一種測量不同植被冠層下太陽直射輻射透過率傳感器裝置的製作方法

2023-07-30 03:19:21

專利名稱：一種測量不同植被冠層下太陽直射輻射透過率傳感器裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種測量不同植被冠層下太陽直射輻射透過率傳感器裝置，它與植被冠層結構參數的數據採集有關，屬於農業與生態學技術領域。
(二)技術背景在農業生態領域用於測量太陽輻射冠層透過率的儀器分為兩類，一類以管狀輻射表和光量子儀為代表，是通過分別獲取冠層上和冠層下太陽輻射能量值，然後做比來計算太陽輻射冠層透過率。另一類以「測量植物冠層圖象分析儀」為代表，是通過魚眼鏡頭獲取冠層下天穹半球圖像，通過對圖像進行二值化處理，獲取太陽輻射冠層透過率。其中管狀輻射表一般為30*500mm左右管狀體，表層是高透過率的石英管體，管體內分布400個熱電偶用於探測輻射能量，能量感應面積一般為10*330mm左右。將兩個經過靈敏度校正的管狀輻射表在冠層上和冠層下分別放置一個，對二者一天中同一時刻數據進行比值運算，即可獲得一天中太陽總輻射的冠層透過率。使用光量子儀測量冠層透過率，是將一個光量子儀固定在長900mm的長杆上並置於冠層下，另一個光量子儀置於測點冠層上方Im高度處，測量時來回推動冠層下光量子儀在鋁杆上滑動，記錄一分鐘內輻射量的累計值，並與冠層外光量子儀相比，即可得到該時間段太陽總輻射冠層透過率。在一天中不同時刻重複該操作，即可獲取一天中不同時間段的太陽輻射冠層透過率。使用植物冠層圖象分析儀測量冠層透過率，是通過將帶魚眼鏡頭的探頭伸到冠層下，獲取冠層下某時刻天穹半球圖像，通過對圖像進行一系列掩膜處理與圖像處理，將植被與天空輻射背景分離，計算直射光斑在圖像中所佔比例，得到冠層直射光透過率。管狀輻射表和光量子儀原本是設計用來測量植被冠層有效光合輻射的，所測數據都具有物理量綱，也正因為此，這兩種儀器的造價都很昂貴，而植物冠層圖像分析儀使用魚眼鏡頭，很難在無人值守的情況下進行維護。當測量目標僅僅為太陽輻射冠層透過率且無法對儀器長時間人工維護時，只需要傳感器在冠層上下所測數據的具有可比性與放置在冠層下的傳感器裝置具有不少於管狀輻射表的感應面積即可，對所測數據的物理量綱沒有要求，使用較為廉價的光強傳感器配合簡易的機械結構即可滿足上述要求。另外，以上儀器在測量植被透過率的過程中，冠層下的傳感器間距均是固定的，因此，它們存在一個局限性，即很難根據植被覆蓋密度的稀疏程度來調整儀器的採樣間距，因此，它們的適用植被密度類型具有一定的局限性。本實用新型即通過使用普通的光強傳感器，設計簡易的機械裝置，通過對冠層上下的傳感器裝置間進行可比性校正，來達到測量太陽輻射冠層透過率的目的。

實用新型內容1、發明目的:本實用新型的目的是提供一種測量不同植被冠層下太陽直射輻射透過率傳感器裝置，它參照管狀表的原理，分為冠層上(或冠層外，為表述方便，以下統稱冠層上)與冠層下兩部分，冠層上傳感器裝置由於是用來測量空間分布均勻的太陽輻射能量，不需要太大的感應面積，所以是在專利申請「一種基於無線傳感器網絡的植被結構參數測量裝置」中的測量節點封裝盒蓋上加裝3個光強傳感器來實現。對於冠層下的傳感器裝置，仿照管狀表設計為長杆狀，部署於冠層下的九個光強傳感器間距可調的，感應面積可在3mm*1045mm 到3mm*500mm的範圍內調整，配合部署於冠層上的用於比對的傳感器，構成一套廉價的獲取冠層太陽直射輻射透過率的傳感器裝置。其中冠層上下傳感器裝置所用光強傳感器均為光敏電阻TSL2561。每個光強傳感器上還加裝一層紅光濾光片，濾光片中心波長649nm，半波帶寬8. 8nm，在這個波段範圍，可以有效濾掉以藍光為主的天空散射光，提高到達光強傳感器的輻射能量中太陽直射輻射的比例。該裝置的光強傳感器間的距離可以調節，能夠適應不同疏密情況的植被類型。裝置整體採用防水密閉封裝，可在野外農田複雜環境下，大範圍、長時間布置。2、技術方案本實用新型一種測量不同植被冠層下太陽直射輻射透過率傳感器裝置，它是由冠層上傳感器裝置和冠層下傳感器裝置兩部分組成，它們之間的通過無線通信相連。冠層上傳感器裝置放置於植被冠層上或冠層外，冠層下傳感器裝置放置於植被冠層下。所述冠層上傳感器裝置，其外形為長方形(見圖幻，實質是在專利申請「一種基於無線傳感器網絡的植被結構參數測量裝置」中的普通無線傳感器網絡測量節點上加裝了三個光強傳感器單元，並分布在盒蓋上，其中，光強傳感器單元與冠層下傳感器裝置所用型號規格一致。所述冠層下傳感器裝置，其外形設計為長杆狀盒子(見圖1)，它是由光強傳感器單元1、螺紋杆7、彈簧8、防水卡口 9、冠層下傳感器盒體10、電纜信號連接器11、旋鈕12、 冠層下傳感器盒蓋13、八芯電纜14和前端盒蓋15組成(見圖2)，它們之間的位置連接關係是冠層下傳感器盒體10前端安裝前端盒蓋15，後端安裝防水卡口 9、八芯電纜14和電纜信號連接器11，螺紋杆7縱向穿過冠層下傳感器盒體10，並且前端伸出盒子，穿過前端盒蓋15，露出的部分安裝旋鈕12 ；螺紋杆7後端固定在杆狀盒子內。九個光強傳感器單元1 套在螺紋杆7上，其基座間用彈簧8隔開，離前端最近的傳感器基座4內有螺絲，與螺紋杆 7相咬合，當螺紋杆7順時針(或逆時針)旋轉時，該光強傳感器單元在螺紋杆7的作用力下向後(或向前)運動，壓縮(或釋放)彈簧，改變9個光強傳感器單元間的間距。冠層下傳感器盒蓋13為透明有機玻璃，它與冠層下傳感器盒體10之間填充防水膠條，冠層下傳感器盒蓋13與冠層下傳感器盒體10之間通過一一對應的螺絲孔固定好後，整個冠層下傳感器裝置密閉防水。該光強傳感器單元1是由光敏電阻2、銅管腳3、傳感器基座4、紅光濾光片5和聚四氟乙烯蓋片6組成，它們之間的位置連接關係是光敏電阻2通過四個銅管腳3固定在傳感器基座4上，光敏電阻上加裝紅光濾光片5和聚四氟乙烯蓋片6.。由於傳感器裝置的目的是獲取太陽直射輻射的冠層透過率，加裝紅光濾光片可以減輕以藍光為主的天空散射光對測量的影響，而加裝聚四氟乙烯是為了進一步削弱光強，以免光強傳感器發生飽和。該光敏電阻2是光電轉換晶片；該銅管腳3為長度6mm通用銅柱接；該傳感器基座4為長方體的鋁合金機加工件，呈正方形的一面上有4個螺絲孔；該紅光濾光片5是精密光學幹涉濾光片；該聚四氟乙烯蓋片6是材質為聚四氟乙烯的圓形件；該螺紋杆7是標準螺絲杆；該彈簧8是定製的壓簧；該防水卡口 9是市購的尼龍防水固定頭；該冠層下傳感器盒體10是鋁合金長方體；該電纜信號連接器11是八芯電纜對接端子；該旋鈕12是圓柱形鋁合金機加工件，一側固定在螺絲杆上，另一側有六稜槽，方便六稜扳手擰動；該冠層下傳感器盒蓋13是長方形透明有機玻璃加工件，上面分布的螺絲孔與冠層下傳感器盒體10—一對應；該八芯電纜14是將八根電纜套在熱縮管中加熱製成； 該前端盒蓋15是長方形鋁合金加工件，其上螺絲孔與冠層下傳感器盒體10前端開口上螺絲孔——對應；其中，該光強傳感器單元1的數量是9件，彈簧8的數量是8件。其餘組成部分的數量都是1件。其中，該該光敏電阻2選定的型號是TSL2561。其中，該傳感器基座4的外形尺寸為長24mm，寬24mm，高19mm。