一種作物莖稈直徑微變測量裝置的設計

員玉良,李新成,吳 倩,張 健

(1.青島農業大學機電工程學院，山東 青島 266109；2.青島市城陽區紅島街道辦事處，山東 青島 266109)

一種作物莖稈直徑微變測量裝置的設計

員玉良1,李新成1,吳 倩2,張 健1

(1.青島農業大學機電工程學院，山東 青島 266109；2.青島市城陽區紅島街道辦事處，山東 青島 266109)

通過無損、連續觀測作物莖稈直徑微變化，可以有效評估作物體內水分狀況，進而指導科學灌溉。針對當前商用莖稈直徑傳感器價格昂貴的現狀，提出了一種基于線性可變差動變壓器原理的作物莖稈直徑微變測量裝置。該裝置由機械支架、傳感器探頭和信號處理電路等部分組成。機械支架起支撐傳感器探頭和固定傳感器的作用；傳感器探頭為線性可變差動變壓器，可將莖稈直徑的變化轉換為電信號；信號處理電路主要由信號激發和調理電路組成，實現標準信號輸出。作物莖稈直徑微變測量裝置與兩種商用高精度激光測莖儀的相關系數分別達到0.978和0.929，測量精度為±10 μm。現場試驗結果表明，該作物莖稈直徑微變測量裝置具有測量精度高、反應靈敏、適應性和穩定性好等優點。采用該作物莖稈直徑微變測量裝置，不僅可以大大提高作物水分檢測系統的精度和自動化程度，而且還可以有效降低使用成本，應用前景廣闊。

傳感器； 變壓器； 檢波電路； 灌溉； 莖稈直徑； 數據采集

0 引言

作物水分狀況的實時監測是精準灌溉的基礎[1]。因此，實現連續、無損、準確、及時地獲取作物體內的水分情況顯得尤為重要。植物體內的水分含量發生變化，會引起植物體莖稈直徑的變化[2]。通過測量作物莖稈直徑微變化，可以了解作物體內的水分狀況，并評估體內受水分脅迫情況，進而指導科學灌溉[3-4]。早在2005年，Nortes等發現莖稈直徑微變化能夠很好地反映小杏樹的水分脅迫狀態[5]； Swaef等提出綜合莖流速率和莖稈直徑變化來指示番茄的缺水狀態[6]，而Zhang等以盆栽棉花為試驗樣本，認為莖稈直徑變化可以指示棉花水分狀態[7]。國內學者對此也進行了相關研究。2006年，孟兆江等試驗證明了莖稈直徑微變化可以較準確地反映溫室茄子的虧水狀態[8]；2011年，李曉彬等將莖稈直徑及其影響因素相結合，提出了梨棗樹的灌溉指標[9]。

目前，常用的莖稈直徑測量方法主要有人工法、基于光學原理的激光測徑儀(laser diameter meter，LDM)和基于線性可變差動變壓器(linear variable differential transformer，LVDT)原理的LVDT型傳感器[10]。人工法不能實現在線測量，且主觀測量誤差較大；而后兩種傳感器通常價格昂貴，應用場合比較苛刻。基于此，本文設計了一種基于LVDT原理、面向作物的莖稈直徑微變測量裝置。

1 系統總體設計

作物莖稈直徑微變測量裝置主要由機械支架和電氣控制兩部分組成。機械支架起到支撐和固定傳感器探頭的作用，傳感器探頭通過機械支架接觸到作物莖稈上，探頭銜鐵隨作物莖稈直徑變化而移動；電氣控制部分主要用來將機械位移信號轉換成可讀取的電信號，并實現數據采集、存儲、轉換和顯示等功能。

2 電氣控制電路設計

作物莖稈直徑微變測量裝置的電氣控制部分主要包括信號激發電路、傳感器探頭和信號調理電路三部分。信號激發電路產生的1～3 kHz的交流信號直接輸入至傳感器探頭，以激發其內部的差動變壓器工作。作物的莖稈直徑發生變化會推動鐵芯移動，引起傳感器探頭輸出電壓變化。該電壓信號被輸出至信號調理電路，由其完成檢波和放大。

2.1 傳感器探頭

作物莖稈直徑微變測量裝置是基于線性差動變壓器原理設計的。其核心為微型交流LVDT直線位移傳感器。該傳感器的本質為線性可變差動變壓器。微型交流LVDT型直線位移傳感器組成及工作原理如圖1所示。

圖1 傳感器組成及工作原理圖

圖1中：激勵信號由初級線圈輸入，當銜鐵處于中心位置時，次級線圈兩邊對中心抽頭的電動勢e1和e2大小相等、方向相反，所以輸出總電壓Uo為0。但是，當作物莖稈直徑發生變化時，會推動鐵芯在其內部移動，此時e1和e2不再相等，輸出電壓Uo發生變化，其大小與鐵心位移變化Δx近似成線性關系，如式(1)所示：

k=Uo/Δx

(1)

式中：k為靈敏度系數。

顯然，鐵芯每移動一定的位移，傳感器探頭就會輸出相應的電壓，從而實現將位移信號轉換為電壓輸出。

2.2 信號激發電路

考慮到所選用傳感器探頭的需要，本文設計了一種可產生頻率1～3 kHz的正弦交流信號發生電路，如圖2所示。該正弦交流信號經過一級放大后，直接輸入到傳感器探頭的差動變壓器作為激勵源。

