一種作物莖稈直徑微變測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

員玉良,李新成,吳 倩,張 健

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109；2.青島市城陽區(qū)紅島街道辦事處，山東 青島 266109)

一種作物莖稈直徑微變測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

員玉良1,李新成1,吳 倩2,張 健1

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109；2.青島市城陽區(qū)紅島街道辦事處，山東 青島 266109)

通過無損、連續(xù)觀測(cè)作物莖稈直徑微變化，可以有效評(píng)估作物體內(nèi)水分狀況，進(jìn)而指導(dǎo)科學(xué)灌溉。針對(duì)當(dāng)前商用莖稈直徑傳感器價(jià)格昂貴的現(xiàn)狀，提出了一種基于線性可變差動(dòng)變壓器原理的作物莖稈直徑微變測(cè)量裝置。該裝置由機(jī)械支架、傳感器探頭和信號(hào)處理電路等部分組成。機(jī)械支架起支撐傳感器探頭和固定傳感器的作用；傳感器探頭為線性可變差動(dòng)變壓器，可將莖稈直徑的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；信號(hào)處理電路主要由信號(hào)激發(fā)和調(diào)理電路組成，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。作物莖稈直徑微變測(cè)量裝置與兩種商用高精度激光測(cè)莖儀的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.978和0.929，測(cè)量精度為±10 μm?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，該作物莖稈直徑微變測(cè)量裝置具有測(cè)量精度高、反應(yīng)靈敏、適應(yīng)性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。采用該作物莖稈直徑微變測(cè)量裝置，不僅可以大大提高作物水分檢測(cè)系統(tǒng)的精度和自動(dòng)化程度，而且還可以有效降低使用成本，應(yīng)用前景廣闊。

傳感器； 變壓器； 檢波電路； 灌溉； 莖稈直徑； 數(shù)據(jù)采集

0 引言

作物水分狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是精準(zhǔn)灌溉的基礎(chǔ)[1]。因此，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、無損、準(zhǔn)確、及時(shí)地獲取作物體內(nèi)的水分情況顯得尤為重要。植物體內(nèi)的水分含量發(fā)生變化，會(huì)引起植物體莖稈直徑的變化[2]。通過測(cè)量作物莖稈直徑微變化，可以了解作物體內(nèi)的水分狀況，并評(píng)估體內(nèi)受水分脅迫情況，進(jìn)而指導(dǎo)科學(xué)灌溉[3-4]。早在2005年，Nortes等發(fā)現(xiàn)莖稈直徑微變化能夠很好地反映小杏樹的水分脅迫狀態(tài)[5]； Swaef等提出綜合莖流速率和莖稈直徑變化來指示番茄的缺水狀態(tài)[6]，而Zhang等以盆栽棉花為試驗(yàn)樣本，認(rèn)為莖稈直徑變化可以指示棉花水分狀態(tài)[7]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此也進(jìn)行了相關(guān)研究。2006年，孟兆江等試驗(yàn)證明了莖稈直徑微變化可以較準(zhǔn)確地反映溫室茄子的虧水狀態(tài)[8]；2011年，李曉彬等將莖稈直徑及其影響因素相結(jié)合，提出了梨棗樹的灌溉指標(biāo)[9]。

目前，常用的莖稈直徑測(cè)量方法主要有人工法、基于光學(xué)原理的激光測(cè)徑儀(laser diameter meter，LDM)和基于線性可變差動(dòng)變壓器(linear variable differential transformer，LVDT)原理的LVDT型傳感器[10]。人工法不能實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，且主觀測(cè)量誤差較大；而后兩種傳感器通常價(jià)格昂貴，應(yīng)用場(chǎng)合比較苛刻?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)了一種基于LVDT原理、面向作物的莖稈直徑微變測(cè)量裝置。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

作物莖稈直徑微變測(cè)量裝置主要由機(jī)械支架和電氣控制兩部分組成。機(jī)械支架起到支撐和固定傳感器探頭的作用，傳感器探頭通過機(jī)械支架接觸到作物莖稈上，探頭銜鐵隨作物莖稈直徑變化而移動(dòng)；電氣控制部分主要用來將機(jī)械位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成可讀取的電信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換和顯示等功能。

2 電氣控制電路設(shè)計(jì)