其中，該紅光濾光片5的中心波長650nm，半波帶寬8. 6nm,峰值透射52%。其中，該聚四氟乙烯蓋片6的直徑為8mm，厚度為4mm。其中，該螺紋杆7的直徑為10mm，長度為1045mm。其中，該彈簧8的外徑為10mm，內徑為8mm，螺距為3mm。其中，該冠層下傳感器盒體10的長為1045mm，寬為38mm，高為49mm，盒壁厚為 5mm ο為了方便在九個光強傳感器單元1間布置電纜，每個傳感器基座4上固定四個銅管腳3，光敏電阻2固定在銅管腳3上，八芯電纜14穿過光敏電阻2和傳感器基座4之間的空間將九個光強傳感器單元1串聯在一起。在該傳感器末端裝有電纜防水接頭9，八芯電纜 14穿過電纜防水接頭9伸出到冠層下傳感器盒體10外部，這樣起到了防水的作用。冠層下傳感器裝置與無線傳感器網絡節點採用電纜連接的方式進行數據傳輸，冠層下傳感器裝置採用輸出端子為八針端子公口(附圖6)，無線傳感器網絡節點採用輸出端子為八針端子母口(附圖幻，兩個端子間可對接。對接後，冠層下傳感器裝置由數據採集裝置供電，在使用兩節1. 5伏AA鹼性電池供電的情況下，按照15分鐘一次的採樣頻率，每天工作8小時的條件下，可維持正常工作一個月左右，基本能夠滿足長時間無人值守情況下數據獲取的要求。冠層下傳感器裝置通過電纜連接無線傳感器網絡節點，而冠層上節點本身就是一個無線傳感器節點，二者之間可以通過kgbee協議將數據傳輸到匯聚節點(附圖4)。匯集節點集成了 GPRS模塊，可以將數據遠程傳輸回伺服器。3、優點及功效本實用新型相對於現有冠層結構參數測量傳感器裝置，有以下優點；1)適用範圍廣多個傳感器之間間距具有可調性，能夠適應不通的植被覆蓋密度，調整傳感器之間的相對距離，從而可以適用在不同植被覆蓋密度，使得本裝置具有很強的適用範圍。2)造價相對廉價相比於現有用於測量太陽輻射冠層透過率儀器的高昂造價，本裝置製作由於採用了廉價的普通光強傳感器來獲取冠層上、下部太陽輻射能量，並進一步用來計算冠層直射透過率，使得本裝置總體造價成本較低，使得該裝置能夠在一定區域內大量部署成為可能。[0026]3)低能耗設計本實用新型專利元器件選型中，充分考慮到了裝置在野外供電條件不足的條件，元器件選型與電路設計採用了低能耗的設計方法，經測試，在使用兩節1. 5 伏AA鹼性電池供電的情況下，可在野外正常工作一個月時間。4)無人值守當冠層上和冠層下傳感器裝置布置好並打開以後，數據採集與傳輸自動進行，無需人員看護。

圖1本實用新型冠層下傳感器裝置外觀示意圖圖2本實用新型冠層下傳感器裝置結構示意圖圖3本實用新型傳感器單元結構示意圖圖4本實用新型冠層上下傳感器裝置測量數據傳輸示意圖圖5八針端子母口結構示意圖圖6八針端子公口結構示意圖圖中符號說明如下1光強傳感器單元；2光敏電阻；3銅管腳；4傳感器基座；5紅光濾光片；6聚四氟乙烯蓋片；7螺紋杆；8彈簧；9防水卡口 ；10冠層下傳感器盒體；11電纜信號連接器；12旋鈕；13冠層下傳感器盒蓋；14八芯電纜；15前端盒蓋。
具體實施方式
本實用新型一種測量不同植被冠層下太陽直射輻射透過率傳感器裝置，它是由冠層上傳感器裝置和冠層下傳感器裝置兩部分組成，它們之間通過無線通信相連。冠層上傳感器裝置放置於植被冠層上或冠層外，冠層下傳感器裝置放置於冠層下。1、本實用新型之傳感器裝置的組裝冠層上傳感器裝置與「一種基於無線傳感器網絡的植被結構參數測量裝置」中的測量節點封裝為一體，不需要額外的組裝過程。見圖1、圖2、圖3，冠層下傳感器裝置的組裝第一步將9個光強傳感器單元1與其間的彈簧8套在螺紋杆7上。 第二步將螺紋杆7前端從杆狀盒子前端伸出，將螺紋杆7末端卡到杆狀盒子後端的卡槽內。第三步將杆狀盒子前端盒蓋15蓋上固定。第四步連接九個光強傳感器單元1間的八芯電纜14，由盒子末端防水卡口 9接出。八芯電纜14末端焊接八針端子即電纜信號連接器11。第五步將旋鈕12擰在螺紋杆7在盒子前端的伸出部分，逆時針旋轉旋鈕12，測試螺紋杆與光強傳感器單元1間的傳動是否正常。為確保擰緊，可在螺紋杆7上纏繞生膠
