專利名稱：介電式植物莖流檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種植物莖流檢測裝置，特別是涉及一種非侵入式的介電式植物莖流檢測裝置。
背景技術：
水是維系植物生存的基本要素之一。就農業而言，水是作物生長的命脈，是保障我國糧食生產實現穩產與增產的基本前提條件。然而我國是一個干旱缺水嚴重的國家，淡水資源總量為28000億立方米，僅占全球水資源的6%。而我國每年農業用水約占當年用水總量的62%。與發達國家農業灌溉用水有效利用率相比(利用系數約O. 7-0. 8)，我國農業用水效率不高的現象非常突出，除黃河流域部分地區水資源有效利用系數接近O. 6以外，大部分地區僅為O. 48。因此，水資源的高效合理利用是現代農業生產中非常重要的任務。實現節水農業，首當其沖的是植物生理需水信息的準確獲取。長期以來，人們一直將土壤水分作為控制農作物灌溉的指標，但它并不能直接反映作物的需水情況，并且有滯后、精度低等缺點。因而，尋求一種直接反映植物需水信息的指標，以實現及時、適量灌溉，十分必要。莖流指蒸騰作用在植物體內引起的上升液流。土壤液態水進入根系后，通過莖輸導組織向上運送到達冠層，經由氣孔蒸騰轉化為氣態水擴散到大氣中去。根部吸收的水分有99. 8%以上消耗在蒸騰作用上。通過精確測算莖流量，可以基本確定植株蒸騰失水量。 植物莖流的測定對于建立土壤-植物-大氣連續體模型，以及探討區域性農田水分供需規律，驗證抑蒸節水措施等都具有重要意義。對于科學研究領域來說，莖流測定技術提供了一種田間直接測定蒸騰的精確手段；對現代化農業生產來說，莖流作為一種水分生理指標，比土壤水分更適用于監視作物的生理過程，指導農田精量灌溉。目前植物莖流測定主要是熱學測量方法，可分為熱脈沖法、熱平衡法和熱擴散法。熱脈沖法(Heat Pulse Method)是德國的Huber于1932年最先提出的。此后經過許多學者對所采用的方法及設備的不斷改進，才逐漸開始在植物水分問題研究中使用。使用時在莖桿的某一處插入一個加熱器熱源，同時再在熱源一定距離的上方插入一個熱探測器。熱脈沖隨蒸騰流從熱源傳輸到探測器所需的時間是可以測定出來的。據此，再根據莖桿中起傳輸水流作用的組織的截面的大小，可以通過對流與擴散理論建立的熱在莖中傳輸的方程而將水流通量計算出來。熱平衡法(Heat Balance Method)理論最初見于上世紀70年代，在1981至1988 年間被Baker, Van Babel以及Sakuratani等人通過田間試驗證實。熱平衡法又包括莖部熱平衡法(Stem Heat Balance Method)和樹干熱平衡法(Tissue Heat Balance Method)。 其中莖部熱平衡法是將一個加熱套包裹在莖桿外部并連續加熱莖桿，通過安裝在周圍的溫度傳感器來感應莖桿溫度，最后依據熱平衡原理求出單位時間莖桿內液體流量。樹干熱平衡法原理與莖部熱平衡法相同，只是需要插入探針來測定樹干液流。熱擴散法(ThermalDissipation Probe Method)首先由法國科學家 Granier 于 1985年提出。它是將兩根探針插入莖桿或樹干內，其中上部探針含有加熱器和熱電偶，下部探針只有熱電偶，恒定加熱，通過測定兩探針的溫度值來計算液流速度。目前國內常見的植物莖流計主要是由格林斯潘和澳大利亞英聯邦科學與工業研究組織(CSIRO)聯合研制開發的SF系列熱脈沖型莖流傳感器和英國Dynagage公司研制的包裹式莖流計。它們的主要缺點是1)脈沖式傳感器需要將探針插入植物莖桿內，這顯然破壞了植物的正常生理過程，甚至給植物造成不可恢復的損傷；2)為精確測量莖桿溫度需要保證溫度傳感器的應用條件，對產品的隔熱性能要求較高；3)所有產品都需要對植物進行加熱，這有可能會燒傷莖桿，并且同樣會影響植物的正常生理過程，使采集到的數據不能準確反映植物的正常生理狀況。
