基于超声射频的植物茎体水分无损检测方法研究

对植物茎体水分进行实时无损的在线检测成为研究植物水分生理活动的热点之一。本文提出一种基于超声射频回波技术的植物茎体水分实时无损在线检测方法,该系统硬件由超声探头、超声射频发射接收器、数据采集卡和计算机组成;软件由Lab VIEW平台开发完成。通过系统获取有机溶液超声回波速度,仿真植物茎体含水率;以杨树截断样品为对象,分析其茎体吸水过程的含水率变化与超声回波速度变化的相关性,平均决定系数为0.98;以活体立木白玉兰为检测对象,完成其茎体超声波日变化检测,最高超声回波速度出现在14:00,最低值出现在22:00。实验表明超声回波速度与植物生理变化特性相符。同时,本文通过茎体样品及活立木的超声检测,验证了该方法可有效反映植物茎体轴向、径向及不同树种的结构差异,为植物茎体水分的检测提供了一种携带茎体结构特性的检测方法。     

基于茎直径和茎流复合测量的植物根压无损观测方法

植物夜间补水依靠根压。根压是研究植物水分生理的重要指标之一,但是根压测量是一个迄今尚未解决的技术难题,尤其是对草本植物,因不允许采用开窗式测量,所以具有更大的技术挑战性。为此探讨了在茎直径与茎流速率复合测量基础上,对Steppe水分存储和流动数学模型作算法换序,实现植物根压的无损动态观测。实验样本选取3株温室茄子,得到了2个独立的、连续5 d的实验数据。结果显示夜间及次日凌晨茄子样本的茎流速率为零,茎直径缓慢增长,此时间段内根压开始出现;晴天时,白天茄子样本蒸腾作用强烈,茎流速率大,茎秆收缩明显,夜间根压增幅较快;阴天时,情况恰好相反,夜间茄子样本根压幅值较小。可见,根压动态均满足茎流速率和茎直径变化的信息解译与气象数据的影响,完全符合已知的植物水分生理调节规律。因此,算法换序对无损观测茄子样本的根压是可行的,可将该方法应用于其他植物根压的无损检测。     

乔木茎体水分传感器探针结构实验

基于驻波率测量原理的乔木茎体水分传感器,其测量装置由信号源、同轴传输线及双针平行不锈钢探针组成.乔木茎体的介电特性决定了同轴传输线两端电压差值(即传感器的输出电压)的大小,通过测量传感器的输出电压,可达到测量乔木茎体体积含水率的目的.通过两个实验来确定传感器的探针结构:模拟实验中研究了在不同有机试剂中探针长度对传感器输出电压的影响,实验中选取了不同的有机试剂来模拟不同体积含水率的乔木茎体.根据模拟实验数据,得出了传感器输出电压与探针长度的单调变化关系,选取了传感器的探针结构参数;对侧柏乔木茎体样本进行了干燥实验,得出传感器的输出电压与样本的体积含水率之间有较好的线性关系.     

基于驻波率原理的土壤含水率测量方法

提出了一种基于驻波率原理的土壤含水率测量方法，介绍了其工作原理和使用范围（主要分析土质对其测量结果的影响），并将其与目前广泛使用的TDR及FD两种测量方法进行性能对比，从而得出SWR土壤含水率测量方法是一种高性能的测量方法。     

基于混合差分AIC算法的植物茎体超声回波位置检测

在植物茎体超声回波检测中,超声一次回波位置的确定是超声检测的基础。因茎体为非均匀、强衰减的介质,超声在其传播过程中形成了复杂的传播路径,这导致超声一次回波位置不易判定。提出了混合差分的最小信息准则(Akaike of information criterion,AIC)算法,可自动有效地获取茎体超声一次回波位置信息。首先,分析该算法的实现过程并通过仿真实验验证了该检测方法的准确性;其次,以茎体木块为检测对象,分析了超声一次回波位置变化与茎体水分变化的关系,发现超声一次回波位置可有效跟踪茎体水分变化。最后,以不同土壤湿度环境下种植的向日葵为检测对象,在09:00—19:00期间完成向日葵茎体超声一次回波位置的动态检测。实验结果表明,向日葵茎体超声一次回波位置的变化与土壤湿度变化呈正相关。不同土壤湿度的向日葵茎体超声检测差异明显:当土壤短时缺水,茎体超声一次回波位置与土壤水分变化波动明显,符合因短时缺水导致的植物抗旱调节活动与正常的水分吸收与蒸腾活动不断转换的生理活动特点;当土壤水分充盈时,茎体超声一次回波位置和土壤水分变化缓和,同时,在11:00—12:00期间,出现土壤水分最小值与超声一次回波位置最大值,符合因蒸腾作用导致茎体水分下降的生理特点。混合差分AIC算法可自动、有效地获取植物茎体的超声一次回波位置,该信息可作为动态跟踪植物茎体生长状态的检测特征。     

