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，特別是節(jié)約用水潛力巨大。例如，發(fā)達(dá)國家農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率可達(dá)80％以上，而我國僅為30％～40％。因此節(jié)水灌溉是解決我國缺水問題的必由之路。對于植物水分監(jiān)測診斷技術(shù)的研究，可分為如下三個階段。
第一階段，根據(jù)土壤濕度判斷植物是否缺水。傳統(tǒng)土壤水分測量技術(shù)有電容法和電阻法。最近，Huebner等人介紹了TDR法在測量土壤水分上的應(yīng)用；Sachs介紹了UWB技術(shù)在測量土壤水分上的應(yīng)用；Balendonck等人介紹了MCM120在測量土壤水分上的應(yīng)用。一般來說，采用高頻電磁波測量精度較高，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)了自動化的節(jié)水灌溉技術(shù)。主要檢測指標(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)域分布檢測技術(shù)和植物蒸騰過程快速檢測技術(shù)，獲得土壤水分動態(tài)快速測定和預(yù)報技術(shù)及產(chǎn)品；研究植物生長信息與水分動態(tài)測量信息，運用現(xiàn)代信息技術(shù)建立具有監(jiān)測、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)用微米級葉片厚度傳感器對西紅柿的灌溉系統(tǒng)進(jìn)行了實驗，取得了節(jié)水率35％，增產(chǎn)40％的效果。蘇臣等人應(yīng)用LVDT-5型位移傳感器對玉米、柑桔等進(jìn)行測量，分別取得了15.6％和21.4％的節(jié)水效果。但目前能達(dá)到這個量級的微位移傳感器還存在很多問題。如測量精度與測量范圍、測量力、測量環(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，測量范圍達(dá)到設(shè)計要求。利用該傳感器對一種盆栽花卉植物的葉片進(jìn)行測量表明，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，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?zhí)枮?00410040027.X的中國專利公開了“一種物質(zhì)成分和含量的檢測方法”，系涉及一種電磁波譜技術(shù)在識別物質(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，能識別物質(zhì)的成分和含量。但該方法復(fù)雜，需要對被測樣品進(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，通過直接測量植物根、莖、葉的水分含量變化來監(jiān)測其水分狀態(tài)變化，即用電磁波共振腔精密診斷植物水分的方法。
由電磁場理論可知，對于圖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)的場方程為Ez(r)＝EmaxJ0(r) 介質(zhì)外，金屬腔內(nèi)的場方程為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，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圖1所示的共振腔，實驗裝置方框圖見圖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)。因為 由此可見，在入射波功率一定時，對不同頻率的掃頻電磁波，通過檢測共振腔內(nèi)傳輸波的功率即可測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的輸出電壓。通過實驗校準(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。
實驗結(jié)果如下在圖2所示的實驗條件和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天的測量情況，數(shù)據(jù)處理后得到的時間與電磁波信號的輸出電壓的變化趨勢以及時間與電磁波共振腔的共振頻率的變化趨勢分別見圖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、提供電磁波與待測物的強相互作用共振區(qū)；二、由計算機讀取共振區(qū)中沒有待測物的共振頻率和電磁波信號的輸出電壓，并計算出其共振頻率和Q值，列表存入計算機，完成實驗準(zhǔn)備過程；三、由計算機讀取共振區(qū)中有待測物的共振頻率和電磁波信號的輸出電壓，并計算出其共振頻率和Q值，列表存入計算機；四、根據(jù)步驟二和三的共振頻率和電磁波信號的輸出電壓即可反演其水分含量的變化。
所述的待測物分別是植物的根、莖、葉；所述的共振區(qū)是被電磁波激勵的共振腔產(chǎn)生的共振區(qū)，采用分布參數(shù)諧振腔會使檢測精度更高。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，待測物置于環(huán)形之中；當(dāng)形狀為平面形、曲面形時，平面形、曲面形應(yīng)靠近待測物，其距離應(yīng)小于激勵的共振腔的電磁波的一個波長。共振區(qū)的溫度穩(wěn)定性要好，當(dāng)環(huán)境溫度變化時，共振腔的共振頻率不變。所述的計算機可以是普通PC機，若開發(fā)專用產(chǎn)品可用單片機、DSP和FPGA等來實現(xiàn)。
根據(jù)上面的方法，本專業(yè)的普通技術(shù)人員就可以實施本發(fā)明技術(shù)，實現(xiàn)發(fā)明目的。
本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明不用傳統(tǒng)的監(jiān)測植物根、莖、葉等各個器官體積上發(fā)生的微小變化來檢測其水分狀態(tài)的變化，與監(jiān)測植物根、莖、葉等各個器官體積上發(fā)生的微小變化來檢測其水分狀態(tài)變化的方法比較，本發(fā)明直接測量植物根、莖、葉的水分含量變化來監(jiān)測其水分狀態(tài)變化，測量精度高、測量范圍廣、不受測量力的影響；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的待測物，如采用環(huán)形共振腔時，將環(huán)形共振腔圍住待測植物的莖或葉，采用平面形、曲面形共振腔時，將共振腔靠近待測植物莖或葉，可以進(jìn)行動態(tài)、無損、實時檢測，還可以連接灌溉系統(tǒng)，進(jìn)行自動灌溉。
圖1為圓柱形金屬共振腔及其坐標(biāo)系。
圖2為實驗裝置方框圖。
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間的變化趨勢圖。
圖9為云南某灌木苗缺水情況與時間的變化趨勢圖。
圖10為實施例中的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖11為實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-計算機，7-共振腔。
具體實施方式實施例見圖10和圖11。
計算機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)處理后的信號由接口5進(jìn)入計算機6。計算機處理接收到的信息即可反演植物的缺水狀況。
在本實施例中，圓柱形金屬共振腔由兩個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算機與發(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；計算機為普通PC機。
以上實施例僅對發(fā)明做進(jìn)一步的說明，而本發(fā)明的范圍不受所舉實施例的局限。
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、提供電磁波與待測物的強相互作用共振區(qū)；二、由計算機讀取共振區(qū)中沒有待測物的共振頻率和電磁波信號的輸出電壓，并計算出其共振頻率和Q值，列表存入計算機，完成實驗準(zhǔn)備過程；三、由計算機讀取共振區(qū)中有待測物的共振頻率和電磁波信號的輸出電壓，并計算出其共振頻率和Q值，列表存入計算機；四、根據(jù)步驟二和三的共振頻率和電磁波信號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，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算機是普通PC機。
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算機是單片機或DSP。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種用電磁波技術(shù)無損檢測活性植物水分的方法。由以下步驟組成一、提供電磁波與待測物的強相互作用共振區(qū)；二、由計算機讀取共振區(qū)中沒有待測物的共振頻率和電磁波信號的輸出電壓，并計算出其共振頻率和Q值，列表存入計算機，完成實驗準(zhǔn)備過程；三、由計算機讀取共振區(qū)中有待測物的共振頻率和電磁波信號的輸出電壓，并計算出其共振頻率和Q值，列表存入計算機；四、根據(jù)步驟二和三的共振頻率和電磁波信號的輸出電壓即可反演其水分含量的變化。本發(fā)明直接測量植物根、莖、葉的水分含量變化來監(jiān)測其水分狀態(tài)變化，測量精度高、測量范圍廣、不受測量力的影響。
文檔編號G01N23/00GK1991344SQ200510048786
公開日2007年7月4日 申請日期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 申請人:云南大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan