CN202631429U - 作物根系土壤水分的荧光测定装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种作物根系土壤水分的荧光测定装置，涉及土壤水分测量技术领域，所述装置包括：激光器恒流驱动单元、激光器、探测器、以及信号处理单元，所述激光器恒流驱动单元与所述激光器连接，所述探测器与所述信号处理单元连接，所述激光器恒流驱动单元驱动所述激光器发出的光照射至待测作物叶片上，所述探测器接收所述待测作物叶片发出的荧光，并将产生的电信号发送至所述信号处理单元，所述信号处理单元对所述电信号进行处理，以实现所述待测作物根系土壤水分的测定。本实用新型通过测量植物叶绿素荧光强度，通过标定实验间接测量了土壤的水分含量，且测量结果更准确的反应了作物根系周围的土壤水分含量。
Description
技术领域
本实用新型涉及土壤水分测量技术领域，特别涉及一种作物根系土壤水分的荧光测定装置。
背景技术
水分是植物生长发育所必需的条件，土壤是植物吸收水分的最主要途径。土壤水分是土壤的重要物理参数，它对于植物生长、存活、净生产力等具有极其重要的意义。准确的获取土壤含水量，可以有效的提高灌溉用水的效率，进行精准灌溉可以提高水资源的利用率达到实施节水农业的目的。目前，测量土壤含水量的主要方法包括取样测定法和定点测定法，取样测定法有烘干法、比重法、离心机法等的物理方法和碳化钙法、浸入法、浓硫酸法等的化学方法。定点测定法有电测法、张力计法、热电偶法等的非放射方法和γ射线法、中子法的放射方法。但是植物根系吸水的范围和深度随着作物的生长而变化，采样和定点测量法只能监测传感器周围的土壤水分情况，无法全面的反应农作物根系周围实际的土壤含水量。
实用新型内容
(一)要解决的技术问题
本实用新型要解决的技术问题是：如何准确测定作物根系土壤含水量。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种作物根系土壤水分的荧光测定装置，所述装置包括：激光器恒流驱动单元、激光器、探测器、以及信号处理单元，所述激光器恒流驱动单元与所述激光器连接，所述探测器与所述信号处理单元连接，
所述激光器恒流驱动单元驱动所述激光器发出的光照射至待测作物叶片上，所述探测器接收所述待测作物叶片发出的荧光，并将产生的电信号发送至所述信号处理单元，所述信号处理单元对所述电信号进行处理，以实现所述待测作物根系土壤水分的测定。
优选地，所述装置还包括探头，第一光纤和第二光纤均从所述探头的一端伸出，并分别与所述激光二极管和所述探测器相连接。
优选地，所述装置还包括遮光盒，所述探头的另一端伸入所述遮光盒中、且固定于所述遮光盒上，所述遮光盒上相对的两侧分别设有用于使待测作物叶片伸入的开口。
优选地，所述激光器与所述第一光纤之间设有透镜。
优选地，所述探测器与所述第二光纤之间设有滤光镜。
优选地，所述激光器的发光中心波长为450nm，所述滤光镜的通过荧光波长为740nm。
优选地，所述装置包括电源，所述电源分别与所述激光器恒流驱动单元和所述信号处理单元连接。
优选地，所述激光器恒流驱动单元包括：依次串联的前级放大电路和压控电流供应电路。
优选地，所述信号处理单元包括：电流/电压转换电路、仪表放大电路和低通滤波电路。
(三)有益效果
本实用新型通过测量植物叶绿素荧光强度，通过标定实验间接测量了土壤的水分含量，且测量结果更准确的反应了作物根系周围的土壤水分含量。
附图说明
图1是按照本实用新型一种实施方式的作物根系土壤水分的荧光测定装置的结构框图；
图2是图1所示的装置中的光路系统的结构示意图；
图3是图1所示的装置中探头的结构示意图；
图4是图1所示的装置中激光器的发光波长和探测器的探测波长的试验结果示意图；
图5是图1所示的装置中激光器恒流驱动单元的结构示意图；
图6是图1所示的装置中信号处理单元的电流/电压转换电路的结构示意图；
图7是图1所示的装置中信号处理单元的仪表放大电路的结构示意图；
