母与所述滑竿连接以驱动所述滑竿竖直移动；所述第二步进电机的输出轴与一第二丝杠连接，所述第二丝杠的螺母与所述支座连接以驱动所述支座水平移动。

根据上述三维扫描式温度梯度采集系统的一种优选实施方式，其中，所述驱动系统还包括用于检测所述支座竖直移动距离的第一位移传感器和用于检测所述支座水平移动距离的第二位移传感器连接，所述第一位移传感器和第二位移传感器均与所述处理器连接。

根据上述三维扫描式温度梯度采集系统的一种优选实施方式，其中，所述第一位移传感器和第二位移传感器分别为第一拉绳位移传感器和第二拉绳位移传感器，所述第一拉绳位移传感器的拉绳移动端固定于所述滑竿，所述第二拉绳位移传感器的拉绳移动端固定于所述支座。

根据上述三维扫描式温度梯度采集系统的一种优选实施方式，其中，所述第一丝杠的两端处分别设有一第一限位开关以检测所述滑竿的移动并借此控制所述第一步进电机的运转方向，所述第二丝杠的两端处分别设有一第二限位开关以检测所述支座的移动并借此控制所述第二步进电机的运转方向。

根据上述三维扫描式温度梯度采集系统的一种优选实施方式，其中，还包括用于采集地表温度的土壤温度传感器，所述土壤温度传感器与所述处理器连接。

根据上述三维扫描式温度梯度采集系统的一种优选实施方式，其中，所述立体支架上设有用于采集风速和风向的三维风速仪，所述三维风速仪与所述处理器连接。

根据上述三维扫描式温度梯度采集系统的一种优选实施方式，其中，所述处理器与一用于显示及修改所述处理器、空气温度传感器、驱动系统的运行参数的触摸屏连接。

根据上述三维扫描式温度梯度采集系统的一种优选实施方式，其中，所述处理器通过通信网络与一用于数据集中管理及控制的远程服务器连接，所述远程服务器还包括用于根据所述空气温度传感器采集的温度而输出温度空间分布图像的三维数据成像模块。

通过在红外辐射增温装置的辐射区域(增温场)内架设立体支架，以及在立体支架上设置可以竖直和水平移动的空气温度传感器，本实用新型可以通过简单结构的设置实现无人值守的自动化温度梯度等环境要素测量。此外，本实用新型可以应用于多种空间的测量，例如酒窖(酒的品质与微生物菌落数量密切相关，而温度对微生物的生长影响很大)、冷藏室、烟叶烤房(烘烤均匀的烟叶的品质、价格都具有相当优势)等，可见本实用新型还具有应用广泛的有益效果。

附图说明

图1为采集农田生态系统微环境温度的本实用新型优选实施例的结构示意图；

图2为图1所示本实用新型优选实施例的原理结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细说明。

图1和图2示意性的示出了本实用新型一优选实施例的结构，该优选实施例用于连续采集作物102所在农田103的土壤温度、作物冠层温度。在图1中，设于立柱100上部的红外辐射增温装置101向作物102发射红外线形成一增温场。本优选实施例即主要用于采集该增温场的温度梯度。如图1和图2所示，本优选实施例包括立体支架、处理器1、远程服务器2、限位开关3(包括图1中的限位开关31-36)、步进电机4(包括图1中的步进电机41-43)、空气温度传感器5、支座50、土壤温度传感器6、位移传感器7(包括图1中的位移传感器71-73)、三维风速仪8和触摸屏9。其中处理器1、远程服务器2、触摸屏9并未示出于图1。

在本优选实施例中，立体支架主要包括两端部，且该两端部结构相同，因此在图1中，仅对其中一端部进行了详细标记。立体支架的一端部包括立柱111、立柱113和滑竿115组成的H形构架，滑竿115可滑动的设于两立柱111、113之间。支座50的端部可滑动地设于滑竿115。多个用于测量空气温度的空气温度传感器5设于支座50上，空气温度传感器5可以选用铂电阻温度传感器，安装铂电阻温度传感器时，去掉其保护套管或铠甲，使其直接暴露与空气中，可以明显缩短测量滞后时间，提高采集速度。由于支座50可以沿滑竿115水平移动，滑竿115可以沿立柱111、113竖直移动，因此空气温度传感器5可以在三维空间对空气温度数据进行实时采集。本领域的技术人员应该理解，本实用新型的立体支架的结构不应局限于图1所示，若将支座50的中部设于滑竿115上，则一个H形构架也可以作为立体支架之用。此外，立体支架也可以采用类似于桥式起重机的构造，将支座悬挂于其下方。

