專利名稱：一種精密診斷植物水分的電磁波共振腔法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用電磁波技術(shù)無損檢測(cè)活性植物水分的方法。
背景技術(shù)：
水資源短缺是制約世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)重建的主要因素，開發(fā)水資源和節(jié)約用水已成為人們研究的熱點(diǎn)，特別是節(jié)約用水潛力巨大。例如，發(fā)達(dá)國(guó)家農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率可達(dá)80％以上，而我國(guó)僅為30％～40％。因此節(jié)水灌溉是解決我國(guó)缺水問題的必由之路。對(duì)于植物水分監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)的研究，可分為如下三個(gè)階段。
第一階段，根據(jù)土壤濕度判斷植物是否缺水。傳統(tǒng)土壤水分測(cè)量技術(shù)有電容法和電阻法。最近，Huebner等人介紹了TDR法在測(cè)量土壤水分上的應(yīng)用；Sachs介紹了UWB技術(shù)在測(cè)量土壤水分上的應(yīng)用；Balendonck等人介紹了MCM120在測(cè)量土壤水分上的應(yīng)用。一般來說，采用高頻電磁波測(cè)量精度較高，受鹽分累積等因素的影響小。
第二階段，采用噴灌技術(shù)，并出現(xiàn)了自動(dòng)化的節(jié)水灌溉技術(shù)。主要檢測(cè)指標(biāo)是溫度、土壤濕度和環(huán)境濕度，它使節(jié)水率大幅度提高。
第三階段，研究快速檢測(cè)植物水分虧缺的傳感器技術(shù)，建立植物水分信息的感受、傳遞與傳導(dǎo)過程，獲得植物水分信息診斷指標(biāo)體系，開發(fā)診斷植物缺水狀況的新型傳感器技術(shù)和產(chǎn)品；研究植物水分區(qū)域分布檢測(cè)技術(shù)和植物蒸騰過程快速檢測(cè)技術(shù)，獲得土壤水分動(dòng)態(tài)快速測(cè)定和預(yù)報(bào)技術(shù)及產(chǎn)品；研究植物生長(zhǎng)信息與水分動(dòng)態(tài)測(cè)量信息，運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)建立具有監(jiān)測(cè)、傳輸、診斷和決策功能的植物精量灌溉系統(tǒng)。
近代植物水分生理研究表明，植物水分狀態(tài)的變化可以通過其根、莖、葉等各個(gè)器官體積上發(fā)生的微小變化反映出來。例如，以色列希伯萊大學(xué)的科學(xué)家應(yīng)用微米級(jí)葉片厚度傳感器對(duì)西紅柿的灌溉系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，取得了節(jié)水率35％，增產(chǎn)40％的效果。蘇臣等人應(yīng)用LVDT-5型位移傳感器對(duì)玉米、柑桔等進(jìn)行測(cè)量，分別取得了15.6％和21.4％的節(jié)水效果。但目前能達(dá)到這個(gè)量級(jí)的微位移傳感器還存在很多問題。如測(cè)量精度與測(cè)量范圍、測(cè)量力、測(cè)量環(huán)境、結(jié)構(gòu)尺寸和重量等方面都存在矛盾。李東升等人研制成功了植物葉片水分間接柔性測(cè)量傳感器。結(jié)果表明該傳感器在0～1mm的范圍內(nèi)，傳感器具有很好的線性度，測(cè)量范圍達(dá)到設(shè)計(jì)要求。利用該傳感器對(duì)一種盆栽花卉植物的葉片進(jìn)行測(cè)量表明，上午葉片的厚度逐漸升高，中午逐漸降低然后平緩，葉片厚度變化反映了植物水分變化。蔣云飛等人研究變介電常數(shù)型傳感器，該傳感器夾在葉片上，當(dāng)葉片水分變化時(shí)，其厚度變化，介電常數(shù)亦發(fā)生變化，從而得到葉片缺水信息。