图8是图1所示的装置中信号处理单元的低通滤波电路的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
图1是按照本实用新型一种实施方式的作物根系土壤水分的荧光测定装置的结构框图；参照图1，本实施方式的装置包括：激光器恒流驱动单元、激光器、探测器、以及信号处理单元，所述激光器恒流驱动单元与所述激光器连接，所述探测器与所述信号处理单元连接，
所述激光器恒流驱动单元驱动所述激光器发出的光照射至待测作物叶片上，所述探测器接收所述待测作物叶片发出的荧光，并将产生的电信号发送至所述信号处理单元，所述信号处理单元对所述电信号进行处理，以实现所述待测作物根系土壤水分的测定。
优选地，所述装置还包括探头，第一光纤和第二光纤均从所述探头的一端伸出，并分别与所述激光二极管和所述探测器相连接。所述第一光纤和第二光纤构成了本实施方式的光路系统，优选地，所述激光器与所述第一光纤之间设有透镜，优选地，所述探测器与所述第二光纤之间设有滤光镜。
优选地，所述装置还包括遮光盒，所述探头的另一端伸入所述遮光盒中、且固定于所述遮光盒上，所述遮光盒上相对的两侧分别设有用于使待测作物叶片伸入的开口。
如图2所示，本实施方式的光路系统的主体为一条Y型光纤，激光器1发出的光经透镜2耦合进第一光纤5的一端，通过探头6照射到待测作物叶片9上。测量时探头6和叶片9被同时放在遮光盒7中。叶片发出的荧光通过探头进入第二光纤8，采用滤光片4滤除其他不相关波长的光，最后被探测器3接收，并转换为电信号。探头的结构如图3所示，将第一光纤5和第二光纤8的另一端封装在探头6中。在测量时，将植物叶片9和探头6装入遮光盒7中，这样可以去除环境噪声的干扰。
激光器的发光波长和探测器的探测波长需要通过实验进行确定和验证，选用了发光中心波长在450nm的激光器，照射水稻叶片后得到的荧光光谱和背景光谱图如图4所示。图中“1”所示的位置为光源发光的波峰，图中“2”的位置为荧光波峰。从两条光谱的对比上可以看到，在740nm附近(图中“2”所示的位置)有明显的荧光波峰。由此确定激光器诱导波长740nm附近，需要探测的荧光波长应为450nm附近，优选地，本实施方式中，所述激光器的发光中心波长为450nm，所述滤光镜的通过荧光波长为740nm。
参照图1，优选地，所述装置包括电源，所述电源分别与所述激光器恒流驱动单元和所述信号处理单元连接，本实施方式中，所述电源可以包括串联的集成芯片LM317和集成芯片AS1117。
参照图5，优选地，所述激光器恒流驱动单元包括：依次串联的前级放大电路和压控电流供应电路。前级放大电路可以调整输入到压控电流源的电压大小，从而调整驱动电流的大小。前级是由LM324运算放大器组成的负反馈放大电路，通过调整可调电阻R303可以控制输入到压控电流源的电压大小。压控电流源由两个运算放大器构成 并在电路的输出端加入NPN三极管进行扩流。图中的LD就是激光器恒流驱动的输出端。
优选地，所述信号处理单元包括：电流/电压转换电路、仪表放大电路和低通滤波电路。参照图6，电流/电压转换电路将探测器输出的电流信号转换为电压信号，可以利用高性能运算放大器的负反馈原理实现，本实施方式中，所述电流/电压转换电路采用OPA277运放，利用运放虚断的特性，将电流流过R101后，转换为电压信号。参照图7，仪表放大电路可以使用专用的仪表放大芯片或利用运算放大器实现，本实施方式中选用了放大倍数可调的仪表放大集成芯片AD620，通过调节电阻R102，就能改变放大倍数。参照图8，低通滤波器是利用OPA2277运放集成芯片设计的四阶低通巴特沃斯，截至频率100Hz。
本实施方式的装置的工作原理为：当作物缺水时，叶绿素荧光强度会呈减小的趋势，通过Y型的光路系统测量激光诱导下荧光的强度，可以利用传统方法测得的土壤水分含量与植物叶绿素荧光强度建立土壤水分反演模型，对系统进行标定，标定后就可以通过荧光的强度反演土壤中水分的含量，土壤水分反演模型可以通过利用烘干法或电测法测定的土壤水分含量与植物叶绿素荧光强度的相关关系获得。
