專利名稱：基于力矩的生物量活體檢測裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及農作物生物量測量技術領域，特別是涉及一種基于力矩的生物量活體 檢測裝置及方法。
背景技術：
在農作物田間觀測的農藝參數中，生物量是反映作物生長狀況的重要指標。生物 量(biomass)是指某一時刻單位面積內實存生活的有機物質總量，狹義的生物量僅指以重 量表示的，可以是鮮重或干重。生物量是反映作物生長狀況的重要指標，與植株的抗逆性、 抗病性相關。一般情況下，生物量越大，產量越大。因此，在農作物育種過程中快速檢測生 物量對于篩選種質資源、優(yōu)化品種具有重要意義。傳統(tǒng)農作物生物量測定方法是將收割后的植株在室內烘干后測定其干重。這種方 法準確可靠，但具有破壞性，不利于在育種過程中使用。農作物的生物量與其種植密度、株 高、莖粗、葉片分布等相關。通過測定作物在外力的作用下的形變可以預測其生物量。在外力的作用下，其形 變與重量有一定關系。目前基于此原理的生物量檢測儀有兩種，即落盤式測定儀和擺式 計。落盤式測定儀(見非專利文獻，JerryH. Scrivner, D. MichaelCenter, Milton B.Jones,A Rising Plate Meter for Estimating Productionand Utilization, Journal of Range Management，1986，39 :475_477)主要用于牧草測量，它的基本原理是當具有一 定面積和質量的圓盤由上而下落到草地上時，由于牧草的支撐而使圓盤停留在距離地面的 一定高度上。圓盤所停留的高度是牧草受重力壓迫后的高度(簡稱壓縮高度)，這一高度既 與牧草生長高度有關，也與牧草的密度有關，即壓縮高度是草地植被自然高度和密度的函 數，可同時反映高度和密度2項指標。如果在測定牧草壓縮高度的同時也測定相應的牧草 產量，就可以建立二者的回歸關系。通過此回歸關系，即可將在相同草地測得的壓縮高度換 算成牧草產量。目前落盤式測定儀已由新西蘭WMC公司大量生產。德國農業(yè)工程研究所設計的一種擺式生物量檢測儀(見非專利文獻，D. Ehlert, V. Hammen, R. Adamek, On-line Sensor Pendulum-Meterfor Determination of Plant Mass, Precision Agriculture，2003，4，139-148)，也稱為擺式計(Pendulun-Meter) 它是 從側面對植物施加一定外力，使之發(fā)生形變，形變與重量也有關聯。打個比方，輕的物體容 易推動，而重的物體難以推動。該儀器在拖拉機前端懸掛一個擺桿，拖拉機在勻速前進過程 中擺桿接觸農作物，壓迫作物使之發(fā)生一定的形變，由于作物回彈力的作用，擺桿的角度發(fā) 生變化，角度變化與作物種植密度、高度、粗壯程度等密切相關，而這些因素與生物量之間 也有關聯，通過角度傳感器實時測定角度的變化，建立角度與生物量之間的模型，即可實時 測定生物量的大小，相關系數達0. 89，系統(tǒng)的測量速度在0. 5-3. 5m/s,該生物量測定儀已 經進入商業(yè)化生產。落盤式測定儀適于高密度低矮生長的植物，因而主要適于牧草生物量的測定，目
