植物體含水率測量裝置的製作方法

2023-06-03 16:34:21

專利名稱：植物體含水率測量裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及測量技術領域，特別涉及一種植物體含水率測量裝置。
技術背景水對植物的重要性是不言而喻的。植物一方面從周圍環境中吸收水分，以保證生命活動 的需要；另一方面又不斷地向環境散失水分，以維持體內外的水分循環、氣體交換以及適宜 的體溫。植物對水分的吸收、運輸、利用和散失的過程，被稱為植物的水分代謝。研究植物 水分代謝的基本規律，掌握節水灌溉的生理基礎，以滿足農林植物生長發育對水分的需要， 為其提供良好的生態環境，對植物的高產、穩產、優產和水資源的高效利用有著重要的意義。水分在土壤——植物——大氣體系中的運輸過程可以表示為土壤水分一根毛一皮層一內皮層一木質部薄壁細胞一莖的導管一葉脈導管一葉肉細胞一氣孔下腔一氣孔一大氣。目前，在對此過程的研究中，土壤水分和空氣溼度的檢測手段多樣並且可以滿足研究需要；對植物 葉片的水分狀況而言，雖然檢測方法和工具存在一些缺點(如耗時長、攜帶不方便，不利於 野外作業)，但因採樣方便且對植物整體的損傷不大，從而在一定程度上彌補了這些不足，也 可以得到有效的檢測。相對而言，根和莖(主要指木本植物)的水分狀況因受制於植物本身 的一些客觀因素(如根生長在土壤中，對植物莖部取樣不方便且會對植物的正常生長造成較 大影響等)以及檢測方法本身存在的不足，難以被實時檢測。目前，在國外應用較多的測量手段是TDR技術，但是TDR技術用於測量植物體含水率在 技術上存在一些不足之處不同TDR波導探針的有效介電常數一一含水率經驗公式有較大差異； 樹種差異對TDR的測量有影響，當精度要求很高時可以針對特定樹種做標定； TDR測量的是波導探針附近植物組織的平均含水率，如果波導探針附近水分分布差異較 大(如邊材與心材)，測量結果會有較大偏差； 植物的傷口反應對TDR的測量值有影響；TDR波導探針的長度受限制，使用較短波導探針可以減小對植物的損傷，並且減少水分 分布差異引入的誤差，但是系統解析度會降低，波導太長信號的衰減會很大。此外，TDR技術儀器化成本高，不利於國內市場推廣。通過以上分析可知，目前植物體含水率測量裝置存在的問題還很多，有利於市場推廣的 設備目前尚未有見。 發明內容本發明的目的在於提供一種高頻寬、高線性度和小功耗，操作簡單，可隨身攜帶，有利 於即時檢測的植物體含水率測量裝置。為達到上述目的，本發明植物體含水率測量裝置，包括傳感器，還包括一數據採集器， 所述傳感器包括用於檢測植物體含水率的阻抗變換器、檢波模塊、第一中央控制模塊和與所 述第一中央控制模塊相連的第一通訊模塊，所述阻抗變換器的檢測信號通過所述檢波模塊接 至所述第一中央控制模塊；所述數據採集器包括第二中央控制模塊和與之分別相連的鍵盤輸 入模塊、顯示模塊、存儲模塊、第二通訊模塊，所述第二中央控制模塊通過所述第二通訊模 塊和第一通訊模塊與所述第一中央控制模塊相連。本發明植物體含水率測量裝置，其中所述阻抗變換器包括高頻信號源、傳輸模塊和若干 測量探針，所述高頻信號源和測量探針分別與所述傳輸模塊相連，所述傳輸模塊的檢測信號 接至所述檢波模塊。本發明植物體含水率測量裝置，其中所述檢波模塊採用型號為AD623的運算放大器晶片 構成寬頻帶檢波器。本發明植物體含水率測量裝置，其中所述傳輸模塊採用特徵阻抗是50歐姆的同軸電纜。