驱动支座50可以进行竖直移动和水平移动的驱动系统包括步进电机41、42、43以及丝杠112、114、116(丝杠的螺母均未示出)。其中，步进电机42、43的输出轴通过联轴器等部件分别与丝杠112、114连接，丝杠112、114的螺母与滑竿115连接以驱动滑竿115竖直移动，也即滑竿115的两端还连接在丝杠112、114的螺母上，步进电机42、43的输出轴的旋转方向不同，滑竿115相应的表现为向上移动和向下移动。步进电机41的输出轴与丝杠116连接，支座50的端部也与丝杠116的螺母连接。步进电机41设于滑竿115上，以便于和滑竿115同时上下移动。当支座50需要在水平方向移动时，步进电机41旋转驱动丝杠116的螺母移动即可。丝杠具有将电机的旋转运动转换为其螺母的直线运动的特性，立柱、滑竿皆可以作为滑轨使用，此类结构的连接及设置方式为本领域公知技术，在此不再赘述。在其他实施例中，驱动系统中主动机构也可以为油缸、气缸等。

在本优选实施例中，还包括用于检测滑竿115竖直移动距离的位移传感器71、73(图1中正方形框均为位移传感器)和用于检测支座50水平移动距离的位移传感器72，位移传感器71、72、73均与处理器1连接，以便于处理器1获取滑竿115在立柱111、113上的高度和支座50在滑竿115上的位置，处理器1根据滑竿115的高度、支座50的位置以及处理器1的设定程序控制步进电机41、42、43。本优选实施例的位移传感器71、72、73均为拉绳位移传感器，非接触式的位移传感器如激光传感器、超声传感器在作物中会受到叶片伸展的影响，而拉绳位移传感器可以避免此类影响。根据拉绳移动端固定于移动物体的原则，位移传感器71、73的拉绳移动端固定于滑竿115，位移传感器72的拉绳移动端固定于支座72。由于拉绳位移传感器的拉绳移动端固定于移动物体的方法为本领域公知技术，在此不再赘述。

为了防止步进电机41、42、43驱动对应连接的丝杠一直朝相同方向旋转，丝杠111、113的两端处分别设有一限位开关31、33、34、36(图1中矩形框均表示限位开关)以检测滑竿115的移动并借此控制步进电机42、43的旋转方向。丝杠116的两端处分别设有一限位开关32、35以检测支座50的移动并借此控制步进电机41的旋转方向。由于利用限位开关控制电机旋转方向也为本领域公知技术，在此不再赘述。

在其他实施例，也可以不设置位移传感器而获取支座所在的位置以及不设置限位开关而控制步进电机的旋转方向，例如驱动系统的各主动机构仍采用步进电机，以便于处理器精确控制步进电机的旋转角度，各丝杠采用精密度高的滚珠丝杠。步进电机旋转一定角度，丝杠旋转相同的角度，丝杠的螺母将会随之移动移动一定的距离(螺母相对丝杠滑动若干螺距)，并且螺母的移动距离和步进电机的旋转角度具有固定的对应关系，因此，可以根据具体的设备参数，提取步进电机的旋转角度和螺母移动距离之间的关系式，并将该关系式存储于处理器中，借此，处理器可以根据发送至步进电机的旋转角度计算出丝杠螺母的移动距离。由于丝杠的长度是固定的，因此在丝杠的螺母相对基准点移动一定距离之后，处理器可以控制步进电机自动返回。若驱动系统的主动机构为油缸，则可以根据液压油的流量计算出支座在竖直方向和水平方向移动的距离。

由于本优选实施例是应用于农田生态系统，为了全面了解温度对作物的影响，本优选实施例还包括用于采集地表温度的土壤温度传感器6，土壤温度传感器6与处理器1连接以将其所测土壤温度输送至处理器1。相比于增温场中的空气温度，土壤温度的变化较为稳定，受到风的影响较小，因此，土壤温度传感器6可以采用单总线数字温度传感器，方便布线，也可根据试验的需求组建分布式土壤温度测量系统。

当本优选实施例应用于野外的开放环境时，风对增温场中空气温度的影响不可忽视，因此，本优选实施例的立体支架上设有用于采集风速和风向的三维风速仪8。三维风速仪8可以用来测量平均水平方向的风速和风向，也可以测量水平和垂直方向风速的波动，从而可以计算动力通量。通过计算竖直方向风速的协方差，得到显热或感热通量，进而计算风速和风向对增温场的影响。

在本优选实施例中，处理器1与一用于显示及修改处理器、空气温度传感器、土壤温度传感器、三维风速仪、驱动系统的运行参数的触摸屏9连接。处理器1通过通信网络与一用于数据集中管理及控制的远程服务器2连接，远程服务器2还包括用于根据空气温度传感器5、土壤温度传感器6采集的温度输出温度空间分布图像的三维数据成像模块21。