作物莖稈直徑微變測(cè)量裝置的電氣控制部分主要包括信號(hào)激發(fā)電路、傳感器探頭和信號(hào)調(diào)理電路三部分。信號(hào)激發(fā)電路產(chǎn)生的1～3 kHz的交流信號(hào)直接輸入至傳感器探頭，以激發(fā)其內(nèi)部的差動(dòng)變壓器工作。作物的莖稈直徑發(fā)生變化會(huì)推動(dòng)鐵芯移動(dòng)，引起傳感器探頭輸出電壓變化。該電壓信號(hào)被輸出至信號(hào)調(diào)理電路，由其完成檢波和放大。

2.1 傳感器探頭

作物莖稈直徑微變測(cè)量裝置是基于線性差動(dòng)變壓器原理設(shè)計(jì)的。其核心為微型交流LVDT直線位移傳感器。該傳感器的本質(zhì)為線性可變差動(dòng)變壓器。微型交流LVDT型直線位移傳感器組成及工作原理如圖1所示。

圖1 傳感器組成及工作原理圖

圖1中：激勵(lì)信號(hào)由初級(jí)線圈輸入，當(dāng)銜鐵處于中心位置時(shí)，次級(jí)線圈兩邊對(duì)中心抽頭的電動(dòng)勢(shì)e1和e2大小相等、方向相反，所以輸出總電壓Uo為0。但是，當(dāng)作物莖稈直徑發(fā)生變化時(shí)，會(huì)推動(dòng)鐵芯在其內(nèi)部移動(dòng)，此時(shí)e1和e2不再相等，輸出電壓Uo發(fā)生變化，其大小與鐵心位移變化Δx近似成線性關(guān)系，如式(1)所示：

k=Uo/Δx

(1)

式中：k為靈敏度系數(shù)。

顯然，鐵芯每移動(dòng)一定的位移，傳感器探頭就會(huì)輸出相應(yīng)的電壓，從而實(shí)現(xiàn)將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓輸出。

2.2 信號(hào)激發(fā)電路

考慮到所選用傳感器探頭的需要，本文設(shè)計(jì)了一種可產(chǎn)生頻率1～3 kHz的正弦交流信號(hào)發(fā)生電路，如圖2所示。該正弦交流信號(hào)經(jīng)過一級(jí)放大后，直接輸入到傳感器探頭的差動(dòng)變壓器作為激勵(lì)源。

圖2 交流信號(hào)發(fā)生電路

2.3 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路完成信號(hào)的整形與放大。首先經(jīng)過精密檢波電路，將傳感器探頭輸出電壓信號(hào)，交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，再通過專用儀器放大芯片AD620完成信號(hào)的放大，最終輸出0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，以便進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)采集。信號(hào)檢波電路和信號(hào)放大電路如圖3所示。

圖3 信號(hào)檢波電路和信號(hào)放大電路

3 作物莖稈直徑微變測(cè)量裝置的標(biāo)定與試驗(yàn)

為確保所設(shè)計(jì)作物莖稈直徑微變測(cè)量裝置具有良好的適應(yīng)性、線性度、靈敏度及精度，本文進(jìn)行了試驗(yàn)室標(biāo)定和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[11-12]。

3.1 作物莖稈直徑微變測(cè)量裝置的標(biāo)定

為確保其測(cè)量精度，采用本文所設(shè)計(jì)的作物莖稈直徑微變測(cè)量裝置，分別與兩種商用高精度激光測(cè)莖儀(LS-7600型數(shù)字測(cè)微儀和LDM-100型激光測(cè)徑儀)，對(duì)同一株盆栽向日葵的莖稈直徑測(cè)量。標(biāo)定結(jié)果如圖4所示。

圖4 標(biāo)定結(jié)果

3.2 作物莖稈直徑微變測(cè)量裝置的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證作物莖稈直徑微變測(cè)量裝置的適應(yīng)性和可靠性，本文以日光溫室內(nèi)的向日葵為研究對(duì)象，對(duì)其莖稈直徑微變化進(jìn)行跟蹤觀察，變化曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，每天早上，向日葵樣本莖稈開始收縮，至中午前后，達(dá)到最大值；之后，莖稈逐漸膨脹變粗，一直持續(xù)到次日凌晨，出現(xiàn)最小值。如此反復(fù)，向日葵樣本的莖稈直徑呈周期性日變化規(guī)律，但日最大收縮量因蒸騰作用強(qiáng)度不同而異：9月13日較小，約為0.35 mm；9月16日最大，達(dá)到1.00 mm左右。除了正常的周期性日變化外，向日葵樣本的莖稈每天還有小幅度生長(zhǎng)。從9月12日～9月18日大約生長(zhǎng)了0.8 mm。

圖5 向日葵莖稈直徑變化曲線

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種作物莖稈直徑微變測(cè)量裝置，并對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)室標(biāo)定和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。結(jié)果表明，該作物莖稈直徑微變測(cè)量裝置測(cè)量精度高，具有較高的靈敏度和適應(yīng)性，且穩(wěn)定性高、成本相對(duì)較低，尤其適用于小植物或者草本植物莖稈直徑微變的在線監(jiān)測(cè)，具有較好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

[1] 孟兆江，段愛旺，劉祖貴，等.根據(jù)植株莖稈直徑變化診斷作物水分狀況研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，21(2):30-33.