本發明植物體含水率測量裝置，其中所述傳感器設有用於在被測植物體上進行固定的環 形固定圈和一個固定在固定圈上的電路盒，固定圈上均布有多個用於安裝所述測量探針的探 針孔，測量探針自探針孔中插入被測植物體並通過螺帽和絕緣墊圈固定在環形固定圈上，各 測量探針通過同軸電纜接入電路盒。本發明植物體含水率測量裝置，其中所述數據採集器設有電源模塊和與其相連的充電模， 並用於向所述傳感器供電。本發明植物體含水率測量裝置，其中所述第一中央控制模塊採用型號為MEGA8的晶片， 所述第二中央控制模塊採用型號為SPCE061A的晶片。本發明植物體含水率測量裝置，其中所述第二通訊模塊和第一通訊模塊採用RS-485通訊 模塊。本發明植物體含水率測量裝置，數據採集器採用手持的可移動式結構，包括具有若干按鍵的鍵盤和一個小型顯示器。本發明植物體含水率測量裝置的優點是1. 傳感器測量電路線性度好，具有較寬頻帶。由於信號源頻率高達100MHz，因此檢波 電路的頻率很高，高頻運算放大器LT1813在高頻工況下保證了檢波電路的高頻性能，此外電 阻電容參數的匹配使植物水分測量電路具有良好的線性輸出，有效保證了測量的精度和量程， 性能足以滿足實際應用。2. 本傳感器的具有很寬的測量範圍(0-100%含水量)。3. 數據採集器為手持式儀表，體積小，便於隨身攜帶，其功耗小，不需要配備大量備用電池。4. 鍵盤設計簡潔，操作簡單，價格低廉，滿足市場需求。下面將結合實施例參照附圖進行詳細說明，以對本發明的目的、特徵和優點有深入的理解。


圖1為本發明植物體含水率測量裝置的方框圖；圖2為本發明檢測設備中第二中央控制模塊的電路圖；圖3為本發明檢測設備中第一中央控制模塊和第一通訊模塊的電路圖；圖4為本發明檢測設備中檢波模塊的電路圖；圖5為本發明檢測設備中鍵盤輸入模塊的電路圖；圖6為本發明檢測設備中存儲模塊的電路圖；圖7為本發明檢測設備中第二通訊模塊的電路圖；圖8為本發明檢測設備中充電模塊的電路圖；圖9為本發明檢測設備中顯示模塊的電路圖；圖10為本發明檢測設備中電源模塊的電路圖；圖11為本發明檢測設備的測量原理圖；圖12為本發明檢測設備中傳感器的安裝圖；圖13為本發明檢測設備中數據採集器的外形圖。
具體實施方式
下面以實施例對技術方案做詳細說明。參照圖1，本發明植物體含水率測量裝置，由用於測量植物體含水率的傳感器1和數據採集器2兩部分組成，採用9V可充電電池供電，傳感器1的電源由數據採集器2提供。傳感 器通過兩個RS-485通訊模塊將數據發送給數據採集器(手持式)，數據採集器用於設定傳感器的參數，讀取並顯示傳感器的測量結果。其中，傳感器1包括用於檢測植物體含水率的阻抗變換器16、檢波模塊14、第一中央控 制模塊10和與第一中央控制模塊10相連的第一通訊模塊15。第一中央控制模塊10採用型 號為MEGA8的晶片。檢波模塊14採用型號為AD623的運算放大器晶片構成寬頻帶檢波器。 上述電路裝入電路盒41。參照圖12，傳感器l的外部結構如下它設有用於在被測植物體7上進行固定的環形固 定圈46和固定在固定圈46上的電路盒41，固定圈46上均布有4個用於安裝測量探針40的 探針孔45，測量探針40自探針孔45中插入被測植物體7並通過螺帽43和絕緣墊圈42固定 在環形固定圈46上，各測量探針40通過同軸電纜44接入電路盒41。參照圖1，數據採集器2包括第二中央控制模塊20和與之分別相連的鍵盤輸入模塊21、 顯示模塊23、存儲模塊22、第二通訊模塊25，第二中央控制模塊20通過第二通訊模塊25 和第一通訊模塊15與第一中央控制模塊10相連。