一種測定風傳植物種子垂直沉降速度的裝置及方法
2023-05-26 12:44:51 2
專利名稱：一種測定風傳植物種子垂直沉降速度的裝置及方法
技術領域：
本發明屬於光電檢測技術領域，涉及一種測定風傳植物種子垂直沉降速度的裝置及方法，尤其涉及一種利用光電傳感器同時測量雜草種子垂直沉降到不同高度時的速度的裝置和方法。
背景技術：
隨風擴散是植物種子傳播的一種常見途徑。植物種子隨風傳播對植物種群基因流動、植物生物地理學、植物群落演替等有重要意義，而種子垂直沉降速度是決定其擴散距離的一個重要因素之一。風傳植物種子一般體積小、重量輕，並帶有冠毛，在沉降時受外界環境如氣流、靜電等因素的影響大。因而測量風傳植物種子垂直沉降速度要求在無氣流幹擾的條件下進行，通常需要同時測量不同垂直降落高度的平均速度。目前主要是利用秒表或快速相機記錄種子沉降到不同高度的時間，計算出種子的平均沉降速度。中國發明申請專利「使用無線終端對速度進行測定的方法及實現該方法的系統(申請號200610U6530. 6 ；公開號CN 1984248)」提出一種用於在相機的預覽模式下使用無線終端對運動對象的速度進行測定的系統和方法，此方法提高了精確度，但這種方法卻不適用於測量毫米級的雜草種子的沉降速度。中國發明申請專利「確定絮體/汙泥顆粒物自由沉降的方法及其系統(申請號 200810222184. 0 ；公開號CN 101672861A)」提出一種利用裝有顯微鏡頭的CCD相機對進行沉降的絮體/汙泥顆粒進行連續拍照，通過照片記錄所示的絮體/汙泥沉降距離與時間，計算出絮體/汙泥沉降速度。由於雜草種子沉降測速高度最大值達2米，而此方法的沉降柱僅0. 35米，故該方法裝置也不適合適用於雜草種子沉降速度的測定。這些方法都具有測量裝置複雜、準確性差的缺點。更重要的是，測量風傳植物種子垂直沉降速度時必須儘量減少空氣氣流擾動對種子的幹擾，以上方法都必須在開放的環境中進行，不適合風傳植物種子沉降速度的測定。
發明內容
針對現有技術中存在的問題，本發明的目的在於提供一種測定風傳植物種子垂直沉降速度的裝置及方法的技術方案，以解決現有技術中不能利用簡單、經濟的裝置確定風傳植物種子垂直沉降速度的問題。所述的一種測定風傳植物種子垂直沉降速度的裝置，其特徵在於包括種子垂直沉降光電檢測裝置和數據處理顯示系統，所述的種子垂直沉降光電檢測裝置包括設置在沉降管頂端的帶光電檢測系統的種子釋放接頭、至少1隻沉降管、至少1隻帶光電檢測系統的中間接頭、1隻種子收集瓶和使整個裝置保持垂直穩定的支架，所述的帶光電檢測系統的種子釋放接頭、帶光電檢測系統的中間接頭分別與沉降管卡接配合，所述的收集瓶位於沉降管的正下方；所述的數據處理顯示系統包括微處理器和LCD顯示屏，光電檢測系統通過數據傳輸線與數據處理顯示系統相連，光電檢測系統由恆流電源供電。
所述的一種測定風傳植物種子垂直沉降速度的裝置，其特徵在於所述的沉降管為圓形或方形的不鏽鋼管，或鋁合金管。所述的一種測定風傳植物種子垂直沉降速度的裝置，其特徵在於所述的光電檢測系統由相向設置的兩塊PCB板和相向放置的兩塊狹縫板組成，兩塊狹縫板設置在兩塊PCB 板的內側，PCB板上依次間隔設置有至少1塊光電池和至少1隻LED光源，一塊PCB板上的光電池與另一塊PCB板上的LED光源對應設置；兩塊PCB板上的光電池分別通過該側狹縫板上的狹縫接收從對面狹縫中PCB板上的LED光源發出的光信號，兩塊PCB板上的LED光源經狹縫形成的光平面與沉降管垂直，光平面寬度等於沉降管內徑。