在应用本优选实施例时，根据图1和图2所示的结构及前面所述，组建本优选实施例的物理架构，设定处理器1的功能参数，处理器1可以选用单片机、数字信号处理器、可编程逻辑控制器等，另外，再通过触摸屏9设定各功能部件的运行参数。然后可以通过以下步骤运行：处理器1读取位移传感器71、72、73的数据并判断滑竿115和支座50是否处于停止位，根据不同的判断结果，处理器1控制步进电机41、42、43进行不同方向的旋转；接着，处理器1在读取位移传感器71、72、73的数据的同时，读取空气温度传感器5、三维风速仪8、土壤温度传感器6的数据，与此同时，处理器1一直在循环判断滑竿115和支座50是否处于停止位；处理器1将读取的数据进行初步的分析、整理，然后上传至远程服务器2，远程服务器2中的三维数据成像模块21将处理器1上传的温度数据绘制为三维的温度分布图以供科研人员参考解读。

综上所述，本优选实施例可以自动的实现对作物冠层上层、冠层内和土壤表面温度梯度及风速等多环境要素测量。但本实用新型并不局限于农田生态系统微环境的测量，其可以适应多种应用环境，并且本实用新型具有扩展性，可以根据试验的要求集成更多的传感器，进行多种环境要素测量，更可挂载数码相机等设备对应用环境进行多角度拍摄观察。

由技术常识可知，本实用新型可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本实用新型范围内或在等同于本实用新型的范围内的改变均被本实用新型包含。

Claims (10)

1.一种三维扫描式温度梯度采集系统，其特征在于，包括立体支架，所述立体支架上设有能够移动的支座，所述支座上设有至少一个用于测量空气温度的空气温度传感器，所述支座与用于驱动所述支座竖直移动和水平移动的一驱动系统连接，所述驱动系统和空气温度传感器与一处理器连接，所述处理器用于接收所述空气温度传感器采集的空气温度数据并控制所述驱动系统的运行。

2.根据权利要求1所述的三维扫描式温度梯度采集系统，其特征在于，所述立体支架设有能够竖直滑动的滑竿，所述支座设于所述滑竿上；

所述驱动系统包括驱动所述滑竿竖直移动的第一驱动装置和驱动所述支座水平移动的第二驱动装置，所述第二驱动装置设于所述滑竿上。

3.根据权利要求2所述的三维扫描式温度梯度采集系统，其特征在于，所述第一驱动装置和第二驱动装置分别为与所述处理器连接的第一步进电机和第二步进电机；

所述第一步进电机的输出轴与一第一丝杠连接，所述第一丝杠的螺母与所述滑竿连接以驱动所述滑竿竖直移动；

所述第二步进电机的输出轴与一第二丝杠连接，所述第二丝杠的螺母与所述支座连接以驱动所述支座水平移动。

4.根据权利要求3所述的三维扫描式温度梯度采集系统，其特征在于，所述驱动系统还包括用于检测所述支座竖直移动距离的第一位移传感器和用于检测所述支座水平移动距离的第二位移传感器连接，所述第一位移传感器和第二位移传感器均与所述处理器连接。

5.根据权利要求4所述的三维扫描式温度梯度采集系统，其特征在于，所述第一位移传感器和第二位移传感器分别为第一拉绳位移传感器和第二拉绳位移传感器，所述第一拉绳位移传感器的拉绳移动端固定于所述滑竿，所述第二拉绳位移传感器的拉绳移动端固定于所述支座。

6.根据权利要求3-5任一所述的三维扫描式温度梯度采集系统，其特征在于，所述第一丝杠的两端处分别设有一第一限位开关以检测所述滑竿的移动并借此控制所述第一步进电机的运转方向，所述第二丝杠的两端处分别设有一第二限位开关以检测所述支座的移动并借此控制所述第二步进电机的运转方向。

7.根据权利要求1所述的三维扫描式温度梯度采集系统，其特征在于，还包括用于采集地表温度的土壤温度传感器，所述土壤温度传感器与所述处理器连接。

8.根据权利要求1所述的三维扫描式温度梯度采集系统，其特征在于，所述立体支架上设有用于采集风速和风向的三维风速仪，所述三维风速仪与所述处理器连接。

9.权利要求1所述的三维扫描式温度梯度采集系统，其特征在于，所述处理器与一用于显示及修改所述处理器、空气温度传感器、驱动系统的运行参数的触摸屏连接。

10.权利要求1所述的三维扫描式温度梯度采集系统，其特征在于，所述处理器通过通信网络与一用于数据集中管理及控制的远程服务器连接，所述远程服务器还包括用于根据所述空气温度传感器采集的温度而输出温度空间分布图像的三维数据成像模块。

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