[2] BALLESTER C,BUESA I,BONET L,et al.Usefulness of stem dendrometers as continuous indicator of loquat trees water status[J].Agricultural Water Management,2014,142(8): 110-114.[3] 員玉良.基于莖稈直徑與莖流復(fù)合測(cè)量的植物水分生理調(diào)節(jié)觀測(cè)方法研究[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

[4] 林琭，湯昀，閆萬麗，等.基于莖直徑變化的精準(zhǔn)灌溉技術(shù)研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(5):1-13.

[5] NORTES P,PASTOR A,EGEA G,et al.Comparison of changes in stem diameter and water potential values for detecting water stress in young almond trees[J].Agricultural Water Management,2005,77(1-3): 296-307.

[6] SWAEF D,STEPPE K.Linking stem diameter variations to sap flow,turgor and water potential in tomato[J].Functional Plant Biology,2010,37(5): 429-438.

[7] ZHANG J,DUAN A,MENG Z,et al.Suitability of stem diameter variations as an indicator of water stress of cotton[J].Agricultural Sciences in China,2006,5(5): 356-362.

[8] 李曉彬，汪有科，張平，等.充分灌溉下梨棗樹莖直徑動(dòng)態(tài)變化及MDS影響因子的通徑分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(4)：88-92.

[9] 孟兆江，段愛旺，劉祖貴，等.溫室茄子莖直徑微變化與植物水分狀況的關(guān)系[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，26(8)：2516-2522.

[10]譚永宏，曾喆昭.基于 Laguerre 多項(xiàng)式的 LVDT 位移傳感器非線性校正[J].傳感器與微系統(tǒng)，2016，35(9)：104-109.

[11]盧啟福，吳慕春，胡月明，等.基于TDR-3 的土壤水分傳感器標(biāo)定模型研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，22(7)：1066-1070.

[12]嚴(yán)甜，袁越陽.模仿呼吸時(shí)肺通氣試驗(yàn)裝置的研制[J].自動(dòng)化儀表，2016，37(12)：37-44.

Design of the Measuring Device for Micro-Variation of Crop Stem Diameter

YUN Yuliang1,LI Xincheng1,WU Qian2,ZHANG Jian1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Qingdao Agricultural University,Qingdao 266109,China； 2.Hongdao Subdistrict Office,Chengyang District,Qingdao City,Qingdao 266109，China)

Through the non-destructive and continuous observation of micro-variation of the crop stem diameter,the moisture content inside crop can be evaluate effectively,and then the scientific irrigation can be guided.Considering the current situation of expensive commercial available stem diameter sensors,based on the principle of linear variable differential transformer,a device for measuring micro-variation of crop stem diameter is proposed.The device consists of mechanical support,sensor probe and signal processing circuit,etc.Themechanical structure serves as a supporter for the sensor probeand fixed the sensor.The sensor probe is a linear variable differential transformer,which can convert the variation of stem diameter into an electrical signal.The signal processing circuit consists of the signal excitation circuit and signal processing circuit,implements standard signal output.The correlation coefficient between the measuring device for micro-variation of crop stem diameter and the two kinds of commercial high precision laser stem measuring instruments are 0.978 and 0.929 respectively,and the measurement accuracy is ±10 μm.The result of field tests further show that the device has advantages of high precision,sensitivity,adaptability and stability.Using the measuring device for micro-variation of crop stem diameter can not only greatly improve the accuracy and automation level of crop moisture detection system,but also can effectively reduce the costs.The application prospect is broad.

Sensor; Transformer; Detection circuit; Irrigation; Stem diameter; Data collection

青島市民生科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(16-6-2-35-nsh)、青島農(nóng)業(yè)大學(xué)高層次人才啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(1116003、1116004)

員玉良(1981—)，男，博士，講師，主要從事智能儀器與檢測(cè)系統(tǒng)方向的研究。E-mail:ylyun1981@163.com。 張健(通信作者)，男，博士，講師，主要從事伺服電機(jī)控制方向的研究。E-mail:zjflyingman@163.com。

TH71;TP216+.1

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201705020

修改稿收到日期：2017-01-19