所述的一種測定風傳植物種子垂直沉降速度的裝置，其特徵在於所述的狹縫高度在0. 5毫米至1. 5毫米之間可調，狹縫的長度等於沉降管內徑。所述的一種測定風傳植物種子垂直沉降速度的裝置，其特徵在於所述的帶光電檢測系統的種子釋放接頭下端設置為與沉降管外形匹配的卡口，上端設置為中間開圓孔的漏鬥形種子釋放口 ；所述的帶光電檢測系統的中間接頭上下兩端均設置為與沉降管外形匹配的卡口。所述的一種測定風傳植物種子垂直沉降速度的裝置，其特徵在於所述的光電檢測系統分別安裝在帶光電檢測系統的種子釋放接頭上和帶光電檢測系統的中間接頭上。所述的一種測定風傳植物種子垂直沉降速度的裝置，其特徵在於所述的安裝在帶光電檢測系統的種子釋放接頭上的光電檢測系統的狹縫的位置與帶光電檢測系統的種子釋放接頭上端的漏鬥形種子釋放口下緣平行，安裝在帶光電檢測系統的中間接頭上的光電檢測系統的狹縫開在帶光電檢測系統的中間接頭的中部，即兩根相鄰沉降管的交接點處。所述的一種測定風傳植物種子垂直沉降速度的方法，其特徵在於包括以下步驟
1)、根據需要測定的垂直沉降高度，選擇相應長度的沉降管，連接種子垂直沉降光電檢測裝置；
2)、用數據傳輸線將上述種子垂直沉降光電檢測裝置與數據處理顯示系統相連，打開電源開關，為系統上電；
3)、用陶瓷鑷子將單顆待測植物種子置於所述帶光電檢測系統的種子釋放接頭入口處，輕推種子使其從入口處自然垂直降落；
植物種子垂直經過所述的光電檢測系統的光路時，瞬間遮擋穩定照射在光電池上的光平面，引起光電池檢測信號變化，微處理系統記錄下種子通過起點和不同高度時所產生的光強脈衝信號，經過放大、比較處理，即可得到種子下落到不同高度時所需的時間
_ ι
t，根據公式另二 —可計算出種子的沉降平均速度，其中Ψ；為第I點時的平均速度， 『^ 1
I.為起點到第點的高度差，測試前將實際高度差輸入微處理系統內存，%為光電檢測系
統檢測到的種子沉降到第I·點的時間；
微處理系統計算出種子在不同高度的垂直沉降平均速度，並顯示在LCD顯示屏上；
4)、將落入種子收集瓶中的種子取回，重複測量或保存備用。本發明的有益效果為1.本發明以多塊光電池與LED光源相對交錯排列，通過狹縫形成與種子沉降路徑垂直的光平面，每塊光電池可以通過狹縫接收對面LED光源通過狹縫發出的光信號，LED光平面可以覆蓋整個檢測光路，避免植物種子下落過程中進入光路盲區，大大提高了傳感器的靈敏度和測量成功率；
2.本發明的帶光電檢測系統的種子釋放接頭、帶光電檢測系統的中間接頭除具有獲取植物種子通過光路平面時產生的光信號變化的作用外，還具有連接沉降管的作用；
3.根據待測植物種子的大小和外形，可以任意選擇不同內徑、長度的沉降管及與之配套的接頭，可以測量植物種子從不同高度沉降下落的速度；
4.本發明可以將多根沉降管通過光電檢測接頭連接，同時測量同一顆種子沉降到不同高度時的速度；
5.本發明的種子垂直沉降光電檢測裝置避免了外界空氣氣流擾動和雜散光對測量信號的幹擾，提供了風傳植物種子沉降速度實驗室測試近似理想環境，測量結果準確可靠，重複測量誤差小；
6.本發明裝置的下方設置一個種子收集瓶，有利於雜草種子的收集和重複測量；
7.本發明裝置的數據處理顯示系統將模擬信號轉為數位訊號，經過軟體編程，通過按鍵開關對系統進行控制，並在LCD顯示屏上直觀地同時顯示同一顆植物種子垂直沉降到不同高度時的速度，並保存在內存中；
8.本發明不需要昂貴的CCD攝像裝置，對試驗環境要求不高，大大降低了測試成本；
