全 文 ：第 ws卷 第 y期
u s s w年 tt 月
林 业 科 学
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植物叶片水分间接柔性测量传感器的研究
李东升 张文卓 陈为凤 高晓红 胡 敏
k中国计量学院 杭州 vtsst{l
摘 要 } 针对当前植物节水灌溉非闭环控制问题 o运用系统分析理论与方法 o依据植物茎和叶的几何尺寸参数与
其水分之间存在直接 !准确的对应关系 o当测量精度达到微米量级时 o就可以此类参数作为精确的反馈控制变量 o
提出利用植物本身的生理调控机制和基于物理方法的植物水分非破坏性高精度检测技术 o实现精密高效的闭环微
灌溉智能控制系统 o可以实现真正意义上的最优化节水灌溉 ∀研制结构简单 !测量精度高 !抗环境干扰能力强 !可
靠性高的微位移传感器 o对丰富节水灌溉理论与技术 !形成农业新产品具有重要意义 ∀
关键词 } 植物水分精密诊断 o节水灌溉 o应变片 o微位移传感器 o植物器官尺寸参数测量
中图分类号 }≥w|| 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kusswlsy p stvs p sw
收稿日期 }ussv p s| p ut ∀
基金项目 }国家自然科学基金项目kvsuztszvl ∀
Στυδψ ον Ινδιρεχτ Φλεξιβλε Σενσορ Μεασυρινγ Ωατερ Χοντεντ οφ Πλαντ Λεαφ
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k Χηινα ϑιλιανγ Υνιϖερσιτψ Ηανγζηουvtsst{l
Αβστραχτ } „¬°¬±ª¤··«¨ ±²±p¦¯²¶¨§ ²¯²³¦²±·µ²¯ ³µ²¥¯ °¨ ²©·«¨ ³¯¤±·º¤·¨µp¶¤√¬±ª¬µµ¬ª¤·¬²±o¤¦¦²µ§¬±ª·²·«¨ §¬µ¨¦·¤¦¦∏µ¤·¨
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²©³¤µ¤°¨ ·¨µ¤¶¤¦¦∏µ¤·¨©¨ §¨¥¤¦®¦²±·µ²¯ √¤µ¬¤¥¯ ¶¨º«¨ ±·«¨ °¨ ¤¶∏µ¨ ³µ¨¦¬¶¬²± µ¨¤¦«¨¶·«¨ ªµ¤§¨ ²© °¬¦µ²±¶ ∏´¤±·¬·¼ ¥¼ ∏¶¬±ª
¶¼¶·¨° ¤±¤¯¼¶¬¶·«¨²µ¼ ¤±§ °¨ ·«²§q׫¨ ³¤³¨µ³∏·¶©²µº¤µ§·²¤±²±p§¨¶·µ∏¦·¬√¨ «¬ª«p¤¦¦∏µ¤¦¼ §¨·¨¦·¬²± ·¨¦«±¬´∏¨ ²©·«¨ ³¯¤±·
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Κεψ ωορδσ} °µ¨¦¬¶¨ §¨·¨¦·¬²± ²© ³¯¤±·º¤·¨µ¦²±·¨±·§¬¤ª±²¶¬¶o• ¤·¨µp¶¤√¬±ª¬µµ¬ª¤·¬²±o≥·µ¤¬± ª¤ª¨¶o¬¦µ²p§¬¶³¯¤¦¨ °¨ ±·
¶¨±¶²µo ¤¨¶∏µ¨°¨ ±·³¤µ¤°¨ ·¨µ²©²µª¤± ²©³¯¤±·
