基于潜热效应的活立木冻融检测传感器设计与实验

针对植物冻融过程中植物水分生理信息(植物水冰含量)难以实时、在线、连续监测及冻融难以准确判断的问题,设计了一种基于潜热效应的活立木冻融检测传感器。通过检测植物冻融过程中潜热释放引起的温度变化对茎干是否冻融进行有效判断,在准确检测冻融点的基础上,根据茎干体积含水率变化计算冻融过程中的茎干体积含冰量及径向冻融深度,同时设计环式弹片探头消除固定式探头对茎干压迫形成的凹槽。标定结果表明,传感器测量结果与真值拟合决定系数超过0. 99。静动态特性分析表明,传感器体积含水率和温度测量范围分别为0～68. 67%、-30～80℃,动态响应时间小于2 s。室内冻融模拟实验及室外长期冻融监测表明,传感器能够有效检测植物冻融过程中茎干水分生理参数的变化,可以作为植物冻融的有效监测手段。     

基于茎干水分包络分析的活立木冻融检测方法

为解决活立本在越冬期易遭受低温所引发的冻融灾害问题,针对现有评估检测方法存在的检测手段复杂、对活立本破坏性大、设备昂贵和难以实时检测的现状,通过分析活立本在越冬期的茎干水分和环境温度的变化规律,提出一种基于活立木茎干水分序列包络分析的冻融状况检测方法。在采用具有自主知识产权的活立木冻融检测传感器实时获取活立木茎干水分和环境温度的基础上,通过对照试验选取1320 min作为包络分析的信号采样间隔获取数据的极值信息,以便对活立木的冻融状况进行定量表示。进一步利用活立木茎干水分包络上下线的平均值,并结合环境温度的包络下线值建立归一化的冻融状况评价指标的计算模型,为植物冻融状况的实时检测与评估提供一种新思路、新手段。选用3种不同地区的阔叶树种（紫薇、海棠和香杨树）进行试验验证,整个越冬期紫薇树的冻融状况轻微,对应的冻融指标最高为0.004,远小于1.0;海棠树的冻融状况变化较大,对应的冻融指标在0.1~0.7之间波动变化;香杨树的冻融状况相对严重,对应的冻融指标最高时可达0.9。试验表明本文方法及自主研发的冻融检测传感器准确可靠,可以作为活立木冻融状况检测的有效手段,为植物冻灾预警提供理论及数据支撑。     

基于二硫化钼的电容式土壤湿度传感器

[目的/意义]土壤中含水率直接影响农作物生长状态和产量。开发出一种可靠、高效的土壤湿度传感器对实施农田科学灌溉具有重要指导意义。[方法]本研究提出一种基于微加工工艺制备的二硫化钼电容式土壤湿度传感器,通过叉指电极上同一平面上的金电极阵列实现数个电容并联,表面修饰二硫化钼作为敏感层实现对土壤湿度的测量。通过计算及使用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件研究电极参数对电容敏感度的影响,最终确定电极参数使用10μm间距、75对叉指。[结果和讨论]在保证测量精度的前提下,大大缩小了传感器的体积,可以实现土壤湿度的原位动态监测。在室温下相对湿度值从11%变化到96%时,电容式土壤湿度传感器在200 Hz频率下的电容输出为12.13 pf～187.42 nF;当土壤含水量由8.66%增加到42.75%时,传感器的电容输出在200 Hz频率下由119.51 nF增长到377.98 nF,显示出较高的湿度灵敏度及较宽的敏感范围。[结论]本研究提出的土壤水分传感器有望实现原位长期监测电容式土壤传感器的电容变化,从而监测土壤湿度的变化。     

基于介电特性的联合收获机小麦含水率检测装置研究

谷物水分的快速测量对谷物准确测产、粮食快速收储、精准农业实施具有重要意义。针对联合收获机动态作业条件下小麦水分检测稳定性差、测量精度低等问题,基于小麦介电特性原理,设计一种联合收获机水分在线检测装置,提出一种动态连续取样、静态间歇测量的新方法,实现了联合收获机作业条件下,在线快速稳定检测小麦含水率。在线检测装置由机械动态取样部分、电机控制模块、传感器模块、数据采集模块、卫星定位模块和显示终端组成。其中传感器模块包括水分传感器、温度传感器和料位传感器。开展了静态验证试验和田间动态验证试验。试验结果表明,静态条件下,含水率在线检测误差在3%以内;在田间动态变化条件下,建立了基于介电常数和温度因子的水分检测模型,实测值和检测值相关系数达到0.92,在线检测误差小于5%。采用动态连续采样、静态间歇测量的方法显著提高了含水率在线检测的精度,为实现小麦精准生产提供了一种快速测量手段。     