由以上实施方式可以看出，本实用新型通过测量植物叶绿素荧光强度，通过标定实验间接测量了土壤的水分含量，且测量结果更准确的反应了作物根系周围的土壤水分含量。
本实用新型的装置与现有技术相比具有如下优点：
1.本实用新型采用植物自身生理参数反演土壤水分含量，所得到的结果更有利于指导灌溉。
2.本实用新型的光路系统可以在激光诱导的同时采集植物的荧光，去除了光源对荧光测定的影响，具有遮光盒的探头可以有效去除环境光的干扰，保证了水分数据的计算和测量精度。
3.本实用新型采用激光器恒流驱动单元驱动激光器，保证激发 光强的一致性，同时采用信号处理单元对探测器型号进行处理和放大最终输出标准信号，使其可以应用在各种标准的信号采集设备上。
4.本实用新型采用的土壤水分反演方法具有很强的可操作性，通过实验可以应用在不同土壤类型和不同作物情况下对作物根系土壤水分的测定中。
以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (9)
1.一种作物根系土壤水分的荧光测定装置，其特征在于，所述装置包括：激光器恒流驱动单元、激光器、探测器、以及信号处理单元，所述激光器恒流驱动单元与所述激光器连接，所述探测器与所述信号处理单元连接，
所述激光器恒流驱动单元驱动所述激光器发出的光照射至待测作物叶片上，所述探测器接收所述待测作物叶片发出的荧光，并将产生的电信号发送至所述信号处理单元，所述信号处理单元对所述电信号进行处理，以实现所述待测作物根系土壤水分的测定。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括探头，第一光纤和第二光纤均从所述探头的一端伸出，并分别与所述激光二极管和所述探测器相连接。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括遮光盒，所述探头的另一端伸入所述遮光盒中、且固定于所述遮光盒上，所述遮光盒上相对的两侧分别设有用于使待测作物叶片伸入的开口。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述激光器与所述第一光纤之间设有透镜。
5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述探测器与所述第二光纤之间设有滤光镜。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述激光器的发光中心波长为450nm，所述滤光镜的通过荧光波长为740nm。
7.如权利要求1～6中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括电源，所述电源分别与所述激光器恒流驱动单元和所述信号处理单元连接。
8.如权利要求1～6中任一项所述的装置，其特征在于，所述激光器恒流驱动单元包括：依次串联的前级放大电路和压控电流供应电路。
9.如权利要求1～6中任一项所述的装置，其特征在于，所述信号处理单元包括：电流/电压转换电路、仪表放大电路和低通滤波电路。
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|---|---|---|---|---|
| CN103278482A (zh) * | 2013-04-28 | 2013-09-04 | 燕山大学 | 一种双探头式水中叶绿素-a光学检测装置 |
| CN110132922A (zh) * | 2019-05-28 | 2019-08-16 | 哈尔滨工业大学（威海） | 一种叶绿素浓度的快速在线检测方法 |
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- 2012-04-25 CN CN 201220181583 patent/CN202631429U/zh not_active Expired - Fee Related
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