第二通訊模塊25和第一通訊模塊15採用 RS-485通訊模塊。數據採集器2設有電源模塊26和充電模塊27，並用於向傳感器1供電。參照圖10和圖 8，分別給出了電源模塊和充電模塊的電路圖。參照圖2，第二中央控制模塊釆用型號為SPCE061A的晶片。.參照圖5和圖9，給出了鍵 盤輸入模塊21和顯示模塊23的電路圖。參照圖6給出了存儲模塊22的電路圖。參照圖7， 給出了第二通訊模塊25的電路圖。數據採集器2設計為手持式儀表，參照圖13,給出了數據採集器2的外形圖，數據採集 器2為手持的可移動式結構，該結構包括8個按鍵28的鍵盤和一個小型顯示器24。數據採 集器2設有"開/關"、"設定"、"測量"、"刪除"和4個選擇鍵，用於設定傳感器的參數、讀 取並顯示傳感器的測量結果。手持裝置體積小，便於隨身攜帶，其功耗小，不需要配備大量 備用電池。參照圖4，阻抗變換器16包括頻率為lOOMHz的高頻信號源13、傳輸模塊12和若干測 量探針40，高頻信號源13和測量探針40分別與傳輸模塊12相連，傳輸模塊12採用特徵阻 抗是50歐姆的同軸電纜，即高頻信號源和測量探針分別接於同軸傳輸線的兩端，傳輸模塊 12的檢測信號通過檢波模塊14接至第一中央控制模塊10。參照圖11，下面說明本發明植物體含水率測量裝置中植物體含水率的測量原理-阻抗變換器16由信號源、傳輸線和探頭三部分構成。其中信號源為100Mhz的正弦波， 傳輸線為特徵阻抗是50歐姆的同軸電纜。傳輸線上的電壓和電流均以波動的形式向前傳播， 並且是由正向行波和反向行波疊加而成。為方便起見，設z的方向與電磁波的傳播方向相反。 沿著z的正方向傳播的波稱為反射波，而沿著z的反方向傳播的波稱為入射波。將任意一段均勻傳輸線劃分成許多的微分段dz，對於均勻傳輸線而言，由於其分布參數是沿線均勻分布的，且由於線元dx的長度極短，故可將看成一個集總參數電路，並用一個r型網絡來等效。當傳輸線的長度等于波長的四分之一時，駐波的波峰與波谷恰在同軸電纜的兩端。即formula see original document page 8上式中formula see original document page 8是傳輸線兩端電位，A的數值取決于振蕩器的振幅，Zc為同軸傳輸線的特徵阻抗，當同軸傳輸線一旦確定，其值即為確定值。故在A和Zc恆定的情況下傳輸線兩端的電 位差只與探頭的特徵阻抗ZL有關，探頭的特徵阻抗與植物體的介電特性有關，而植物體的介 電特性又決定於植物體的含水量，所以通過測量探頭的特徵阻抗即可達到測量植物體含水量 的目的。因此，植物體含水率測量原理是一種基於傳輸線阻抗變換原理的測量方法。 下面對本發明植物體含水率測量裝置中的主要電路分別進行說明。 在傳感器檢測植物體含水量過程中，參照圖4， U4為高頻信號源(SOC) 13，高頻信號從 3號管腳輸出後分作兩路，第一路直接輸入檢波模塊14中晶片U6 (LT1813)的3號管腳，再 由1號管腳輸出經過二極體D2、 D3和電阻R4後對電容C3充電，將電容C3的電壓經電阻R4 輸入5號管腳，再由7號管腳輸出高頻信號的峰值電壓，將此峰值電壓輸入至檢波模塊14中 晶片Ul (AD623)的2號管腳(反相輸入端)；第二路經過傳輸模塊12的電阻Rl和電容Cl 發射至測量探針40的J2-2上，並與J2-2末端反射的高頻信號進行耦合產生高頻駐波信號， 將此駐波信號輸入檢波模塊14中晶片U7 (LT1813)的3號管腳，經過與第一路信號相同的 處理後從U7的7號管腳輸出駐波信號的峰值電壓至晶片Ul的3號管腳(正相輸入端)；兩路 信號的峰值電壓經Ul (AD623)處理後從6號管腳輸出至圖3中第一中央控制模塊10 (MEGA8) 的24號管腳作A/D轉換得到數位訊號X， MEGA8採用公式Y=kX+b計算出植物體含水率並經第 一通訊模塊15和第二通訊模塊25 (參照圖7)發送給第二中央控制模塊20 (參照圖2)。 