圖2 交流信號發生電路

2.3 信號調理電路

信號調理電路完成信號的整形與放大。首先經過精密檢波電路，將傳感器探頭輸出電壓信號，交流信號轉換為直流信號，再通過專用儀器放大芯片AD620完成信號的放大，最終輸出0～5 V的標準信號，以便進行后續的數據采集。信號檢波電路和信號放大電路如圖3所示。

圖3 信號檢波電路和信號放大電路

3 作物莖稈直徑微變測量裝置的標定與試驗

為確保所設計作物莖稈直徑微變測量裝置具有良好的適應性、線性度、靈敏度及精度，本文進行了試驗室標定和現場試驗[11-12]。

3.1 作物莖稈直徑微變測量裝置的標定

為確保其測量精度，采用本文所設計的作物莖稈直徑微變測量裝置，分別與兩種商用高精度激光測莖儀(LS-7600型數字測微儀和LDM-100型激光測徑儀)，對同一株盆栽向日葵的莖稈直徑測量。標定結果如圖4所示。

圖4 標定結果

3.2 作物莖稈直徑微變測量裝置的現場試驗

為進一步驗證作物莖稈直徑微變測量裝置的適應性和可靠性，本文以日光溫室內的向日葵為研究對象，對其莖稈直徑微變化進行跟蹤觀察，變化曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，每天早上，向日葵樣本莖稈開始收縮，至中午前后，達到最大值；之后，莖稈逐漸膨脹變粗，一直持續到次日凌晨，出現最小值。如此反復，向日葵樣本的莖稈直徑呈周期性日變化規律，但日最大收縮量因蒸騰作用強度不同而異：9月13日較小，約為0.35 mm；9月16日最大，達到1.00 mm左右。除了正常的周期性日變化外，向日葵樣本的莖稈每天還有小幅度生長。從9月12日～9月18日大約生長了0.8 mm。

圖5 向日葵莖稈直徑變化曲線

4 結束語

本文設計了一種作物莖稈直徑微變測量裝置，并對其進行了試驗室標定和現場試驗。結果表明，該作物莖稈直徑微變測量裝置測量精度高，具有較高的靈敏度和適應性，且穩定性高、成本相對較低，尤其適用于小植物或者草本植物莖稈直徑微變的在線監測，具有較好的應用前景和推廣價值。

[1] 孟兆江，段愛旺，劉祖貴，等.根據植株莖稈直徑變化診斷作物水分狀況研究進展[J].農業工程學報，2015，21(2):30-33.

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[4] 林琭，湯昀，閆萬麗，等.基于莖直徑變化的精準灌溉技術研究進展[J].農業工程學報，2016，32(5):1-13.

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[6] SWAEF D,STEPPE K.Linking stem diameter variations to sap flow,turgor and water potential in tomato[J].Functional Plant Biology,2010,37(5): 429-438.

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[9] 孟兆江，段愛旺，劉祖貴，等.溫室茄子莖直徑微變化與植物水分狀況的關系[J].生態學報，2006，26(8)：2516-2522.

[10]譚永宏，曾喆昭.基于 Laguerre 多項式的 LVDT 位移傳感器非線性校正[J].傳感器與微系統，2016，35(9)：104-109.

[11]盧啟福，吳慕春，胡月明，等.基于TDR-3 的土壤水分傳感器標定模型研究[J].傳感技術學報，2009，22(7)：1066-1070.

[12]嚴甜，袁越陽.模仿呼吸時肺通氣試驗裝置的研制[J].自動化儀表，2016，37(12)：37-44.

Design of the Measuring Device for Micro-Variation of Crop Stem Diameter

YUN Yuliang1,LI Xincheng1,WU Qian2,ZHANG Jian1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Qingdao Agricultural University,Qingdao 266109,China； 2.Hongdao Subdistrict Office,Chengyang District,Qingdao City,Qingdao 266109，China)

Through the non-destructive and continuous observation of micro-variation of the crop stem diameter,the moisture content inside crop can be evaluate effectively,and then the scientific irrigation can be guided.Considering the current situation of expensive commercial available stem diameter sensors,based on the principle of linear variable differential transformer,a device for measuring micro-variation of crop stem diameter is proposed.The device consists of mechanical support,sensor probe and signal processing circuit,etc.Themechanical structure serves as a supporter for the sensor probeand fixed the sensor.The sensor probe is a linear variable differential transformer,which can convert the variation of stem diameter into an electrical signal.The signal processing circuit consists of the signal excitation circuit and signal processing circuit,implements standard signal output.The correlation coefficient between the measuring device for micro-variation of crop stem diameter and the two kinds of commercial high precision laser stem measuring instruments are 0.978 and 0.929 respectively,and the measurement accuracy is ±10 μm.The result of field tests further show that the device has advantages of high precision,sensitivity,adaptability and stability.Using the measuring device for micro-variation of crop stem diameter can not only greatly improve the accuracy and automation level of crop moisture detection system,but also can effectively reduce the costs.The application prospect is broad.

Sensor; Transformer; Detection circuit; Irrigation; Stem diameter; Data collection

青島市民生科技計劃基金資助項目(16-6-2-35-nsh)、青島農業大學高層次人才啟動基金資助項目(1116003、1116004)

員玉良(1981—)，男，博士，講師，主要從事智能儀器與檢測系統方向的研究。E-mail:ylyun1981@163.com。 張健(通信作者)，男，博士，講師，主要從事伺服電機控制方向的研究。E-mail:zjflyingman@163.com。

TH71;TP216+.1

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201705020

修改稿收到日期：2017-01-19