9.本發明基於光電檢測技術，還具有測量精度高、裝置簡單、經濟實用、操作簡便等優
點ο
圖1為本發明裝置的結構示意圖2為本發明帶光電檢測裝置的種子釋放接頭示意圖； 圖3為本發明光電檢測系統內部光路示意圖； 圖4為本發明帶光電檢測裝置的中間接頭示意圖； 圖5為本發明裝置內光路結構的剖面示意圖； 圖6為本發明光電檢測系統中一路光信號處理的原理圖； 圖7為本發明測量種子沉降速度的流程圖。
具體實施例方式下面結合說明書附圖對本發明做進一步說明
一種測定風傳植物種子垂直沉降速度的裝置，包括種子垂直沉降光電檢測裝置和數據處理顯示系統，所述的種子垂直沉降光電檢測裝置包括設置在沉降管頂端的帶光電檢測系統的種子釋放接頭1、至少1隻沉降管2、至少1隻帶光電檢測系統的中間接頭3、1隻種子收集瓶4和使整個裝置保持垂直穩定的支架5，所述的帶光電檢測系統的種子釋放接頭1、 帶光電檢測系統的中間接頭3分別與沉降管2卡接配合，所述的收集瓶4位於沉降管2的正下方；所述的數據處理顯示系統包括微處理器6和LCD顯示屏7，光電檢測系統通過數據傳輸線8與數據處理顯示系統相連，光電檢測系統由恆流電源9供電。
沉降管2為圓形或方形不鏽鋼管或鋁合金管，內壁光滑，不透光，可根據種子的大小和測量需要選用不同的管徑和長度。光電檢測系統由相向設置的兩塊PCB板12和相向放置的兩塊狹縫板組成，兩塊狹縫板設置在兩塊PCB板12的內側，PCB板12上依次間隔設置有至少1塊光電池14和至少 1隻LED光源15，一塊PCB板12上的光電池14與另一塊PCB板12上的LED光源15對應設置；兩塊PCB板12上的光電池14分別通過該側狹縫板上的狹縫13接收從對面狹縫13 中PCB板上的LED光源15發出的光信號，兩塊PCB板上的LED光源15經狹縫13形成的光平面與沉降管2垂直，光平面寬度等於沉降管2內徑；狹縫13高度在0. 5毫米至1. 5毫米之間可調，狹縫13的長度等於沉降管2內徑；該光電檢測系統分別安裝在帶光電檢測系統的種子釋放接頭1上和帶光電檢測系統的中間接頭3上。圖6為光電檢測系統中一路光信號檢測處理電路，根據種子尺寸大小，每個PCB板可重複若干該電路來拓展測試區域，且光信號檢測處理電路與LED光源交錯布局。該電路擁有信號檢測、信號放大、濾波及比較的功能，當植物種子下落經過檢測裝置時，光電池檢測後產生的微弱信號波動，經過第一個運放放大，然後經過電容濾波，在經過第二個運放比較處理後輸出高電平(5V電源)脈衝。該脈衝信號輸入微處理器，再通過軟體編程即可算出雜草種子的沉降速度，並直觀顯示在LCD顯示屏上。帶光電檢測系統的種子釋放接頭1下端設置為與沉降管外形匹配的卡口 10，上端設置為中間開圓孔的漏鬥形種子釋放口 11 ；所述的帶光電檢測系統的中間接頭3上下兩端均設置為與沉降管2外形匹配的卡口。安裝在帶光電檢測系統的種子釋放接頭1上的光電檢測系統的狹縫13的位置與帶光電檢測系統的種子釋放接頭1上端的漏鬥形種子釋放口 11下緣平行，安裝在帶光電檢測系統的中間接頭3上的光電檢測系統的狹縫13開在帶光電檢測系統的中間接頭3的中部，即兩根相鄰沉降管2的交接點處。一種測定風傳植物種子垂直沉降速度的方法，包括以下步驟
1)、根據需要測定的垂直沉降高度，選擇相應長度的沉降管，連接種子垂直沉降光電檢測裝置；
2)、用數據傳輸線將上述種子垂直沉降光電檢測裝置與數據處理顯示系統相連，打開電源開關，為系統上電；
3)、用陶瓷鑷子將單顆待測植物種子置於所述帶光電檢測系統的種子釋放接頭入口處，輕推種子使其從入口處自然垂直降落；