下面說明本發明植物體含水率測量裝置的工作過程數據採集器有兩種工作狀態參數設定狀態和測量狀態，可通過"設定"按鈕進行切換。 啟動時默認進入測量狀態，此時按一次"設定"按鈕進入設定狀態，設定結束後自動返回測 量狀態。設定在初次使用時，應該對傳感器1進行參數設置。啟動數據採集器2,按"設定" 按鈕進入參數設定狀態，按照顯示器上的文字提示先後輸入傳感器的含水率標定參數，輸入 完成後數據採集器2將參數發送給傳感器1，傳感器1收到數據後向數據採集器2返回確認信息，設定過程結束，數據採集器2轉入測量狀態。植物體含水率通過一次函數關係式Y=kX+b 計算，其中Y為植物體含水率，是百分數，X為植物體含水率檢測電路的輸出電壓值(單位 伏特)，k b為標定參數(無量綱)由生產方提供。在設定狀態下，"向左"和"向右"鍵表 示清零和確認，數值通過"向上"或"向下"按鈕修改。例如設定參數k的值為22. 3:進入設定狀態後出現提示語"輸入k的整數部分"，此時 顯示的數值為00，按住"向上"按鈕直至數值變為22 (按住"向上"按鈕數值將不斷加1至 99,按住"向下"按鈕數值將不斷減1至-99)，再按"向右"表示確認，此時會出現提示語 "輸入k的小數部分"，且數值顯示為O,通過"向上"鍵修改為3，按"向右"表示確認進 入參數b的設定。參數b的設定同k類似。在輸入時，若不慎輸入非期望數值可以按"向左" 鍵迅速清零，然後重新輸入。測量啟動數據採集器(按一次"開/關"按鈕)，按"測量"按鈕數據採集器2即向傳 感器1發送數據採集命令，參見圖2，其信號由第二中央控制模塊20(SPCE061A)的IOBIOTXD —圖7中第二通訊模塊25 (MAX485晶片)的4管腳T—第二通訊模塊25的A B 口一RS-485 的正負線一圖3中第一通訊模塊15 (MAX-485)的A B 口線一第一通訊模塊15的1管腳R— 第一中央控制模塊10的PD0。傳感器1收到命令後採集植物體含水率，並將數據返回給數據 採集器2，其信號由圖3中第一中央控制模塊10的PD1—第一通訊模塊15的4管腳T—第一 通訊模塊15的A B 口—RS-485的正負線一圖7中第二通訊模塊25的A B 口一第二通訊模塊 25的1號管腳R—圖2中第二中央控制模塊20的I0B7 RXD。數據採集器2將收到的數據寫 入存儲模塊22並由顯示模塊23實時顯示出來。在測量狀態下，按"向上"或"向下"按鈕 可以瀏覽存儲器中保存的測量歷史數據，按"刪除"按鈕可以將當前顯示的數據從存儲器中 清除。本發明植物體含水率測量裝置的優點在於-1.傳感器測量電路線性度好，具有較寬頻帶。由於信號源頻率高達lOOMHz，因此檢波電路的頻率很高，高頻運算放大器LT1813在高頻工況下保證了檢波電路的高頻性能，此外電 阻電容參數的匹配使植物水分測量電路具有良好的線性輸出，有效保證了測量的精度和量程，性能足以滿足實際應用。2. 本傳感器的具有很寬的測量範圍(0-100%含水量)。3. 數據採集器為手持式儀表，體積小，便於隨身攜帶，其功耗小，不需要配備大量備用 電池。4. 鍵盤設計簡潔，操作簡單，價格低廉，滿足市場需求。