同一發(fā)明人的申請(qǐng)?zhí)枮?00410040027.X的中國(guó)專利公開了“一種物質(zhì)成分和含量的檢測(cè)方法”，系涉及一種電磁波譜技術(shù)在識(shí)別物質(zhì)成分和含量上的應(yīng)用。該方法的核心是考慮了物質(zhì)的弛豫特性，能識(shí)別物質(zhì)的成分和含量。但該方法復(fù)雜，需要對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行升溫，不適合于診斷活性植物的水分。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，通過直接測(cè)量植物根、莖、葉的水分含量變化來監(jiān)測(cè)其水分狀態(tài)變化，即用電磁波共振腔精密診斷植物水分的方法。
由電磁場(chǎng)理論可知，對(duì)于圖1所示的中間填充了物質(zhì)的圓柱形E010模金屬共振腔，介質(zhì)內(nèi)的場(chǎng)方程為Ez(r)＝EmaxJ0(r) 介質(zhì)外，金屬腔內(nèi)的場(chǎng)方程為Ez(r)＝A2J0(k2r)+B2Y1(k2r)
上式中，J第一類Bessel函數(shù)；Y為第二類Bessel函數(shù)；J0是零階第一類Bessel函數(shù)；Y1是零階第二類Bessel函數(shù)；εa、εb與μa、μb分別為a區(qū)和b區(qū)的介電常數(shù)與磁導(dǎo)率；k1=ω/cϵaμa,]]>k2=ω/cϵbμb.]]>利用電磁場(chǎng)邊界條件得f1(Prk0)＝f2(k0，k0b/a)上式中，f1和f2分別為第一類和第二類Bessel函數(shù)；pr2=ϵa/ϵb;]]>k0=ωϵbb/c.]]>求解上述超越方程即知共振腔的共振頻率與介質(zhì)半徑和介質(zhì)介電常數(shù)的關(guān)系。在介質(zhì)半徑一定時(shí)，亦就得到共振腔的共振頻率與介質(zhì)介電常數(shù)的關(guān)系。
若用掃頻電磁波激勵(lì)圖1所示的共振腔，實(shí)驗(yàn)裝置方框圖見圖2。由電磁波電路理論可知，共振腔的共振曲線可用如下方程來擬合|S21|2=xy+(z-f)2]]>上式中，x，y，z是擬合參數(shù)；fr＝z是共振腔的共振頻率；Q=z/2y]]>共腔的品質(zhì)因素(Q值)。因?yàn)?由此可見，在入射波功率一定時(shí)，對(duì)不同頻率的掃頻電磁波，通過檢測(cè)共振腔內(nèi)傳輸波的功率即可測(cè)量出共振腔的諧振頻率和Q值。
若將放入共振腔內(nèi)的植物建模為干植物與水的混合物，其等效介電常數(shù)為εe＝ε1α1+ε2α2上式中，ε1和ε2分別為水和干植物的相對(duì)介電常數(shù)；α1和α2分別為水和干植物的體積比。由上述討論可見，僅需測(cè)量出共振腔圍住植物前后，共振腔的共振頻率和電磁波信號(hào)的輸出電壓。通過實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)，即可反演出植物的水分含量。圖3和圖4分別是共振腔的共振頻率和Q值與物質(zhì)水分含量的關(guān)系。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下在圖2所示的實(shí)驗(yàn)條件和25℃的環(huán)境下，利用昆明金匯通無線與微波技術(shù)研究所開發(fā)的電磁波波譜儀測(cè)量得到的云南某灌木苗、杜鵑花苗以及萬年青樹苗缺水情況的電磁波波譜見圖5～圖7所示。其中，圖5表明了云南某灌木苗缺水情況的電磁波波譜圖；圖6表明了云南某杜鵑花苗缺水情況的電磁波波譜圖；圖7表明了云南某萬年青樹苗缺水情況的電磁波波譜圖。圖8～圖9表明了云南某灌木苗澆水后每隔10天的測(cè)量情況，數(shù)據(jù)處理后得到的時(shí)間與電磁波信號(hào)的輸出電壓的變化趨勢(shì)以及時(shí)間與電磁波共振腔的共振頻率的變化趨勢(shì)分別見圖8和圖9所示。由以上關(guān)系圖可以看出，電磁波信號(hào)的輸出電壓以及電磁波共振腔的共振頻率隨著植物缺水狀態(tài)的變化而變化，因此，電磁波共振腔法可用于精密診斷植物缺水狀況。
本發(fā)明所述的精密診斷植物水分的電磁波共振腔法由以下步驟組成一、提供電磁波與待測(cè)物的強(qiáng)相互作用共振區(qū)；二、由計(jì)算機(jī)讀取共振區(qū)中沒有待測(cè)物的共振頻率和電磁波信號(hào)的輸出電壓，并計(jì)算出其共振頻率和Q值，列表存入計(jì)算機(jī)，完成實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過程；三、由計(jì)算機(jī)讀取共振區(qū)中有待測(cè)物的共振頻率和電磁波信號(hào)的輸出電壓，并計(jì)算出其共振頻率和Q值，列表存入計(jì)算機(jī)；四、根據(jù)步驟二和三的共振頻率和電磁波信號(hào)的輸出電壓即可反演其水分含量的變化。