植物種子垂直經過所述的光電檢測系統的光路時，瞬間遮擋穩定照射在光電池上的光平面，引起光電池檢測信號變化，微處理系統記錄下種子通過起點和不同高度時所產生的
光強脈衝信號，經過放大、比較處理，即可得到種子下落到不同高度時所需的時間%，根據
—L—
公式巧=—可計算出種子的沉降平均速度，其中I 為第/點時的平均速度，Li 為 t 1
起點到第i點的高度差，測試前將實際高度差輸入微處理系統內存，tt為光電檢測系統檢測到的種子沉降到第點的時間；
微處理系統計算出種子在不同高度的垂直沉降平均速度，並顯示在LCD顯示屏上； 4)、將落入種子收集瓶中的種子取回，重複測量或保存備用。本發明可通過採集植物種子沉降過程瞬間遮擋穩定照射在光電池上的光源時所產生脈衝信號，得到植物種子垂直沉降至固定高度所需要的時間，計算出植物種子的沉降平均速度，為研究雜草擴散蔓延規律提供科學依據。本發明所述的裝置可對直徑為釐米級、毫米級的風傳植物種子垂直沉降速度進行測量，具有測量精度高、穩定性好、拆卸簡單、攜帶方便等優點，適於實驗室測量，也適於野外作業。本發明所述的的方法操作簡單、測量數據穩定，可同時測量同一植物種子從不同高度沉降下來的平均速度。實施例一加拿大一枝黃花的種子垂直沉降速度測定 1.實驗方法
測量實驗裝置主要由1個帶光電檢測系統的種子釋放接頭、1根圓形不鏽鋼沉降管、1 個帶光電檢測系統的中間接頭、支架、種子收集器、微處理器、LCD顯示屏、恆流電源、數據傳輸線組成。圓形不鏽鋼沉降管直徑60毫米，高度為1米。光電檢測系統的每塊PCB板上安置了 3塊IOmmX IOmm的正方形光電池，型號為SP_10A，DIP封裝和3顆SMD封裝白光LED， LED的功率0. 06W, 20mA、發散角120°，光電池與LED呈線性交替排列。PCB板安置在狹縫後面，狹縫高度1.0毫米，長度60毫米；LED光源透過狹縫形成與植物種子沉降下落路徑垂直的光平面，照射到對面相同的狹縫後面的光電池上。用陶瓷鑷子夾取單顆加拿大一枝黃花的種子，放到種子釋放接頭的釋放口邊緣， 輕撥種子，使其從釋放口垂直進入沉降管內，當種子落入種子收集器後，在顯示器上顯示出沉降平均速度。從種子收集瓶中取回種子，重複以上實驗，重複5次，獲得同一顆種子沉降速度的平均值和標準偏差。2.實驗結果
對10顆加拿大一枝黃花的種子進行測量，每顆種子重複測量5次，結果如表1所示(單位m/s)。表1測量的加拿大一枝黃花種子沉降平均速度
權利要求
1.一種測定風傳植物種子垂直沉降速度的裝置，其特徵在於包括種子垂直沉降光電檢測裝置和數據處理顯示系統，所述的種子垂直沉降光電檢測裝置包括設置在沉降管頂端的帶光電檢測系統的種子釋放接頭、至少1隻沉降管、至少1隻帶光電檢測系統的中間接頭、 1隻種子收集瓶和使整個裝置保持垂直穩定的支架，所述的帶光電檢測系統的種子釋放接頭、帶光電檢測系統的中間接頭分別與沉降管卡接配合，所述的收集瓶位於沉降管的正下方；所述的數據處理顯示系統包括微處理器和LCD顯示屏，光電檢測系統通過數據傳輸線與數據處理顯示系統相連，光電檢測系統由恆流電源供電。
2.根據權利要求1所述的一種測定風傳植物種子垂直沉降速度的裝置，其特徵在於所述的沉降管為圓形或方形的不鏽鋼管，或鋁合金管。