近代植物水分生理研究表明 o植物水分状态的变化 o可以通过在植物根 !茎 !叶等各个器官体积上发生的
微小变化反映出来 ∀这种变化在微米量级测量中就能显示出来 o从而为精量灌溉系统提供科学而准确的依
据 o实现真正意义上智能节水灌溉 ∀在土壤 p植物 p大气连续系统k≥°„≤l中 o前人的工作多是着重于根据
土壤湿度来制定灌溉制度或建立灌溉系统k康绍忠等 oussul ∀尽管应用广泛 o但仍然存在很多难以克服的困
难 o主要是水分传感器探头易受到温度 !盐分累积等多种因素的干扰 o响应速度慢 o测量精度也不易提高 o还
会造成灌溉水的浪费 ∀事实上 o土壤水分仅是 ≥°„≤中的一个因素 o而植物吸水和失水的过程是植物本身的
各个器官和它所在环境相互影响的结果 o并受 ≥°„≤各环节的综合作用 ∀同土壤水分的变化相比 o植物器官
如叶 !茎 !果等的形态或生理变化 o则可以更直接 !更全面 !更快速 !更灵敏地反应植物体内水分的状况 ∀这
样 o诊断植物水分的测量 o可转化为微位移传感器的测量精度和相互对应规律的研究 ∀
我国这方面研究起步较早 o如苏臣等kt||wl应用 ∂⁄× p x型k差动变压器式l 位移传感器对玉米 !柑桔
等进行测量 o分别取得了 tx1y h和 ut1w h的节水效果 ~但 ∂⁄×主要用于工业计量方面 o测量分辨率和精度
可以满足要求 o测量力 !体积和抗环境干扰能力等指标无法满足本领域的实际需要 ∀最近 o以色列希伯莱大
学的科学家应用微米级叶片厚度传感器对西红柿的灌溉系统进行了试验 o取得了节水率 vx h !增产 ws h的
效果k杨波 oussul ∀经分析 o目前能达到这个量级的微位移传感器还存在很多问题 o如测量精度与测量范围 !
测量力 !测量环境 !结构尺寸 !重量方面都存在矛盾 ∀若能综合运用工业计量测试领域的先进技术 o采用现代
设计方法 o研究开发充分考虑植物本身特点 !符合植物检测需求的新型传感器 o将是亟需解决的问题 ∀
t 测量原理与植物叶片弹性模量的测量
传感器设计时 o被测对象应选择植物对水分反映敏感的器官 o通常是叶 !茎 !果 v类 ∀若叶 !茎 !果的尺寸
测量精度可以达到 t Λ°量级 o就可精确地诊断出多种植物的水分状况k李东升等 oussul ∀但 t Λ°量级的微
位移测量在环境变化无常的室外实现 o需要高新技术措施给予保障 o设计时要考虑传感器的抗环境干扰能
力 !结构的简单化和柔性化 !可靠性 !重量等问题 ∀本文首先选择叶片为对象 o叶片厚度微增量变化的测量实
际上属于微位移测量 o实现微位移测量的方法有很多 o常用的有应变式 !差动电感式 !开关电容式等几种 ∀
111 测量原理
针对现在通常所采用的智能灌溉控制系统是以空气的温度 !湿度或土壤的湿度作为控制参数 o属于开环
控制的弊端 o本文设计了以植物器官的几何尺寸作为控制参数的智能灌溉控制系统 o如图 t所示 o这样就使
开环控制转化为闭环控制 o从而提高了控制精度 ∀
图 t 新型闭环反馈智能控制灌溉系统的组成
ƒ¬ªqt ≤²±¶·¬·∏·¨ ²©·«¨ ±¨ º ·¼³¨ ²©©¨ §¨¥¤¦®¦¤³¤¦¬·¼ ¦¯²¶¨§p¯²²³¦²±·µ²¯ ¬µµ¬ª¤·¬²± ¶¼¶·¨°