面向农产品冷链物流监测的无线气体传感器在线校准方法

鲜活农产品冷链保鲜、保活运输过程中需要精确监测和控制运输微环境气体浓度,因此实时精准地监测运输环境中各类气体成分浓度尤为重要。在长期气体浓度监测中,传感器会发生漂移并呈现弱稳定性现象,从而造成监测精准度降低,导致保鲜、保活控制低效。针对该问题,设计基于无线传感器网络的气体传感器在线校准方法,利用融合技术对运输环境中分布式部署的无线气体传感器进行周期性选举,筛选测量准确、稳定的领袖传感器节点组作为参考,动态计算终端传感器漂移特征参数变化,并使用无线通讯技术完成各类气体感知节点输出-浓度映射函数参数的修正调节,以重新计算输出信号与气体浓度的动态映射关系。该方法可非更换地实现在线气体传感器动态校准,从整体上修正了运输微环境中气体传感器输出-浓度映射参数以提高数据获取精度。以鲟鱼低温无水休眠保活运输为试验流程,对重要环境气体CO2、O2、NH3等浓度信息进行了监测与校准试验。利用高精度、已校准的气体浓度记录仪作为运输微环境气体浓度测量标准,进行校准试验评估。试验表明传感输出信号为TTL电平的CO2传感器可提高测量精度3.28%,其精度提高程度低于线性或非线性函数输出的气体传感器;对于输出-浓度映射为非线性信号的NH3气体监测精度可提高4.14%;针对传感输出为线性函数关系的O2传感器校准效果最优,其监测精度可提高4.71%。综合对比运输气体变化监测数据,验证了在不更换传感器进行离线气调校准的情况下,所提方法可较显著地提高气体浓度监测精度,为有效精准调节冷链运输微环境气体浓度提供了调控依据。     

作物叶片叶绿素动态监测系统设计与试验

为了实现作物生长过程中叶绿素的动态在线监测,设计开发了一款叶绿素在线检测传感器系统。应用可见-近红外(660、880 nm)波段光谱检测植物叶绿素含量的体积小、功耗低的模块,通过AD转换电路、数字滤波电路得到叶片反射光数字信号,利用灰度板对反射光信号进行反射率校准,660 nm和880 nm波段的反射率校正模型的R~2分别为0. 999 6和0. 999 5;取10个不同等级叶绿素溶液样本共80个,使用国标法检测叶绿素含量后将溶液倒入无纺布开展叶绿素梯度仿真测量。叶绿素检测模块测量双波长反射率后,分别计算归一化差值植被指数(NDVI)和叶绿素指标SPAD指数值。建立相应的叶绿素含量检测数学模型,其决定系数R~2分别为0. 955 7、0. 958 7。开展活体植株叶绿素检测验证试验,叶片原位光谱测量后,再将叶片剪碎,使用国标法测量叶绿素真实值,检测样本与真实值的相关系数分别为0. 888 7、0. 874 5。进而开展在线动态监测试验,实时监测水肥胁迫组和正常水肥管理对照组玉米幼苗植株,监测90 h内的叶绿素含量变化,可知,相同管理条件下植株叶绿素含量变化规律大致相同,受水肥胁迫的影响,水肥胁迫组的叶绿素浓度呈下降趋势。证明了传感器系统在线监测作物叶绿素动态的可行性,可为农作物生长与胁迫动态监测提供技术支持。     

基于驻波率原理的植物茎体水分无损检测方法研究

水在植物的各项生理活动中起着至关重要的作用,实时无损检测植物茎体的水分对研究植物的生命活动有着重要的指导意义。本文提出了一种基于驻波率原理的茎体水分实时无损在线检测方法,并设计了BD-IV型植物茎体水分传感器,分别在以有机溶剂及烧杯为实验材料的仿真环境、以松树为实验材料的树段环境及以桃树为实验材料的活立木实验环境下,验证了BD-IV型植物茎体水分传感器的检测性能。当植物茎体直径在5.0~10.5 cm之间且体积含水率在1.17%~59.59%之间时,BD-IV型植物茎体水分传感器能准确地检测出植物茎体的体积含水率。通过长期监测桃树茎体水分的日变化和月变化情况,得知BD-IV型植物茎体水分传感器的检测结果与植物生理特性相符;与德国生产的SF-L型树干茎流仪同时监测柳树的茎体水分和茎流,得出茎体水分和茎流之间的关系,为植物生理特性研究提供了一种高性能价格比的国产化检测仪器。     

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...     

