一種植物水分含量測定系統及儀器的製作方法

2023-09-17 11:06:20

專利名稱：一種植物水分含量測定系統及儀器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於水資源學、農學和生態學領域，尤其涉及一種植物水分含量測定系統及儀器。
背景技術：
在植物對乾旱的響應機制、植物不同生長期的需水量和植物不同器官含水率等方面亟需開展相關的研究工作，這也是目前農業、水資源和生態環境等相關領域的熱點問題。根據不同研究需求和學科領域特徵，在乾旱的內涵和乾旱劃分等級方面的研究已經很多，但是以下問題還沒有得到很好地詮釋:(I)植物含水率與乾旱的定量化關係是什麼？ (2)植物對乾旱的響應機制如何？ (3)如何開展面向乾旱的生態實時監測？ (4)基於監測結果，如何開展乾旱的預警預報工作？在上述問題中，第一個問題是解決後幾個問題的基礎，而野外植被含水率的實時快速測定是其關鍵支撐技術。目前，關於植被含水率測定主要以傳統的室內測定方法為主，具體為:先測植物體鮮重，再通過烘箱烘乾後測乾重，進行差值計算得到質量含水率。通過室內測定方法測定植物含水率時，雖然可以獲得精確的數據，但由於室內植物和野外植物所處的環境背景(包括溫度、溼度、風速和土壤水含量等)差別較大，測定結果存在一定的誤差。另外，室內方法的測量速度較慢，且無法獲得實時數據。

實用新型內容本實用新型實施例提供一種植物水分含量測定系統，旨在解決傳統方法測量含水率時不能實時反映野外植被所處的自然環境條件和測定速度較慢的問題。本實用新型實施例是這樣實現的，一種植物水分含量測定系統，所述系統包括:測量植物體鮮重和乾重的電子天平組件；對植物體進行加熱脫水的加熱組件；對加熱脫水後的植物體進行散熱的散熱組件；控制所述電子天平組件、加熱組件、散熱組件的工作狀態，計算輸出植物體水分含量測定結果的操作控制組件，所述操作控制組件與所述電子天平組件、加熱組件、散熱組件分別連接；以及對所述電子天平組件、加熱組件、散熱組件和操作控制組件供電的電源，所述電源與所述電子天平組件、加熱組件、散熱組件和操作控制組件分別連接。本實用新型實施例還提供了一種植物水分含量測定儀器，包括箱體，以及與所述箱體連接的底座；所述箱體包括:對植物體進行加熱脫水的加熱組件；對加熱脫水後的植物體進行散熱的散熱組件；盛放植物體的託盤；以及[0017]位於所述託盤下部，用於盛放託盤的凹槽；所述底座包括:對植物體稱重的電子天平；在所述操作控制組件的控制下控制所述託盤升降的傳感器；控制所述電子天平、傳感器、加熱組件、散熱組件的工作狀態，計算輸出植物體水分含量測定結果的操作控制組件，所述操作控制組件與所述電子天平、傳感器、加熱組件、散熱組件分別連接；以及對所述電子天平、傳感器、加熱組件、散熱組件和操作控制組件供電的電源，所述電源與所述電子天平、傳感器、加熱組件、散熱組件和操作控制組件分別連接。本實用新型實施例有效地耦合微波烘乾技術與電子天平的功能，克服了過去儀器笨重無法實地快速測量的缺點以及傳統室內方法過慢的問題，且方便攜帶、測量迅速、準確度高，可實現活體植物各器官含水率的現場快速準確測定。

圖1是本實用新型實施例提供的植物水分含量測定系統的結構圖；圖2是本實用新型實施例提供的植物水分含量測定系統中電子天平組件的結構圖；圖3是本實用新型實施例提供的植物水分含量測定系統中操作控制組件的結構圖；圖4是本實用新型實施例提供的植物水分含量測定儀器的結構圖。
具體實施方式
本實用新型實施例耦合了微波烘乾與電子天平的功能，可以在野外對植物含水率進行實時測定，測定速度快。圖1示出了本實用新型實施例提供的植物水分含量測定系統的結構，為了便於說明，僅示出了與本實用新型實施例相關的部分。電子天平組件I測量待測植物體的鮮重和乾重,加熱組件2對待測植物體進行加熱脫水，散熱組件加熱脫水後的待測植物體進行散熱，操作控制組件4控制電子天平組件