市ο第六步透明盒蓋13固定在冠層下傳感器盒體10上。自此冠層下傳感器裝置組裝完畢。2、本實用新型之傳感器裝置的部署首先選擇合適的實驗區，在實驗區內分別部署冠層上與冠層下傳感器裝置。[0048]冠層上傳感器的部署將冠層上傳感器裝置如圖4固定在一個高於所測冠層的位置，或者將冠層上傳感器裝置部署在野外上部無遮擋的空曠環境下，將帶傳感器的一面朝上並確保水平。打開電源，即開始工作。冠層下傳感器裝置的部署將組裝完畢的傳感器裝置通過標準8針端子與無線傳感器網絡節點端子相連，將無線傳感器網絡節點如冠層上傳感器節點一樣固定於冠層上 (見圖4)，將冠層下傳感器裝置如圖4放置於冠層下，打開無線傳感器網絡節點電源，冠層下傳感器裝置即開始工作。測量不同的植被冠層時，根據冠層葉片的疏密程度，轉動旋鈕 12，調節9個光強傳感器單元1間距，以滿足冠層要求，調節原則是，冠層葉片稀疏，光強傳感器1間距越大，冠層葉片越密集，光強傳感器1間距越小。連接冠層下傳感器裝置的無線傳感器網絡節點和冠層上傳感器裝置會在打開電源後自動開始工作，首先通過無線通信尋找匯聚節點，找的匯聚節點後，根據事先設定的參數，每隔固定的時間間隔測量數據，然後進入休眠狀態，冠層下傳感器裝置連接的無線傳感器網絡節點和冠層上傳感器裝置的時鐘設置一致，所以在同一時間開始工作後，使用相同的時間間隔測量數據可以使得所採集數據的時間同步。當數據通過匯聚節點傳回伺服器後，伺服器端程序啟動，將兩套傳感器裝置相應時刻的數據進行比值運算，即可得到一天中冠層下太陽直射輻射的透過率。整個測量過程在打開電源後便無需更多人工幹預，測量人員只需定時遠程查看電池電量，更換電池即可。
權利要求1.一種測量不同植被冠層下太陽直射輻射透過率傳感器裝置，其特徵在於它是由冠層上傳感器裝置和冠層下傳感器裝置兩部分組成，它們之間通過無線通信相連，冠層上傳感器裝置放置於植被冠層上，冠層下傳感器裝置放置於植被冠層下；所述冠層上傳感器裝置，其外形為長方體形，它是在普通無線傳感器網絡測量節點上加裝了三個光強傳感器單元，並分布在盒蓋上，該光強傳感器單元與冠層下傳感器裝置的光強傳感器單元型號規格一致；所述冠層下傳感器裝置，其外形為長杆狀盒子，它是由光強傳感器單元(1)、螺紋杆 (7)、彈簧(8)、防水卡口(9)、冠層下傳感器盒體(10)、電纜信號連接器(11)、旋鈕(12)、冠層下傳感器盒蓋(13)、八芯電纜(14)和前端盒蓋(1 組成，冠層下傳感器盒體(10)前端安裝前端盒蓋(15)，後端安裝防水卡口(9)、八芯電纜(14)和電纜信號連接器(11)，螺紋杆 (7)縱向穿過冠層下傳感器盒體(10)，並且前端伸出盒子，穿過前端盒蓋(15)，露出的部分安裝旋鈕(1 ；螺紋杆(7)後端固定在杆狀盒子內，九個光強傳感器單元(1)套在螺紋杆 (7)上，其基座間用彈簧⑶隔開，離前端最近的傳感器基座⑷內有螺絲，與螺紋杆(7)相咬合；冠層下傳感器盒蓋(1 為透明有機玻璃，它與冠層下傳感器盒體(10)之間填充防水膠條，冠層下傳感器盒蓋(1 與冠層下傳感器盒體(10)之間通過對應的螺絲孔固定；該光強傳感器單元(1)是由光敏電阻O)、銅管腳(3)、傳感器基座G)、紅光濾光片 (5)和聚四氟乙烯蓋片(6)組成，光敏電阻(2)通過四個銅管腳(3)固定在傳感器基座⑷ 上，光敏電阻⑵上加裝紅光濾光片(5)和聚四氟乙烯蓋片(6)；該光敏電阻(2)是光電轉換晶片；該銅管腳C3)為長度6mm通用銅柱接；該傳感器基座(4)的外形為長方體的鋁合金機加件，呈正方形的一面上有4個螺絲孔；該紅光濾光片( 是精密光學幹涉濾光片；該聚四氟乙烯蓋片(6)是材質為聚四氟乙烯的圓形件；該螺紋杆(7)是標準螺絲杆；該彈簧(8) 是定製的壓簧；該防水卡口(9)是市購的尼龍防水固定頭；該冠層下傳感器盒體(10)是鋁合金長方體件；該電纜信號連接器(U)是八芯電纜對接端子；該旋鈕(1 是圓柱形鋁合金機加件，一側固定螺絲杆上，另一側有六稜槽；該冠層下傳感器盒蓋(1 是長方形透明有機玻璃加工件，上面分布的螺絲孔與冠層下傳感器盒體(10) —一對應；該八芯電纜(14) 是將八根電纜套在熱縮管中加熱製成；該前端盒蓋(1 是長方形鋁合金加工件，其上螺絲孔與冠層下傳感器盒體(10)前端開口上螺絲孔一一對應。
2.根據權利要求1所述的一種測量不同植被冠層下太陽直射輻射透過率傳感器裝置， 其特徵在於該傳感器基座⑷的外形尺寸為長24mm，寬24mm，高19mm。
3.根據權利要求1所述的一種測量不同植被冠層下太陽直射輻射透過率傳感器裝置， 其特徵在於該紅光濾光片(5)的中心波長650nm，半波帶寬8. 6nm,峰值透射52%。
4.根據權利要求1所述的一種測量不同植被冠層下太陽直射輻射透過率傳感器裝置， 其特徵在於該聚四氟乙烯蓋片(6)的直徑為8mm，厚度為4mm。
5.根據權利要求1所述的一種測量不同植被冠層下太陽直射輻射透過率傳感器裝置， 其特徵在於該螺紋杆(7)的直徑為10mm，長度為1045mm。
6.根據權利要求1所述的一種測量不同植被冠層下太陽直射輻射透過率傳感器裝置， 其特徵在於該彈簧(8)的外徑為10mm，內徑為8mm，螺距為3mm。
7.根據權利要求1所述的一種測量不同植被冠層下太陽直射輻射透過率傳感器裝置， 其特徵在於該冠層下傳感器盒體(10)的長為1045mm，寬為38mm，高為49mm，盒壁厚為5mm 。
8.根據權利要求1所述的一種測量不同植被冠層下太陽直射輻射透過率傳感器裝置， 其特徵在於該光強傳感器單元(1)的數量是9件，彈簧(8)的數量是8件。
9.根據權利要求1所述的一種測量不同植被冠層下太陽直射輻射透過率傳感器裝置， 其特徵在於該光敏電阻(2)選定的型號是TSL2561。
專利摘要一種測量不同植被冠層下太陽直射輻射透過率傳感器裝置，它是由冠層上傳感器裝置和冠層下傳感器裝置組成，其間通過無線通信相連。冠層上傳感器裝置放置於植被冠層上或冠層外，冠層下傳感器裝置放置於植被冠層下。該冠層上傳感器裝置外形為長方形，它是在「一種基於無線傳感器網絡的植被結構參數測量裝置」中的普通無線傳感器網絡測量節點上加裝了三個光強傳感器單元；該冠層下傳感器裝置外形為長杆狀盒子，它是由9個位置可調的光強傳感器單元、螺紋杆、彈簧、防水卡口、冠層下傳感器盒體、電纜信號連接器、旋鈕、冠層下傳感器盒蓋、八芯電纜和前端盒蓋組成。本實用新型造價低、能耗小、適用範圍廣，在農業與生態學技術領域內具有廣闊地應用前景。
文檔編號G01N21/59GK201965092SQ20112007380
公開日2011年9月7日 申請日期2011年3月18日 優先權日2011年3月18日
發明者姜富斌, 屈永華, 王錦地, 董健 申請人:北京師範大學