所述的待測(cè)物分別是植物的根、莖、葉；所述的共振區(qū)是被電磁波激勵(lì)的共振腔產(chǎn)生的共振區(qū)，采用分布參數(shù)諧振腔會(huì)使檢測(cè)精度更高。所述的金屬共振腔是開放式的，其形狀可為多種形狀，如環(huán)形、平面形、曲面形等。當(dāng)形狀為環(huán)形時(shí)，待測(cè)物置于環(huán)形之中；當(dāng)形狀為平面形、曲面形時(shí)，平面形、曲面形應(yīng)靠近待測(cè)物，其距離應(yīng)小于激勵(lì)的共振腔的電磁波的一個(gè)波長(zhǎng)。共振區(qū)的溫度穩(wěn)定性要好，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，共振腔的共振頻率不變。所述的計(jì)算機(jī)可以是普通PC機(jī)，若開發(fā)專用產(chǎn)品可用單片機(jī)、DSP和FPGA等來實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)上面的方法，本專業(yè)的普通技術(shù)人員就可以實(shí)施本發(fā)明技術(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明不用傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)植物根、莖、葉等各個(gè)器官體積上發(fā)生的微小變化來檢測(cè)其水分狀態(tài)的變化，與監(jiān)測(cè)植物根、莖、葉等各個(gè)器官體積上發(fā)生的微小變化來檢測(cè)其水分狀態(tài)變化的方法比較，本發(fā)明直接測(cè)量植物根、莖、葉的水分含量變化來監(jiān)測(cè)其水分狀態(tài)變化，測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣、不受測(cè)量力的影響；與根據(jù)土壤濕度判斷植物是否缺水的方法比較，本發(fā)明直接測(cè)量植物根、莖、葉的水分含量變化，能滿足植物精量灌溉系統(tǒng)的要求。本發(fā)明可以將共振腔直接靠近正在成長(zhǎng)的待測(cè)物，如采用環(huán)形共振腔時(shí)，將環(huán)形共振腔圍住待測(cè)植物的莖或葉，采用平面形、曲面形共振腔時(shí)，將共振腔靠近待測(cè)植物莖或葉，可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)、無損、實(shí)時(shí)檢測(cè)，還可以連接灌溉系統(tǒng)，進(jìn)行自動(dòng)灌溉。


圖1為圓柱形金屬共振腔及其坐標(biāo)系。
圖2為實(shí)驗(yàn)裝置方框圖。
圖3為共振腔的共振頻率與物質(zhì)水分含量的關(guān)系。
圖4為共振腔的Q值與物質(zhì)水分含量的關(guān)系。
圖5為云南某灌木苗缺水情況的電磁波波譜圖。
圖6為云南某杜鵑花苗缺水情況的電磁波波譜圖。
圖7為云南某萬年青樹苗缺水情況的電磁波波譜圖。
圖8為云南某灌木苗缺水情況與時(shí)間的變化趨勢(shì)圖。
圖9為云南某灌木苗缺水情況與時(shí)間的變化趨勢(shì)圖。
圖10為實(shí)施例中的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖11為實(shí)施例中的電路方框圖。
圖中1-發(fā)射系統(tǒng)，2-電磁波耦合器裝置，3-通孔，4-接收系統(tǒng)，5-接口，6-計(jì)算機(jī)，7-共振腔。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例見圖10和圖11。
計(jì)算機(jī)6通過接口5控制發(fā)射系統(tǒng)，發(fā)射系統(tǒng)1輸出掃頻電磁波，掃頻電磁波經(jīng)耦合裝置2進(jìn)入金屬共振腔7，共振區(qū)腔內(nèi)有一通孔3，該通孔提供了共振腔與植物莖部的強(qiáng)相互作用區(qū)，作用后的電磁波經(jīng)耦合裝置2輸出，耦合裝置輸出的電磁波進(jìn)入接收系統(tǒng)4，接收系統(tǒng)處理后的信號(hào)由接口5進(jìn)入計(jì)算機(jī)6。計(jì)算機(jī)處理接收到的信息即可反演植物的缺水狀況。