發明內容
(一 )要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是如何克服現有莖流檢測裝置在檢測過程中對植物的正常生理過程造成的不良影響及對植物莖桿造成的傷害。(二)技術方案為了解決上述技術問題，本發明提供一種介電式植物莖流檢測裝置，包括包裹帶，所述包裹帶包裹被測莖桿；嵌入所述包裹帶內的傳感器電極，所述傳感器電極感應莖桿含水量變化；與所述傳感器電極連接的信號調節單元，所述信號調節單元將傳感器電極感應的莖桿含水量變化轉換成輸出電壓的變化；與所述信號調節單元連接的數據采集單元，所述數據采集單元采集到所述信號調節單元的電壓信號。其中，所述包裹帶具有彈性。其中，所述信號調節單元包括依次連接的高頻振蕩電路、檢波電路和運算放大電路，所述傳感器電極與所述高頻振蕩電路連接，所述運算放大電路與所述數據采集單元連接。其中，所述數據采集單元包括單片機芯片、以及分別與所述單片機芯片連接的時鐘模塊和存儲模塊，所述單片機芯片與所述信號調節單元連接。其中，所述包裹帶的外部還設有外殼。其中，所述外殼由兩個半圓形殼體組成。其中，所述外殼采用塑料制成。其中，所述傳感器電極通過同軸電纜與所述信號調節單元連接。(三)有益效果上述技術方案提供的一種介電式莖流檢測裝置，采用內設傳感器電極的包裹帶對植物莖流進行非侵入式的檢測植物莖流量，能夠消除對植物的生理過程造成不良影響，避免對植物莖桿造成傷害；進一步地，采用具有彈性的包裹帶，確保了傳感器電極和莖桿之間的緊密接觸。
圖I是本發明一種介電式植物莖流檢測裝置的結構示意圖2是本發明一種介電式植物莖流檢測裝置的電路原理圖。其中，I、被測莖桿；2、包裹帶；3、傳感器電極；4、同軸電纜；5、外殼；6、信號調節單元；7、數據采集單元。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。如圖1，本發明一種介電式植物莖流檢測裝置，包括包裹帶2，該包裹帶2包裹被測莖桿I ;嵌入包裹帶2內的傳感器電極3，該傳感器電極3感應莖桿含水量變化；與傳感器電極3連接的信號調節單元6，該信號調節單元6將傳感器電極3感應到的莖桿含水量變化轉換成輸出電壓的變化；與信號調節單元6連接的數據采集單元7，該數據采集單元7采集信號調節單元6的電壓信號。本實施例的包裹帶2具有彈性，為彈性包裹帶，一方面使得包裹帶2緊密地包裹住被測莖桿I ;另一方面確保當被測莖桿I的直徑因天氣、土壤水分等因素出現微小變化時，仍能夠保證包裹帶2與被測莖桿I的緊密接觸，并且不會對被測莖桿I 造成傷害。當將該介電式莖流檢測裝置安裝在處于生長期的植物莖桿上，則在莖桿直徑增長超過包裹帶2的調整范圍后，可手動調節包裹帶2以獲得一致的緊密性，包裹帶2通過扣合的方式連接成環狀，尾部帶有彎鉤，在每間隔一段長度上開有一個扣環，通過使彎鉤勾住不同的扣環即可調節包裹帶2的長度。傳感器電極3為兩條金屬帶，分別嵌入包裹帶2內，并通過同軸電纜4與信號調節單元連接，該兩條金屬帶分別焊接在同軸電纜4的中心線和屏蔽線上。由于該線路上傳輸的信號頻率較高，使用同軸電纜4能保證信號傳輸質量。該介電式植物莖流檢測裝置還設有塑料制成的外殼5，將包裹帶2安裝在該外殼5的內部，以避免包裹帶2受到損壞，并起到防水的作用，該外殼由兩個半圓形的殼體構成。如圖2，信號調節單元6包括經依次連接的高頻振蕩電路、檢波電路和運算放大電路，傳感器電極3與高頻振蕩電路連接，運算放大電路與數據采集單元7連接。該數據采集單元包括單片機芯片以及分別與單片機芯片相連的時鐘模塊和存儲模塊，單片機芯片與信號調節單元的高頻振蕩電路連接。