3前也主要用于人工割草地和人工放牧地的產量測定。落盤式測定儀只能單點測量，對于植 物不均勻的地塊，只能通過多點測量取均值的方法盡量減小誤差，難以對田間農作物進行 連續(xù)測量。德國的基于角度測量原理的生物量測定儀由于采用拖拉機作為平臺，數據采集部 分由置于駕駛室內的電腦實現，并且行進速度很快，僅適合于大田測量，比如作為精準施肥 中的作物長勢傳感器使用，難以滿足育種過程中小群體生物量測定的要求。擺式生物量測 定儀采用擺桿這一擺動部件，由于地面的不平整導致的拖拉機發(fā)生起伏，易使擺桿發(fā)生震 動，從而造成測量噪聲，影響測量結果的準確度。另外，擺式生物量測定儀要求拖拉機作勻 速運動，速度的不均性對測量結果的影響很大。

發(fā)明內容
(一)要解決的技術問題本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種基于力矩的生物量活體檢測裝置和方法，實 現育種過程中小塊區(qū)域內的農作物生物量活體無損測量。(二)技術方案為解決上述技術問題，提供一種依照本發(fā)明實施方式的基于力矩的生物量活體檢 測裝置，其包括傳感器模塊，包括力矩傳感器，用于獲取待測作物受到外力時的回彈特性，所述回 彈特性包括待測作物所受作用力相對于所述力矩傳感器的力矩；支撐模塊，所述傳感器模塊位于其上，用于支撐所述傳感器模塊；數據采集分析模塊，與所述傳感器模塊連接，用于根據傳感器模塊獲取的回彈特 性數據獲得待測作物的生物量。優(yōu)選地，所述傳感器模塊還包括觸桿和豎直的支桿，所述力矩傳感器與所述觸桿 通過所述支桿連接，所述觸桿和支桿通過套筒或螺釘固定。優(yōu)選地，所述支撐模塊包括兩塊固定在地面上并具有間隔的固定底板、分別垂直 設置于所述固定底板上的支架，以及垂直設置于所述支架上的水平導軌，所述力矩傳感器 可滑動地位于所述水平導軌上。優(yōu)選地，所述支架和水平導軌之間設置有斜筋。優(yōu)選地，在所述支桿上設置有若干安裝孔以調節(jié)所述觸桿與農作物接觸的相對位
置關系。優(yōu)選地，所述力矩傳感器為靜態(tài)扭矩傳感器。優(yōu)選地，所述數據采集分析模塊包括分析單元、存儲單元和顯示單元，分別用于回 彈特性數據的存儲、分析和顯示。本發(fā)明還提供了一種基于力矩的生物量活體檢測方法，其包括步驟Si，在測量區(qū)域內，當觸桿掃過待測作物時，利用力矩傳感器獲取觸桿和待測作物 之間的作用力相對于所述力矩傳感器的力矩；S2，數據采集分析模塊根據所述力矩傳感器采集到的力矩獲得該測量區(qū)域內的作 物的生物量數據，顯示并存儲所述生物量數據值；S3，計算測量區(qū)域所在地塊的生物量平均值及變化曲線。
優(yōu)選地，所述步驟S2包括生物量預測模型開發(fā)S2-1，選擇有代表性的作物樣品，包括不同地塊、不同品種、不同生育期的作物樣
P
m ；S2-2，利用生物量活體檢測裝置測定包括力矩的參數；S2-3，利用烘干法測定作物的生物量；S2-4，根據步驟S2-2和S2-3中獲得的數據，利用化學計量學方法建立力矩大小與 作物生物量之間的數學模型。 優(yōu)選地，所述步驟S2還包括S2-5，校正作物品種、生育期、土壤含水以及緊實度對所述數學模型的影響。(三)有益效果本發(fā)明提供的基于力矩的農作物生物量活體檢測裝置，相比于落盤式測定儀，可 進行連續(xù)測量，相比于擺式生物量測定儀，沒有擺動部件，沒有對掛載平臺勻速移動的要 求，具有便攜性，測量結果精確、可靠，特別適于育種過程中對小塊地的農作物生物量測量。 本發(fā)明也具有較強的適用性，本發(fā)明提供的檢測裝置，也可將傳感器模塊及數據采集系統(tǒng) 掛載在拖拉機上，實現大范圍測量，廣泛用于精準農業(yè)中灌溉、施肥、噴藥中的作物長勢信 息獲取。