在本實(shí)施例中，圓柱形金屬共振腔由兩個(gè)等體積的半圓柱組成，并且中間開孔，半圓柱高度為14mm，內(nèi)半徑為48mm，外半徑為52mm，材質(zhì)為因鋼，以保證良好的溫度穩(wěn)定性；微波耦合裝置為電耦合棒，電耦合棒的半徑為1mm，長(zhǎng)為4mm；通孔直徑為13mm；發(fā)射系統(tǒng)由掃頻電路、控制電路、多功能卡和接口電路組成；接口電路分別用于將計(jì)算機(jī)與發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)連接；接收系統(tǒng)由檢波電路、放大電路、多功能卡和接口電路組成；計(jì)算機(jī)為普通PC機(jī)。
以上實(shí)施例僅對(duì)發(fā)明做進(jìn)一步的說明，而本發(fā)明的范圍不受所舉實(shí)施例的局限。
權(quán)利要求
1.一種精密診斷植物水分的電磁波共振腔法，其特征在于由以下步驟組成一、提供電磁波與待測(cè)物的強(qiáng)相互作用共振區(qū)；二、由計(jì)算機(jī)讀取共振區(qū)中沒有待測(cè)物的共振頻率和電磁波信號(hào)的輸出電壓，并計(jì)算出其共振頻率和Q值，列表存入計(jì)算機(jī)，完成實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過程；三、由計(jì)算機(jī)讀取共振區(qū)中有待測(cè)物的共振頻率和電磁波信號(hào)的輸出電壓，并計(jì)算出其共振頻率和Q值，列表存入計(jì)算機(jī)；四、根據(jù)步驟二和三的共振頻率和電磁波信號(hào)的輸出電壓即可反演其水分含量的變化。
2.如權(quán)利要求1所述的精密診斷植物水分的電磁波共振腔法，其特征在于所述的待測(cè)物分別是植物的根或莖或葉。
3.如權(quán)利要求1所述的精密診斷植物水分的電磁波共振腔法，其特征在于所述的共振區(qū)是被電磁波激勵(lì)的共振腔產(chǎn)生的共振區(qū)。
4.如權(quán)利要求3所述的精密診斷植物水分的電磁波共振腔法，其特征在于所述的共振區(qū)是分布參數(shù)諧振區(qū)。
5.如權(quán)利要求1、3、4所述的精密診斷植物水分的電磁波共振腔法，其特征在于所述的共振區(qū)是開放式的。
6.如權(quán)利要求1、3、4所述的精密診斷植物水分的電磁波共振腔法，其特征在于所述的共振區(qū)的溫度穩(wěn)定性好，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，共振腔的共振頻率不變。
7.如權(quán)利要求1所述的精密診斷植物水分的電磁波共振腔法，其特征在于所述的計(jì)算機(jī)是普通PC機(jī)。
8.如權(quán)利要求1所述的精密診斷植物水分的電磁波共振腔法，其特征在于所述的計(jì)算機(jī)是單片機(jī)或DSP。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用電磁波技術(shù)無損檢測(cè)活性植物水分的方法。由以下步驟組成一、提供電磁波與待測(cè)物的強(qiáng)相互作用共振區(qū)；二、由計(jì)算機(jī)讀取共振區(qū)中沒有待測(cè)物的共振頻率和電磁波信號(hào)的輸出電壓，并計(jì)算出其共振頻率和Q值，列表存入計(jì)算機(jī)，完成實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過程；三、由計(jì)算機(jī)讀取共振區(qū)中有待測(cè)物的共振頻率和電磁波信號(hào)的輸出電壓，并計(jì)算出其共振頻率和Q值，列表存入計(jì)算機(jī)；四、根據(jù)步驟二和三的共振頻率和電磁波信號(hào)的輸出電壓即可反演其水分含量的變化。本發(fā)明直接測(cè)量植物根、莖、葉的水分含量變化來監(jiān)測(cè)其水分狀態(tài)變化，測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣、不受測(cè)量力的影響。
文檔編號(hào)G01N23/00GK1991344SQ20051004878
公開日2007年7月4日 申請(qǐng)日期2005年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月31日
發(fā)明者黃銘, 趙東風(fēng), 宗容, 楊明華, 蔡光卉, 施繼紅, 楊晶晶 申請(qǐng)人:云南大學(xué)