基于驻波率原理的森林枯落物和土壤含水率测量方法

枯落物含水率测定在森林水文学、碳循环、林火蔓延以及火险等级评估等研究中具有重要作用。本文提出了一种基于驻波率(SWR)原理的森林枯落物含水率测量方法,所设计的SWR水分传感器具有复用双环式探头结构,可分时测量枯落物或土壤的含水率和电导率。实验结果表明,传感器输出电压与半分解、全分解枯落物和土壤含水率呈现良好的线性关系。与商品化TDR水分传感器相比,SWR传感器测量枯落物和土壤含水率的平均绝对误差较小,且在厚度小于10 cm的枯落物含水率测量以及测量成本方面具有明显优势。在对枯落物含水率进行长期原位测定时,SWR传感器可通过测量电导率判断半分解的枯落物是否随时间推移而完全分解,以便及时调整传感器水分测量的标定曲线,最大程度降低因枯落物成分改变对传感器测量精度造成的影响,为准确测量森林地表枯落物含水率奠定基础。     

植物水分无损监测传感器电路的仿真分析

在设计了植物水分监测传感器电路的基础上,用Multisim8软件对基于介质连续变化的电容式无损监测传感器做了分块和整体的仿真分析,仿真表明,用输入电桥电容的微变化模拟植物水分的微变化,电路各部分均能无失真输出,整体电路能够较准确地反映植物水分的变化,传感电容相对于平衡电容的变化量与传感器输出电信号之间成线性相关。仿真过程中,传感器最后输出不大于5 V,各运放在统一5 V电源的供电条件下,无饱和失真现象,总体电路设计合理,基本符合要求,能够满足单独测量或用于监测系统模/数转换的需要。     

机械零件缺陷的无损检测方法发展趋势

介绍了在零件检测中常用的几种无损检测方法，比较了它们各自的优缺点和适用范围，以及传统超声检测和现代超声检测差别，得出无损检测发展的趋势将是检测的自动化、智能化和图象化。     

活立木茎干水分状况实时检测传感器研究

活立木茎干水分状况是植物生命状态的有效体现,其中茎干含水率(Stem water content, StWC)和液流密度(Sap flux density, SFD)是研究植物体内水分变化规律的重要参数。准确检测活立木茎干同一空间位置的含水率和液流密度可以更有效地分析2个参数的关系、评估植物生长状况。将基于驻波率(Standing wave ratio, SWR)原理的茎干水分检测方法和基于热比率法(Heat ratio method, HRM)原理的茎干液流检测方法结合,设计了活立木茎干含水率和液流复合参数检测传感器,复合传感器的含水率检测单元和液流检测单元复用一套三针式探针,可对活立木茎干同一位置的含水率和液流实时精准检测。含水率检测单元输出电压与介电常数(6～53.3范围内,对应茎干含水率为0～85%)具有良好的线性关系(决定系数R²=0.970 1),静态稳定性良好(长时间测试最大波动为0.6%全量程)。以杨树为研究对象,含水率检测单元与BD-IV型植物茎体水分传感器的对比实验结果一致(决定系数R²=0.980 0)。液流检测单元与S...     

机械零件缺陷的无损检测方法发展趋势

介绍了在零件检测中常用的几种无损检测方法,比较了它们各自的优缺点和适用范围,以及传统超声检测和现代超声检测差别,得出无损检测发展的趋势将是检测的自动化、智能化和图象化.     