西北旱区苹果树茎干直径变化规律及其对环境因素的响应研究

以西北旱区苹果树为试验材料,利用植物生理环境监控系统对果树茎干直径变化及太阳辐射,大气温度,相对湿度,风速等环境因素进行了连续同步监测,对果树茎干直径昼夜变化、不同天气条件下的直径日变化及不同生长阶段茎干直径与环境因素的关系进行了研究.结果表明:苹果树茎干直径变化日过程呈现出明显的昼夜变化规律,茎干直径白天收缩,傍晚、夜间复原或膨胀;不同天气条件下,茎干直径收缩幅度有明显差异,晴天茎干直径日最大收缩量最大,阴雨天最小;果树生长过程中,茎干直径变化主要受太阳辐射与空气水汽压差的影响.     

双针结构土壤水分传感器探针最优长度分析与试验

在两针平行式探针结构的阻抗模型的基础上,进一步理论推导了终端开路式和终端短路式两种类型土壤水分传感器探针长度与阻抗特性的关系.借助高频分析软件HFSS确定了两针平行式土壤水分传感器的最佳探针结构,并采用有机溶液模拟土壤体积含水率进行了试验,试验结果表明:终端开路式和终端短路式土壤水分传感器探针长度在0 ～8.3 cm时,其土壤体积含水率测量范围达到0～100％.     

某地国家储备林土壤含水量变化规律研究

以河南省某地2年生杜仲树为研究对象,在树盘式灌溉条件下,利用根系分布土层放置的土壤温湿度传感器和智能采集器对土壤体积含水量进行实时监测,分析土壤含水量在不同灌水定额条件下的动态变化规律,根据动态变化规律来确定相对应的灌水周期。试验结果表明：各个测点的土壤含水量在灌水后12 h均高于田间持水量;灌水后10 d各测点土壤体积含水量均保持在田间持水量70%以上;灌水量60 L/(棵·次)、80 L/(棵·次)、100 L/(棵·次)、120 L/(棵·次)、140 L/(棵·次)、160 L/(棵·次)对应的灌水周期分别为14 d、16 d、18 d、22 d、23 d、24 d。该试验结果对制定灌溉制度和设计经济合理的灌溉系统具有重要指导意义。     

基于近红外光电效应的联合收获机谷物厚度测量方法

谷物在刮板升运器中的堆积状态是影响光电式流量测量精度的重要因素。为了提高联合收获机容积式谷物流量传感器的测量精度,开展了基于近红外光电效应的谷物厚度测量方法及其传感器的研究。通过激光发射器生成850～980 nm的近红外光,采用硅光电池接收透射谷物的红外光线,根据光强的变化获取谷物的厚度。设计了以T型反馈网络为核心的I/V转换处理电路,根据试验测量的输出电压与谷物厚度的变化关系,拟合建立了Gaussian函数方程,分析了激光发射器功率、红外线波长对不同品种水稻厚度测量性能的影响。结果表明:当红外线波长为940 nm时,回归方程的拟合精度最高,水稻厚度测量误差小于0. 5 mm;随着激光发射器功率的增加,水稻厚度测量量程随之增大,当功率为500 m W时,谷物厚度的有效测量距离约为50 mm;红外线的穿透能力随着波长的增加而增强,随着籽粒含水率的降低而减弱。提出的谷物厚度测量方法可以提高容积式谷物流量测量精度。     