權利要求
1. 一種植物體含水率測量裝置，包括傳感器(1)，其特徵在於還包括一數據採集器(2)，所述傳感器(1)包括用於檢測植物體含水率的阻抗變換器(16)、檢波模塊(14)、第一中央控制模塊(10)和與所述第一中央控制模塊(10)相連的第一通訊模塊(15)，所述阻抗變換器(16)的檢測信號通過所述檢波模塊(14)接至所述第一中央控制模塊(10)；所述數據採集器(2)包括第二中央控制模塊(20)和與之分別相連的鍵盤輸入模塊(21)、顯示模塊(23)、存儲模塊(22)、第二通訊模塊(25)，所述第二中央控制模塊(20)通過所述第二通訊模塊(25)和第一通訊模塊(15)與所述第一中央控制模塊(10)相連。
2. 根據權利要求1所述的植物體含水率測量裝置,其特徵在於:其中所述阻抗變換器(16) 包括高頻信號源(13)、傳輸模塊(12)和若干測量探針(40)，所述高頻信號源(13)和測 量探針(40)分別與所述傳輸模塊(12)相連，所述傳輸模塊(12)的檢測信號接至所述檢 波模塊(14)。
3. 根據權利要求1或2所述的植物體含水率測量裝置，其特徵在於其中所述檢波模塊 (14)採用型號為AD623的運算放大器晶片構成寬頻帶檢波器。
4. 根據權利要求3所述的植物體含水率測量裝置，其特徵在於其中所述傳輸模塊(12) 採用特徵阻抗是50歐姆的同軸電纜。
5. 根據權利要求4所述的植物體含水率測量裝置，其特徵在於其中所述傳感器(1) 設有用於在被測植物體(7)上進行固定的環形固定圈(46)和一個固定在固定圈(46)上的 電路盒(41),固定圈(46)上均布有多個用於安裝所述測量探針(40)的探針孔(45)，測 量探針(40)自探針孔(45)中插入被測植物體(7)並通過螺帽(43)和絕緣墊圈(42)固 定在環形固定圈(46)上，各測量探針(40)通過同軸電纜(44)接入電路盒(41)。
6. 根據權利要求5的植物體含水率測量裝置，其特徵在於其中所述第二通訊模塊(25) 和第一通訊模塊(15)採用RS-485通訊模塊。
7. 根據權利要求6的植物體含水率測量裝置，其特徵在於其中所述所述數據採集器(2) 設有電源模塊(26)和與其相連的充電模(27)，並用於向所述傳感器(1)供電。
8. 根據權利要求7所述的植物體含水率測量裝置，其特徵在於其中所述第一中央控制 模塊(10)採用型號為MEGA8的晶片，所述第二中央控制模塊(20)採用型號為SPCE061A的晶片。
9.根據權利要求8所述的植物體含水率測量裝置，其特徵在於其中所述數據採集器(2) 採用手持的可移動式結構，包括具有若干按鍵(28)的鍵盤和一個小型顯示器(24)。
全文摘要
本發明植物體含水率測量裝置，包括用於檢測植物體含水率的傳感器和數據採集器，傳感器包括阻抗變換器、檢波模塊、第一中央控制模塊和第一通訊模塊，阻抗變換器的檢測信號通過檢波模塊接至第一中央控制模塊；數據採集器包括第二中央控制模塊和鍵盤輸入模塊、顯示模塊、存儲模塊、第二通訊模塊，第二中央控制模塊通過第二通訊模塊和第一通訊模塊與第一中央控制模塊相連。傳感器採用圓心多爪結構安裝探針。本發明植物體含水率測量裝置的優點是具有高頻寬、高線性度和功耗小的性能，操作簡單，可隨身攜帶，有利於實現植物體含水率的即時檢測。
文檔編號G01N27/12GK101236168SQ200710063420
公開日2008年8月6日 申請日期2007年1月31日 優先權日2007年1月31日
發明者王海蘭, 白陳祥, 趙燕東 申請人:北京林業大學