1、加熱組件2、散熱組件3的工作狀態，計算輸出待測植物體水分含量測定結果。電源5為電子天平組件1、加熱組件2、散熱組件3和操作控制組件4供電。如圖2所示，電子天平組件I包括盛放待測植物體的託盤11,對待測植物體稱重的電子天平12，控制託盤11升降的傳感器13，以及位於託盤11下部，用於盛放託盤11，便於託盤11升降的凹槽(圖中未示出)。電子天平12的精度可以根據具體的測定需要選擇，例如為0.0lgo傳感器13使託盤11分別在烘乾過程與稱重過程中發揮著不同的作用:一是保護電子天平12 ;二是作為承載物稱量待測植物體鮮重與乾重。在系統處於加熱模式時，傳感器13與託盤11分離，使託盤11起到保護電子天平12的作用，最大限度減少微波對電子天平12的影響；系統處於稱量模式時，傳感器13升起，並抬起託盤11使其懸空，發揮電子天平12的稱重功能，對烘乾後的待測植物體乾重進行測量。[0035]作為本實用新型的一個實施例，加熱組件2採用微波加熱管，利用水分子在微波場中互相摩擦效應，通過微波使得被加熱物溫度升高，產生熱化以及膨化等一系列過程而最終達到植物活體快速脫水的目的。在本實用新型實施例中，通過微波加熱烘乾植物活體，再利用電子天平12稱重，可以在很短時間內得到野外植物活體的鮮重與乾重，並最後計算得到其質量含水率。如圖3所示，操作控制組件4包括用來調平的水準儀41，單片機控制器42，以及與單片機控制器42分別電連接的顯示屏43、輸入按鍵44和電源控制開關45。作為本實用新型的一個優選實施例，操作控制組件4還包括接口 46，與單片機控制器42電連接，接入存儲不同植被乾旱特徵參數的數據晶片。接口 46可以採用USB接口，接入USB數據晶片。USB資料庫晶片可以通過USB接口與操作控制組件4連接，同時USB資料庫晶片也可以直接與電腦連接，進行數據的實時更新與儲存，方便攜帶與數據處理。作為本實用新型的一個實施例，USB數據晶片為預先準備的植物各器官在不同旱象下和正常生長階段的水分含量範圍，從而使用USB數據晶片對活體植物各器官進行質量含水率分析，可定量化辨識該植被的受旱程度，USB數據晶片可隨時更換，以獲得不同類型植物的乾旱資料庫，進行不同的模型計算。電源5包括電池和變壓器系統，電流通過變壓器系統後，給加熱組件2進行供電。在本實用新型實施中，為方便攜帶與更換，電池採用鋰電池。鋰電池電源通過變壓器系統分為高壓電路與低壓電路，高壓電路包括磁控管、高壓電容器、高壓變壓器與高壓二極體，低壓電路包括保險管、熱斷路器保護開關、散熱系統和單片機系統。為了便於野外攜帶使用，本實用新型實施例提供的植物水分含量測定系統可以集成在一個儀器中，參見圖4，該植物水分含量測定儀器包括箱體6，以及與箱體6連接的底座7。其中，箱體6包括對待測植物體進行加熱脫水的加熱組件2，在加熱組件2對待測植物體加熱後進行散熱的散熱組件3，以及電子天平組件I中盛放待測植物體的託盤11。底座7包括對待測植物體稱重的電子天平12、傳感器13、加熱組件2、散熱組件3的工作狀態，計算輸出待測植物體水分含量測定結果的操作控制組件4，在操作控制組件4的控制下控制託盤11升降的傳感器13，和對電子天平12、傳感器13、加熱組件2、散熱組件3和操作控制組件4供電的電源5。電源5包括電池和變壓器系統。作為本實用新型的一個實施例，加熱組件2採用微波加熱管。操作控制組件4包括水準儀41，單片機控制器42，與單片機控制器42電連接的顯不屏43、輸入按鍵44和電源控制開關45。單片機控制器42為預先編好程序的處理器，用來控制傳感器13的升降，對數據進行識別、導出、存儲以及計算，控制散熱組件3的開關，控制加熱組件2等。作為本實用新型的一個優選實施例，操作控制組件4還包括與單片機控制器42電連接，接入存儲不同植被乾旱特徵參數的數據晶片的接口 46。