图 u 按胡克定律测量弹性模量的装置
ƒ¬ªqu ׫¨ §¨√¬¦¨ ²©¤¦¦²µ§¬±ª·² ¤¯º¶²© °²∏¶·¤¦«¨
° ¤¨¶∏µ¨ ¨¯¤¶·¬¦°²∏¯§ ∏´¤±·¬·¼
根据传感器的设计要求 o考虑到植物叶片刚度低 o测量力的作用会使叶片产生变形 o提出小测量力的柔
性化测量要求 ∀比较容易实现的传感类型是应变式微位移传感器 o此传感器由固定和可动k柔性l测量板组
成 ∀为保证可动测头与叶片的柔性接触 o同时又不会滑脱 o要求测头的测量力足够小 ∀该测量力与植物叶片
的弹性模量有关 o否则会因为测量力过大而造成植物组织的破坏或影响植物的正常生长 o测得的数据也不能
正确反映植物的水分状态 ∀
112 植物叶片弹性模量的测量
不同植物的弹性模量不同 o弹性模量分为纵向弹性模量和扭转弹性模量 o这里指的是纵向弹性模量 ∀理
论上讲 o弹性模量是一个常数 ∀对弹性模量的测量有 u种方法 }一种是按照胡克定律进行测量 ~另一种是按
照悬臂梁端点给定负载后测量挠度值求得弹性模量 ∀u种方法都
是间接测量 o前者简单易行 o后者灵敏度高 ∀
t1u1t 根据胡克定律确定弹性模量
Ε° € ΝλΠ∃λΑ ktl
式中 }Ε° 为植物的弹性模量 o°¤~Ν为正应力 o‘~ λ为试件长度 o这
里为厚度 o° ~∃λ为在正应力作用下的变形量 o° ~Α为试件的截面
积 o°u ∀
根据ktl式 o可设计植物叶片弹性模量测量装置如图 u所示 ∀
考虑到被测植物叶片的大小 o将 Α的值取成 u种规格 o即 Αt € ts
°° ≅ vs °°和 Αu € ts °° ≅ us °°∀对被测叶片进行制样 o采用标
准砝码实现正压力 Ν∀用测微仪k瑞典 ×∞≥„ ≤‹2tsus差动电感测
微仪 o分辨力 s1t Λ°l测量加载后的变形量 ∃λk测微仪的测量力引
起的变形量对计算弹性模量无影响l o计算出被测叶片的弹性模量
见表 t ∀
tvt 第 y期 李东升等 }植物叶片水分间接柔性测量传感器的研究
表 1 几种植物的弹性模量测量值
Ταβ .1 Τηε ελαστιχ µ ουλδ θυαντιτψ µεασυρεµεντ ϖαλυε σεϖεραλ οφ κινδσ οφ πλαντσ
玉米 ¤¬½¨ 樱花树 ’µ¬¨±·¤¯ ¦«¨µµ¼·µ¨¨ 狗尾草 Šµ¨ ±¨ ¥µ¬¶·¯¨ ªµ¤¶¶ 桐树叶 ≤«¬±¨ ¶¨ ³¤µ¤¶²¯ ·µ¨¨¯¨ ¤©
叶片厚度 ׫¬¦®±¨ ¶¶²©¯¨ ¤√ ¶¨Π°° s qwxu s qu{x s quxt s qt{y
弹性模量 ∞¯¤¶·¬¦°²∏¯§ ∏´¤±·¬·¼Π°¤ v qxx ≅ tsw u q|u ≅ tsx u qz{ ≅ tsw { quy ≅ tsw
t1u1u 悬臂梁积分法确定弹性模量 在测量力的作用下 o悬臂梁在弯矩的作用下产生位移和转角 o忽略剪
力的影响 o平面弯曲时梁轴线的曲率为 }
tΠΘkξl € ΜkξlΠΕΙ kul
式中 }Μkξl !Θkξl分别为坐标为 ξ处截面的弯矩和曲率半径求出变形k位移l与弯矩之间的关系 oΕ为弹性