基于荧光法的溶解氧传感器研制及试验

溶解氧含量的测量对水产养殖具有极其重要的意义，但目前中国市面上的溶解氧传感器存在价格昂贵、不能持续在线测量及更新部件维护困难等问题，难以在水产养殖物联网中大规模推广和发挥作用。本研究基于荧光淬灭原理，利用水中溶解氧浓度与荧光信号相位差的关系进行低成本、易维护溶解氧传感器的研发。首先利用自制备溶氧敏感膜，经激发光照射后产生红色荧光，该荧光寿命可由溶解氧浓度调节；然后利用光信号敏感器件设计光电转化电路实现光信号感知；再以STM32F103微处理器作为主控芯片，编写下位机程序实现激发光脉冲产生，利用相敏检波原理以及快速傅里叶变换（FFT）计算激发光与参照光的相位差，进而转化为溶解氧浓度，实现溶解氧的测量。荧光探测部分与系统主控部分采用分离式设计思想，利用屏蔽排线直接插拔连接，便于传感器探测头的拆卸、更换、维护以及实现远距离在线测量。经测试，本溶解氧传感器的测量范围是0~20 mg/L，响应延迟小于2 s，溶氧敏感膜使用寿命约1年，可以实时不间断地对溶解氧浓度进行测量。同时，本传感器具有测量方便、制作成本低、体积小等特点，为中国水产养殖低成本溶解氧传感器的研发与市场化奠定了良好的基础。     

基于声表面波的车辆驱动轴动态扭矩测量系统研究

基于声表面波(SAW)技术,应用单端口SAW谐振器,设计了车辆驱动轴动态扭矩测量装置,实现车辆驱动轴扭矩无线无源实时测量。采用三点等间距对称方式布置信号收发天线,消除信号的绕射现象;以PWM信号控制FET时序通断,设计信号查询时序电路;通过差频测量方式,消除温度等因素的影响,提高了测量精度。模拟试验结果表明,测量装置所测得结果与理论模型一致,测量灵敏度约为1.15 kHz/(N·m),为车辆驱动轴动态扭矩的测量提供了一种可行的方案。     

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。     

基于茎流传感器的茎秆储水动态观测方法

植物茎秆储水每天都会发生周期性变化。针对目前缺少对草本植物茎秆储水无损测量传感器的问题,提出了一种基于茎流传感器的草本植物茎秆储水动态观测方法。该方法以温室盆栽向日葵为试验对象,通过茎流传感器及电子秤的输出,得出向日葵茎秆储水状况及其内部充放水状态切换时间。向日葵茎秆直径动态变化的观测结果进一步验证了该方法的有效性。同时,该方法还可以采集向日葵所处环境下的微气象因子变化,试验结果表明微气象因子变化是引起茎秆储水动态变化主要因素。     

基质根区阻抗谱测量中补偿和耦合方法研究

根区阻抗谱技术可以很好地展现根区水分、生物量等动态变化。针对相邻激励策略下的基质根区100 Hz～2 MHz范围内阻抗谱测量中出现的问题,进行总结、分析,并提出了解决方法。进行了延长通道对测量的影响实验,分析对比了单端口网络和双端口网络补偿策略,实验结果表明,纯基质的测量,单端口网络补偿方法是最佳选择,其步骤简洁且补偿效果显著。通过延长电极长度,使自然条件下阻抗谱可被准确测量的含水率变化范围增大,电极由3 mm增长至8 mm时,适用的含水率范围从8. 35%增大至11. 27%,是原有含水率范围的1. 35倍,有效地减弱了含水率下降时对电极与基质耦合的影响。分析了不同电极长度下的数据差异以及电极几何参数的影响,结果表明,电极长度变化并未对数据的整体趋势变化造成显著影响。同时,对测量中高频时出现负电阻数据的原因进行了分析探讨。     

播期和播深对冬小麦越冬前生长性状的影响

为评价播期和播深对冬小麦越冬前生长性状的影响,以农大211冬小麦为试验材料,于2015-2017年在中国农业大学北京上庄实验站进行了4个播期水平(9月23日、10月3日、10月13日和10月23日)、3个播深水平(2、4、6 cm)的随机区组大田试验,探究不同栽培措施对越冬前冬小麦各生长指标(单株叶面积、主茎叶龄、分蘖...     

4种常见土壤含水量传感器精度分析及评价

针对目前市面上不同传感器测定结果差异过大,导致农业生产中效率低下的问题,选取了市面上常见的4种土壤湿度传感器（编号为A、B、C和D）,进行室内与田间试验,测试传感器的精度。试验结果表明,传感器B的测定结果与土壤真实含水量值最为接近（综合误差为5.14%）,而其他3种传感器测定值与真实含水量的差异较大（综合偏差均＞9%）。此外,当测试环境变化时,传感器对于相同含水量土壤的测定结果会随之变化,传感器测定误差值也随之变化,特定条件下误差值变化相当明显。测试也表明传感器厂家对传感器的初步校正具有局限性,如果想得到更为精确的结果,对传感器再次进行针对校正是必不可少的。