基于植物介电特性的茎干含冰量检测方法与仪器设计

针对木本植物越冬期茎干冻结信息难以原位、在线监测的问题,本研究依据茎干冻结过程中水-冰比例变化与茎干阻抗的关系,研制茎干体积含冰量的原位、在线检测传感器。驻波测量频率及电路仿真结果表明,采用100 MHz信号激励源,电路能够有效表征茎干阻抗中电抗分量的变化;植物冻结过程中的阻抗变化分析表明,基于茎干阻抗变化表征体积含冰量的变化是可行的;探头电磁空间分布仿真结果表明,传感器有效测量区域为0～10 cm;静动态特性分析表明,传感器测量范围为0～100%,分辨率为0.05%,测量精度为±1.76%,稳定性良好,动态响应时间为0.172 s,功耗为0.25 W;室内外实验表明,传感器可以有效追踪茎干内体积含冰量的动态变化及受冻害胁迫程度,反映植物越冬期水-冰转化的日周期生理特征,可为植物含冰量监测和不同纬度下人工林的抚育提供技术支撑。     

基于内边缘场电容效应的树干/枝水分传感器研究

茎秆水分与茎流速率是解析植物茎秆内水分传输的2个重要参数。设计了一种基于内边缘场电容效应的树干/枝水分传感器。采用有机溶液试剂法与枝条冻融法分别对传感器做了性能测试试验,证实了传感器在相对介电常数16.8~81变化范围内具有很好的线性关系(R2=0.977 2),并从冻融-干湿等价性能看,传感器反应灵敏度满足测量要求。利用枝条脱水法得到了传感器参考标定曲线,决定系数为0.992 2。温室环境下的盆栽苹果树试验证实了该传感器既可无损观测树干细胞昼夜间的充放水过程,还可感测亏水树干内膨压崩溃与恢复过程。     

活立木内部缺陷雷达波检测研究

针对活立木内部结构复杂,个体化差异较大,导致雷达波图像难以解析的问题,提出了一种基于振幅比在线估计相对介电常数以及利用希尔伯特积进行层位追踪实现缺陷界面的相对定位,并结合活立木外轮廓点云数据确定其内部缺陷绝对位置和分布表征的方法,以此开发了基于雷达波的活立木内部结构缺陷分析软件。采用基于时域有限差分法的正演模拟、实验室原木试件检测分析、颐和园现场活立木检测等实验验证方法的可行性。结果表明可对检测目标点准确定位,复现树干内部横截面图像,雷达波成像结果与古树复壮时内部实际结构相符。     

基于驻波原理的锥式林区土壤含水率仪设计与性能分析

为了提高现有土壤含水率传感器在林区的测量性能及可使用性,在优化传感器结构的基础上,设计了一种基于驻波原理的锥式林区土壤含水率仪,其锥角30°、探头直径20 mm、探头长度150 mm。实验结果表明:传感器横向测量范围为10 cm、纵向测量范围为18 cm,输出线性拟合决定系数在0.96以上。静动态特性分析表明,传感器测量范围为零到粘壤性土壤饱和含水率,测量精度为3%,稳定性标准差0.49%,超调量为0.48%,过渡时间0.582 s。通过与TDR(TRIME-HD2型传感器、德国)进行对比,测量结果线性拟合决定系数在0.97以上,两者测量性能相当,表明所设计的传感器能够达到实际使用的要求。本文设计的土壤含水率仪性价比更高,更适用于林区土壤含水率测量,使用更为便捷。     

基于海棠茎干含水率的智能灌溉控制策略研究

茎干含水率的动态变化是研究植物体水分和生长状况的重要指标,准确判断活立木水分亏缺是人工林抚育和城市园林绿化中灌溉策略制定的重要科学依据。以海棠树为研究对象,以茎干含水率为研究参数,通过干旱胁迫试验探究茎干含水率变化与海棠树生理需水的关系。提出以海棠茎干含水率43%和茎干含水率下降值不超过12%为下限指标、土壤含水率33%为上限指标的灌溉控制策略,依据此策略设计了一套智能灌溉控制系统,并通过该系统验证了所提出灌溉策略的有效性与可行性。     

驻波法土壤水分测量系统的数学分析

介电法土壤水分测量中所涉及的公式一般是非线性的,在公式推导和绘制理论上的关系曲线时比较困难。为此,采用Matlab解决了上述问题,根据驻波法测量系统实际硬件电路参数推导出输出阻抗和传递函数的数学模型,再利用Topp公式等理论建立了以土壤含水率为自变量的系统传递函数的数学模型。利用Matlab对上述模型进行了仿真,得到了输出阻抗、介电常数及系统传递函数与土壤含水率的关系曲线。通过相关实验研究,验证了该数学模型的可行性。