作為本實用新型的一個優選實施例，植物水分含量測定儀器還包括與底座7連接的支撐裝置8，支撐裝置8與底座7可拆卸連接的支撐立杆81，以及與支撐立杆81套裝的支撐結構82。在本實用新型實施例中，支撐立杆81和支撐結構82均採用可拆卸、可伸縮的鋁合金杆，根據植株高度和野外地形調整儀器位置及高度。當支撐結構82伸開後，支撐立杆81利用環箍套合在支撐結構82上，並用螺絲擰緊固定，配合水準儀41對儀器快速調平。支撐結構81的結合部位採用二通或三通鋁合金管進行連接，方便野外攜帶、安裝和拆卸。作為本實用新型的一個實施例，箱體7的內面設置有隔離層(圖中未示出)，隔離層的厚度可以根據需要配置。隔離層上帶有均勻分布的散熱孔，用於減緩熱量與微波的無規則擴散，並在隔熱層外加有散熱設備，保證儀器可以長期運行。工作時，首先對植物水分含量測定儀器進行組裝與校準，並插入所測植物類型的數據晶片於接口 46處。植物水分含量測定儀器的操作使用過程如下:1.啟動儀器，打開箱門，將剛摘取的活體植物器官放入箱體I內的託盤11內，注意待測植物體不要接觸箱體I的內壁，關上箱門進入稱量模式，稱量待測植物體鮮重。2.進入加熱烘乾模式，傳感器13下降，託盤11處於箱體I底部的凹槽中，隨後按該植物的USB數據晶片所預設的時間進行烘乾加熱，散熱組件3開啟，此時等待3-5分鐘，加熱結束後散熱組件3繼續工作，讓餘熱散去。3.再次進入稱量模式，傳感器13上升，託盤11升起，對植物進行第二次稱量。4.通過單片機控制器42預設的程序快速計算，得出植物體的含水率，並結合USB數據晶片中的植被參數對該測量待測植物體進行受旱程度評價。5.將待測植物體的鮮重、乾重、質量含水率和受旱程度等結果顯示在顯示屏43上，方便讀取與判斷。本實用新型實施例中的植物水分含量測定儀器還可廣泛應用於農作物、工程材料、紡織品、食品、藥品的含水率測量，工作時應該儘量保持其水平，加熱時間不宜過長，一般以3-5分鐘為加熱範圍。在水資源學和農學領域，本實用新型實施例可用於研究不同植被類型不同生長期的需水量變化及其與旱象的關係，進而研究宏觀上的農田需水、耗水、水資源利用率等問題，從而為農業節水、生態節水和抗旱提供理論與技術支持。在生態環境領域，可利用本實用新型實施例獲取不同植被器官(如葉、莖、根、種子等)的含水率連續序列，不僅可運用到植物生理學方面的基礎研究，還可為生態環境保護方面的應用型研究提供支撐。本實用新型實施例克服了兩大測量含水率的問題，一個是克服了傳統室內測量含水率過慢的問題，第二是耦合了微波烘乾與電子天平的功能，克服了傳統儀器笨重無法實地快速測量的缺點。本實用新型實施例通過對待測植物體不同器官的質量含水率進行測量，對照資料庫中正常生長時該植物器官的含水率，以辨識植物的受旱程度，並以此為指標表徵旱象，將為植被抗旱研究和面向生態的乾旱實時監測提供直接數據支持與技術支撐。本實用新型實施例有效地耦合微波烘乾技術與電子天平的功能，克服了過去儀器笨重無法實地快速測量的缺點以及傳統室內方法過慢的問題，且方便攜帶、測量迅速、準確度高，可快速準確實現活體植物各器官含水率的現場快速準確測定，具有可拆卸、易組裝、方便攜帶和野外使用的特點，有利於開展野外植物乾旱生理響應機制、植物乾旱等級劃分、植物的旱象表徵和抗旱防旱預警措施方面的研究。以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護範圍。
權利要求1.一種植物水分含量測定系統，其特徵在於，所述系統包括: 測量植物體鮮重和乾重的電子天平組件； 對植物體進行加熱脫水的加熱組件； 對加熱脫水後的植物體進行散熱的散熱組件； 控制所述電子天平組件、加熱組件、散熱組件的工作狀態，計算輸出植物體水分含量測定結果的操作控制組件，所述操作控制組件與所述電子天平組件、加熱組件、散熱組件分別連接；以及 對所述電子天平組件、加熱組件、散熱組件和操作控制組件供電的電源，所述電源與所述電子天平組件、加熱組件、散熱組件和操作控制組件分別連接。