3.根據權利要求1所述的一種測定風傳植物種子垂直沉降速度的裝置，其特徵在於所述的光電檢測系統由相向設置的兩塊PCB板和相向放置的兩塊狹縫板組成，兩塊狹縫板設置在兩塊PCB板的內側，PCB板上依次間隔設置有至少1塊光電池和至少1隻LED光源，一塊PCB板上的光電池與另一塊PCB板上的LED光源對應設置；兩塊PCB板上的光電池分別通過該側狹縫板上的狹縫接收從對面狹縫中PCB板上的LED光源發出的光信號，兩塊PCB 板上的LED光源經狹縫形成的光平面與沉降管垂直，光平面寬度等於沉降管內徑。
4.根據權利要求3所述的一種測定風傳植物種子垂直沉降速度的裝置，其特徵在於所述的狹縫高度在0. 5毫米至1. 5毫米之間可調，狹縫的長度等於沉降管內徑。
5.根據權利要求1所述的一種測定風傳植物種子垂直沉降速度的裝置，其特徵在於所述的帶光電檢測系統的種子釋放接頭下端設置為與沉降管外形匹配的卡口，上端設置為中間開圓孔的漏鬥形種子釋放口 ；所述的帶光電檢測系統的中間接頭上下兩端均設置為與沉降管外形匹配的卡口。
6.根據權利要求3所述的一種測定風傳植物種子垂直沉降速度的裝置，其特徵在於所述的光電檢測系統分別安裝在帶光電檢測系統的種子釋放接頭上和帶光電檢測系統的中間接頭上。
7.根據權利要求6所述的一種測定風傳植物種子垂直沉降速度的裝置，其特徵在於所述的安裝在帶光電檢測系統的種子釋放接頭上的光電檢測系統的狹縫的位置與帶光電檢測系統的種子釋放接頭上端的漏鬥形種子釋放口下緣平行，安裝在帶光電檢測系統的中間接頭上的光電檢測系統的狹縫開在帶光電檢測系統的中間接頭的中部，即兩根相鄰沉降管的交接點處。
8.一種利用權利要求1所述的裝置測定風傳植物種子垂直沉降速度的方法，其特徵在於包括以下步驟1)、根據需要測定的垂直沉降高度，選擇相應長度的沉降管，連接種子垂直沉降光電檢測裝置；2)、用數據傳輸線將上述種子垂直沉降光電檢測裝置與數據處理顯示系統相連，打開電源開關，為系統上電；3)、用陶瓷鑷子將單顆待測植物種子置於所述帶光電檢測系統的種子釋放接頭入口處，輕推種子使其從入口處自然垂直降落；植物種子垂直經過所述的光電檢測系統的光路時，瞬間遮擋穩定照射在光電池上的光平面，引起光電池檢測信號變化，微處理系統記錄下種子通過起點和不同高度時所產生的光強脈衝信號，經過放大、比較處理，即可得到種子下落到不同高度時所需的時間、，根據公式巧可計算出種子的沉降平均速度，其中$ 為第/點時的平均速度， h& 為起點到第/點的高度差，測試前將實際高度差輸入微處理系統內存t為光電檢測系統檢測到的種子沉降到第 點的時間；微處理系統計算出種子從不同高度垂直沉降的平均速度，並顯示在LCD顯示屏上； 4)、將落入種子收集瓶中的種子取回，重複測量或保存備用。
全文摘要
本發明涉及一種測定風傳植物種子垂直沉降速度的裝置及方法。其特徵在於包括種子垂直沉降光電檢測裝置和數據處理顯示系統，所述的種子垂直沉降光電檢測裝置包括設置在沉降管頂端的帶光電檢測系統的種子釋放接頭、至少1隻沉降管、至少1隻帶光電檢測系統的中間接頭、1隻種子收集瓶和使整個裝置保持垂直穩定的支架，所述的帶光電檢測系統的種子釋放接頭、帶光電檢測系統的中間接頭分別與沉降管卡接配合，所述的收集瓶位於沉降管的正下方；所述的數據處理顯示系統包括微處理器和LCD顯示屏，光電檢測系統通過數據傳輸線與數據處理顯示系統相連，光電檢測系統由恆流電源供電。具有測量精度高、裝置簡單、經濟實用、操作簡便等優點。
文檔編號G01P3/68GK102353805SQ20111016325
公開日2012年2月15日 申請日期2011年6月17日 優先權日2011年6月17日
發明者季慧華, 朱周洪, 朱敏, 王守兵, 陳華才 申請人:中國計量學院