該單片機芯片可以采用MSP430F149，自帶8路12位AD 模塊、I2C和SPI通信模塊等。時鐘模塊可以采用R8025，存儲模塊可以采用M25P80。傳感器電極3將檢測的信號經過高頻振蕩電路轉換為高頻信號后，經過檢波電路輸出到運算放大器，轉換為0-2. 5V標準電壓輸出。數據采集單元7的單片機芯片的AD模塊采集到信號調節單元6的運算放大電路輸出的電壓信號，時鐘模塊以I2C模塊方式與單片機芯片通信， 為系統提供準確的測量時間，存儲模塊以SPI模塊方式與單片機芯片通信，用于存儲測量結果。上述技術方案所提供的介電式植物莖流檢測裝置的測量過程如下當植物莖流量 (指單位時間莖桿內液體流量)增大，則可理解為被測莖桿I中單位時間內的水分增加時， 傳感器電極3將感應到莖桿含水量變化并反映到信號調節單元6中輸出電壓的變化。單片機芯片每間隔五分鐘采集一次傳感器信號，計算出傳感器輸出變化值△ V，并結合標定數據推算出植物莖流大小。根據要測量的植物類型，可先在此植物莖桿上進行傳感器標定，找到莖流大小與傳感器輸出的對應關系(在一定范圍內為線性)，實際莖流量通過測量一定時
5間內搜集到的莖液量得到。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種介電式植物莖流檢測裝置，其特征在于，包括包裹帶，所述包裹帶包裹被測莖桿；嵌入所述包裹帶內的傳感器電極，所述傳感器電極感應莖桿含水量變化；與所述傳感器電極連接的信號調節單元，所述信號調節單元將傳感器電極感應到的莖桿含水量變化轉換成輸出電壓的變化；與所述信號調節單元連接的數據采集單元，所述數據采集單元采集所述信號調節單元的電壓信號。
2.如權利要求I所述的介電式植物莖流檢測裝置，其特征在于，所述包裹帶具有彈性。
3.如權利要求I所述的介電式植物莖流檢測裝置，其特征在于，所述信號調節單元包括依次連接的高頻振蕩電路、檢波電路和運算放大電路，所述傳感器電極與所述高頻振蕩電路連接，所述運算放大電路與所述數據采集單元連接。
4.如權利要求I所述的介電式植物莖流檢測裝置，其特征在于，所述數據采集單元包括單片機芯片、以及分別與所述單片機芯片連接的時鐘模塊和存儲模塊，所述單片機芯片與所述信號調節單元連接。
5.如權利要求I所述的介電式植物莖流檢測裝置，其特征在于，所述包裹帶的外部還設有外殼。
6.如權利要求5所述的介電式植物莖流檢測裝置，其特征在于，所述外殼由兩個半圓形殼體組成。
7.如權利要求5所述的介電式植物莖流檢測裝置，其特征在于，所述外殼采用塑料制成。
8.如權利要求I所述的介電式植物莖流檢測裝置，其特征在于，所述傳感器電極通過同軸電纜與所述信號調節單元連接。
全文摘要
本發明涉及一種植物莖流檢測裝置，公開了一種非侵入式的介電式植物莖流檢測裝置，該檢測裝置包括包裹帶，所述包裹帶包裹被測莖稈；嵌入所述包裹帶內的傳感器電極，所述傳感器電極感應莖稈含水量變化；與所述傳感器電極連接的信號調節單元，所述信號調節單元將傳感器電極感應到的莖稈含水量變化轉換成輸出電壓的變化；與所述信號調節單元連接的數據采集單元，所述數據采集單元采集所述信號調節單元的電壓信號。本發明采用內設傳感器電極的包裹帶對植物莖流進行非侵入式的檢測植物莖流量，消除了對植物的生理過程造成不良的影響，避免了對植物莖稈造成的傷害。進一步地，采用具有彈性的包裹帶，確保了傳感器電極和莖稈之間的緊密接觸。
文檔編號G01N27/00GK102590279SQ201210046999
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月27日 優先權日2012年2月27日
發明者孫宇瑞, 盛文溢, 贠玉良 申請人:中國農業大學