2.如權利要求1所述的植物水分含量測定系統，其特徵在於，所述電子天平組件包括: 盛放植物體的託盤； 位於所述託盤下部，用於盛放託盤的凹槽； 對植物體稱重的電子天平；以及 控制所述託盤升降的傳感器。
3.如權利要求1所述的植物水分含量測定系統，其特徵在於，所述加熱組件為微波加熱管。
4.如權利要求1所述的植物水分含量測定系統，其特徵在於，所述操作控制組件包括: 水準儀； 單片機控制器；以及 與所述單片機控制器電連接的顯示屏、輸入按鍵和電源控制開關。
5.如權利要求4所述的植物水分含量測定系統，其特徵在於，所述操作控制組件還包括: 與所述單片機控制器連接，接入存儲不同植被乾旱特徵參數的數據晶片的接口。
6.如權利要求1所述的植物水分含量測定系統，其特徵在於，所述電源包括電池和變壓器系統。
7.一種植物水分含量測定儀器，其特徵在於，所述植物水分含量測定儀器包括箱體，以及與所述箱體連接的底座； 所述箱體包括: 對植物體進行加熱脫水的加熱組件； 對加熱脫水後的植物體進行散熱的散熱組件； 盛放植物體的託盤；以及 位於所述託盤下部，用於盛放託盤的凹槽； 所述底座包括: 對植物體稱重的電子天平； 控制所述託盤升降的傳感器； 控制所述電子天平、傳感器、加熱組件、散熱組件的工作狀態，計算輸出植物體水分含量測定結果的操作控制組件，所述操作控制組件與所述電子天平、傳感器、加熱組件、散熱組件分別連接；以及 對所述電子天平、傳感器、加熱組件、散熱組件和操作控制組件供電的電源，所述電源與所述電子天平、傳感器、加熱組件、散熱組件和操作控制組件分別連接。
8.如權利要求7所述的植物水分含量測定儀器，其特徵在於，所述加熱組件為微波加熱管。
9.如權利要求7所述的植物水分含量測定儀器，其特徵在於，所述操作控制組件包括: 水準儀； 單片機控制器；以及 與所述單片機控制器電連接的顯示屏、輸入按鍵和電源控制開關。
10.如權利要求9所述的植物水分含量測定儀器，其特徵在於，所述操作控制組件還包括: 與所述單片機控制器電連接，接入存儲不同植被乾旱特徵參數的數據晶片的接口。
11.如權利要求7所述的植物水分含量測定儀器，其特徵在於，所述電源包括電池和變壓器系統。
12.如權利要求7所述的植物水分含量測定儀器，其特徵在於，所述植物水分含量測定儀器還包括: 與所述底座連接的支撐裝置。
13.如權利要求12所述的植物水分含量測定儀器，其特徵在於，所述支撐裝置包括: 與所述底座可拆卸連接的 支撐立杆；以及 與所述支撐立杆套裝的支撐結構。
14.如權利要求7所述的植物水分含量測定儀器，其特徵在於，所述箱體內面設置有隔離層； 所述隔離層上帶有均勻分布的散熱孔。
專利摘要本實用新型適用於水資源學、農學和生態學領域，提供一種植物水分含量測定系統及儀器，所述系統包括測量植物體鮮重和乾重的電子天平組件；對植物體進行加熱脫水的加熱組件；對加熱脫水後的植物體進行散熱的散熱組件；控制所述電子天平組件、加熱組件、散熱組件的工作狀態，計算輸出植物體水分含量測定結果的操作控制組件；以及對所述電子天平組件、加熱組件、散熱組件和操作控制組件供電的電源。本實用新型有效地耦合微波烘乾技術與電子天平的功能，克服了過去儀器笨重無法實地快速測量的缺點以及傳統室內方法過慢的問題，且方便攜帶、測量迅速、準確度高，可實現活體植物各器官含水率的現場快速準確測定。
文檔編號G01N5/04GK202974791SQ20122045962
公開日2013年6月5日 申請日期2012年9月10日 優先權日2012年9月10日
發明者嚴登華, 秦天玲, 王浩, 嚴昇, 高宇, 吳迪 申請人:中國水利水電科學研究院