摘要 根据植物的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,提出了利用电阻应变式和差动电感式2种传感器进行植物叶片厚度测量的新方法。在差动电感转换电路中,创新性的提出采用单片式集成电路作为转换电路。经实验证明,仪器具有良好的线性度、测量精度高、抗环境干扰能力强等优点,是组成一种新型的闭环节水灌溉控制系统的核心环节。
1 引 言
近代植物水分生理学表明,植物体内的水分状况可以通过叶片等器官的尺寸变化反映出来。但是这种变化通常是微米量级的,肉眼观测不到,只有采用微米级的测量手段才能观测到植物水分的变化情况。根据这一原理,可以应用工业领域精密测量方法制成高精度植物水分传感器,并以此为核心环节构成新型智能灌溉系统,这是一种新概念的构思巧妙的灌溉系统[1],可以避开传统灌溉系统的3个弱点(控制参数与控制对象不一致;探头易受土壤中盐份影响使测量滞后;不能准确把握植物需水时间和需水量,造成灌溉水的浪费),节水率逼近极限值,极具开发前景。
2 叶片厚度测量原理
2.1 技术参数要求
测量范围一般小于0.5mm,测量不确定度小于2μm,测量分辨力优于0.5μm,测量方式为接触式测量(对测量对象和测量环境而言,非接触式测量还难以达到这样的分辨力),要对测量力进行优化(该方面工作已完成,见参考文献[2 3])。还要求具有体积小、重量轻、抗环境干扰能力强的特点。
2.2 转换原理
经过方案比较,有2种能满足设计要求的转换原理可供选择,即电阻应变式和差动电感式。
2.2.1 电阻应变式
为了实现测量方案,研制了如图1所示的电阻应变式叶片厚度传感器[4],该传感器采用0.1mm不锈钢弹簧片作为敏感元件,由与簧片连接的应变片感受簧片的弯曲变化。
当测头间夹入被测厚度h时,柔性测头转过Q角,当测头为半球时,可根据材料力学求出转角及挠度值:
可见转角与被测厚度之间具有线性关系,这是该传感器最显著的优点。
Q角的变化转换为应变片的电阻值的变化,电阻值的变化可通过桥路变换成电压信号的输出。
2.2.2 差动电感式
差动电感式传感器属于常规传感器[5],其精度可达亚微米量级。选用中原量仪厂的DGC 6PG/A型差动电感式传感器,并配以固定测头和微调器,改装成叶片厚度测量传感器[6],该传感器示意图如图2所示。
线圈为螺管型结构,当磁芯移动Δt时,差动电感增量为:
圈的电感;t0为平衡位置磁芯坐标值。
当位移较小时,一般忽略高次项的影响,按照线性特性处理。但是这样会带来一定的非线性的原理误差。
3 转换电路
3.1 应变式转换电路
该传感器转换电路如图3所示。为减小体积,采用了单芯片转换放大电路。
3.2 差动电感式转换电路
为减小转换电路的尺寸体积和功耗,采用单片式集成电路作为转换电路,这样可避免传统调幅式转换电路的调制、相敏检波、功放、滤波等电路环节,结构大为紧凑。经过对通用芯片进行筛选实验及比较,选出一种完全符合设计要求的单块集成芯片,该电路原理图如图4所示。
4 实验分析
4.1 电阻应变式传感器实验
4.1.1 线性度实验
对该传感器进行了线性度实验,初期的实验结果出现很大的回程误差,经分析认为,有2个因素可能引起该项误差:第一,传感器及测量装置存在缓慢漂移;第二,千分尺机械系统回程误差计入测量值中。改进的措施是:第一,重新设计夹具,增强系统刚度;更换应变片的胶粘剂,请专业人员贴片。第二,用TESA高精度电感测微仪代替千分尺读数,提高校准的精度。采取这些措施后,回程误差减小到允许的程度内,如图5所示。
由图5可得下列性能指标:
线性度:用两端点连线计算线性度误差,值为2.88%;灵敏度:2.2V/μm;分辨力:0.4539μm;最大回程误差:1.96μm。
同时,在实验中也发现了一些问题,例如,测头与叶面接触点的位置的微小移动会影响测量结果,转换电路也存在由于漂移等因素引起的误差,这些都将在下一步研究中加以改进。
4.1.2 测量实验
应变式传感器的测量实验如图6所示,由图中曲线可以看出在一天当中,叶片的厚度的变化趋势是在上午逐渐升高,到中午达到最大值,然后又逐渐降低。通过一段时间的实验观察,发现这种变化趋势具有规律性和普遍性。
4.2 差动电感式传感器实验
4.2.1 线性度实验
由图7可得下列性能指标:
线性度:用两端点连线计算线性度误差,值为0.92%;灵敏度:1.9991V/μm;分辨力:理论分辨力为0.1μm;最大回程误差:1.24μm。
4.2.2 测量实验
用所研制的传感器对辣椒叶片进行连续监测48h的测量曲线如图8所示。由图中可见该曲线同电阻应变式传感器所测得的结果相似。
通过2种传感器的测量实验,表明中午是一天中植物叶子最厚的时候,这与用其他方法测得的植物在不同时间含水量的变化非常吻合[7]。所以可认为,叶子的薄厚是与含水量成正比的,因此,可以通过测量叶子的厚度变化达到精确判断植物含水率状态的目的,为实现智能灌溉提供参考。
5 结 论
(1)研制了2种植物叶片厚度高精度测量传感器,即电阻应变式与差动电感式传感器,后者测量精度较高,但成本较高。
(2)研制了基于单片集成电路技术的差动电感式传感器的转换电路,该技术解决了其他同类转换电路尺寸、体积及功耗问题。
(3)应用所研制的传感器进行了2种实验,结果表明,完全满足设计要求,可以制成叶片厚度测量仪和动态水分传感器,进一步应用到植物信息检测、数字农业、新型节水灌溉系统中。
参考文献
[ 1 ] 高晓红,李东升.基于植物器官检测的新型智能灌溉系统的研究.林业机械与木工设备,2004(12).
[ 2 ] LI D S, Gao X H, et al. Sensors to accuratelymeasure geometry dimension of plant organs.ISIST' 2004, ISBN 7 5603 2056 2,2004,1:824830.
[ 3 ] 李东升,高晓红.植物叶片弹性模量的测量.华东地区计量测试技术交流会.广西,2004.
[ 4 ] 李东升,高晓红.植物叶片厚度和果径精密测量传感器的研究.传感器技术,2004(12).
[ 5 ] 强锡富.传感器.3版.北京:机械工业出版社,2002.
[ 6 ] 李东升,张文卓.植物叶片水分间接柔性测量传感器的研究.林业科学,2004(6).
[ 7 ] 李吉跃,翟洪波,刘晓燕.树木水力结构特征的昼夜变化规律.北京林业大学学报,2002(4).
作者简介
李东升 男 1957年出生 教授 研究方向为超精测试技术及仪器 植物物理信息精密检测技术E-mail:ldsim@163.com