元件的弹性模量 oΙ为截面惯性矩 o对矩形截面 }
Ι € βηvΠtu kvl
式中 }β为截面厚度尺寸 oη为截面宽度尺寸 ∀
图 v 传感器结构图
ƒ¬ªqv ׫¨ ¶·µ∏¦·∏µ¨ ¦«¤µ·²©·«¨ ¶¨±¶²µ
t q弹性元件 ∞¯¤¶·¬¦¦²°³²±¨ ±·~u q球形测头 ׫¨ ¶³«¨µ¨ ¬¨¤°¬±¨ ¶·«¨ «¨ ¤§~
v q应变片 ≥·µ¤¬±ª¤ª¨¶~w q紧固螺钉 ׬ª«·¦¤µ¨¯¨ ¶¶¶¦µ¨º ~x q弹性元件压板
׫¨ ¨¯¤¶·¬¦¦²°³²±¨ ±·³µ¨¶¶¨¶·«¨ ¥²¤µ§~y q电缆压板 ׫¨ ¦¤¥¯¨³µ¨¶¶¨µ·«¨
¥²¤µ§~z q电缆线夹螺钉 ׫¨ ¦¤¥¯¨·«µ¨¤§¬±¶¨µ·¶·«¨ ¶¦µ¨º ~{ q固定测头
∞¬¤°¬±¨ ·«¨ «¨ ¤§ µ¨ª∏¯¤µ¯¼ ~| q螺钉 ׫¨ ¶¦µ¨º ~ts q斜板 ’¥¯¬´∏¨ ¥²¤µ§~
tt q基体 …¤¶¨ ¥²§¼~tu q电气接线板 ∞¯ ¦¨·µ¬¦º¬µ¬±ª¥²¤µ§~tv q三芯屏蔽
电缆 ׫µ¨¨¦²µ¨ ¶«¬¨ §¯¬±ª¦¤¥¯ ¶¨q
在小挠度情况下 o上式可简化为 } §ψuΠ§ξu € ΜkξlΠΕΙ kwl
对于等截面梁 o只要写出弯矩方程 o采用积分法就可得到转角方程和挠度方程 }
Ηkξl € §ψ§ξ €ΘΜkξlΕΙ §ξ n Χ kxl
ψk ξl €ΘΘΜkξlΕΙ §ξ §ξ n Χξ n ∆ kyl
对本研究而言 o弯矩方程为 } Μk ξl € Νλ p Νξ kzl
利用支承边界条件 }ψksl € s oΗksl € s o得
Ηkξl € p tΕΙ πλξ p
t
u πξ
u k{l
ψkξl € p tΕΙ
t
u πλξ
u p ty πξ
u k|l
ψ°¤¬及 Η°¤¬均发生在自由端处 o由式k|l求得
ψ°¤¬ € ψkλl € p πλvΠv ΕΙ ktsl
忽略位移的方向 o将截面积惯性矩的值带入ktsl式 o得
Ε € wπλvΠψ°¤¬ βηv kttl
u 应变式柔性微位移传感器的设计
211 传感器弹性元件参数设计
根据试验数据对弹性元件的参数进行设计 ∀考虑
取材的可行性及室外工作的可靠性 o采用厚度为 s1t
°°的进口不锈钢弹簧片k我国大量用于剃须刀片制
造业l o只要对变形部分的长度和宽度进行设计即可 ∀
本传感器弹性元件为悬臂梁式结构 ∀弯矩主要是
由测量力引起 o计算时要对 Ι值重点考虑 o因为在粘贴
应变片时要考虑应变片厚度尺寸 ∀给定变形量 o取弹
性元件长度k变形部分lΛ€ u1x °° o宽度 β € y °° ∀
212 传感器结构设计
采用斜面式微调原理 o带有可调节的滑片 o以适应
不同叶片的厚度和生长过程 o其结构见图 v ∀传感器
的分辨力与测点回转半径有关 o按图 v所示的结构 o若
提高分辨力就应使测头接触点尽量靠近右端 ∀
uvt 林 业 科 学 ws卷
图 w 传感器的线性和回程误差
ƒ¬ªqw ׫¨ ¬¯±¨ ¤µ µ¨µ²µº¬·«¥¤¦®º¤µ§¶·µ²®¨ ²©·«¨ ¶¨±¶²µ
2 .3 电路设计
电路设计涉及内容都是常规技术 o不多述 ∀
v 测量试验
311 传感器标定试验
对传感器的线性和回程误差等进行标定 o所得
结果见图 w ∀可见 o在 s ∗ t °°的范围内 o传感器具
有很好的线性度 o这表明传感器设计参数指标之一
的测量范围已达到设计要求 o可得下列性能指标 ∀
线性度 }按照两端点连线法计算线性度误差 o
得 u1{{ h o分析认为标定装置存在非线性误差 o主
要原因是标定装置为正切机构 ∀分辨力 }s1wxv |
Λ° o比设计要求略高 ∀若要严格满足设计要求 o则
图 x 监测植物叶片厚度变化试验曲线
ƒ¬ªqx ²±¬·²µ·«¨ ·«¬¦®±¨ ¶¶²©¯¨ ¤√¨ ¶¤±§¦«¤µª¨ ·«¨ ¬¨³¨µ¬° ±¨·¦∏µ√¨
需要将放大倍数调低一点 o使满量程的输出值为 u sss
°∂ o分辨力恰为 s1x Λ°∀灵敏度 }u1u o这项指标还算较
高 ∀最大回程误差 }x{1xu Λ° o这项指标严重超标 ∀查阅
应变式传感器其他典型应用例 o均无这样大的回程误差 o
经过反复试验 o基本还是这个量级 ∀在做 s ∗ xss Λ°试验
时 o最大回程误差为 vy1zv Λ° o可见 o测量范围小时 o回程
误差有减小的趋势 ∀分析认为 o有 u个因素可能引起该
项误差 }第一 o测量装置存在缓慢漂移 ~第二 o千分尺机械
系统回程误差计入测量值中 ∀改进的措施是 }第一 o重新
设计夹具 o增强系统刚度 ~第二 o用 ×∞≥„高精度电感测微
仪代替千分尺读数 ∀
312 传感器测量试验
应用本传感器对校园内一种盆栽花卉植物的叶片进行了测量试验 o曲线如图 x所示 ∀由该曲线可以看
出 o上午叶片的厚度逐渐升高 o中午逐渐降低然后逐渐平缓 ∀通过一段时间这样探索性的试验 o结果表明这
种变化趋势基本符合植物叶片厚度在一天中的变化 o这种厚度变化反映了植物叶片水分的变化 o为实现智能
灌溉提供参考 ∀同时 o在试验中也发现了一些问题 o例如 o测头与叶面接触点位置的微小移动会影响测量结
果 o转换电路也存在由于漂移等因素引起的误差 o这些都将在下一步研究中加以改进 ∀
w 结论
提出植物叶片厚度尺寸微米级测量原理 o并探索了测量技术 o为进一步形成测量仪器 !间接测量植物水
分奠定了基础 ~提出并实现了 u种植物叶片厚度方向上弹性模量的测量试验方案 o可以获得所研究植物弹性
模量 o为传感器设计提供理论依据 ~研制了微米级植物叶片厚度柔性监测传感器 o可以作为具有全新概念的
智能灌溉系统的核心环节 ∀
参 考 文 献
康绍忠 o许 迪 o李万红等 q关于西北旱区农业与生态节水基本理论和关键技术研究领域若干问题的思考 q中国科学基金 oussu okxl }uzw p uzz
李东升 o汤晓华 o刘九庆等 q精量灌溉中的植物水分精密诊断技术 q中国计量学院学报 oussu otwktl }tt p tw
苏 臣 o孙一源 o陈 勇 q新型节水灌溉控制原理的应用研究 q水科学进展 ot||w oxkul }twu p tw{
杨 波 q新型智能灌溉系统 q世界发明 oussu okxl }z
vvt 第 y期 李东升等 }植物叶片水分间接柔性测量传感器的研究