圖1是依照本發(fā)明實施例的基于力矩的生物量活體檢測裝置的結構示意圖；圖2是依照本發(fā)明實施例的基于力矩的生物量活體檢測方法原理示意圖。其中，1 :支架；2 導軌；3 力矩傳感器；4 支桿；5 觸桿；6 小麥；7 固定底板； 8 斜筋；9 數據線；10 數據采集分析模塊。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施 例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。如圖1所示為依照本發(fā)明實施例的基于力矩的生物量活體檢測裝置的結構示意 圖，該裝置包括傳感器模塊、支撐模塊和數據采集分析模塊，傳感器模塊包括力矩傳感器3、 觸桿5和支桿4，所述力矩傳感器3與所述觸桿5通過所述支桿4連接，在所述支桿4上設 置有若干安裝孔以調節(jié)所述觸桿5與小麥6的相對位置關系，所述觸桿5和支桿4通過套 筒或螺釘固定；支撐模塊包括兩塊固定底板7，分別垂直設置于所述固定底板7上的支架1， 垂直設置于所述支架1上的水平導軌2，所述力矩傳感器3可滑動位于所述水平導軌2上， 所述支架1和水平導軌2之間設置有斜筋8 ；所述數據采集分析模塊包含生物量預測模型， 模型開發(fā)通過實驗及數據挖掘方法獲取，用于回彈特性數據的分析、存儲和顯示，還包括具 有模擬信號調理、A/D轉換功能的嵌入式平臺10及數據線9，數據線9用于連接所述傳感器 模塊和所述數據采集分析模塊。所述力矩傳感器3，根據育種實驗圃的地塊大小及測量尺寸要求，采用電阻應變式 靜態(tài)扭矩傳感器，其測量范圍為0-20N。所述支架1上設置有一系列安裝孔，可改變導軌2的安裝高度，支桿4上也有一系列安裝孔，可改變觸桿5在力矩傳感器3上的安裝位置，從而改變觸桿5與小麥莖桿的接觸 位置。觸桿5的長度根據實驗地的尺寸及每次測量的行數要求確定，可配置的長度為60cm、 80cm、100cm、120cm、150cm。觸桿5與支桿4之間采用套筒及螺釘固定，方便更換長度。各 部件的尺寸組成很多個組合，通過實驗選擇最佳組合用于實際農作物生物量的測量。針對 灌漿期的小麥，優(yōu)選后的尺寸組合為水平導軌2距離地面高度120cm，支桿4的安裝長度 70cm，觸桿5長度100cm。所述嵌入式軟硬件平臺采用MTK模塊，該模塊擁有豐富的擴展端口，比如無線數 據采集、控制等。該模塊自帶鋰電池不僅可為自身提供電源，還可通過擴展端口為扭矩傳感 器3供電。模塊支持TF卡擴展，擁有大量的數據存儲空間，并且?guī)нh程無線通訊和USB有 線數據傳輸功能，方便數據的傳輸。軟件平臺采用該模塊自帶的Nucleus實時嵌入式操作 系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)支持C語言和Java (J2ME)開發(fā)環(huán)境。在MTK平臺中內置小麥生物量預測 模型，在測量過程中實時顯示并存儲數據。如圖2所示為依照本發(fā)明實施例的基于力矩的生物量活體檢測方法原理示意圖。 當觸桿勻速或慢慢掃過農作物時，農作物側面受力發(fā)生形變，產生反作用力F，F產生沿支 桿的分力F’和垂直于支桿的分力，后者產生繞傳感器的扭矩M。不同生物量的農作物，其高 度、莖粗、種植密度不同，因而會產生不同的反作用力F，從而產生不同的分力F’和力矩M， 通過力矩傳感器測量M,并用標準的收割法測定生物量，即可建立生物量與M之間的函數關 系，從而實現生物量的無損測定。在實際測量時，所述生物量測量方法包括步驟S1，在測量區(qū)域內，當觸桿掃過待 測作物時，利用力矩傳感器獲取觸桿和待測作物之間的作用力相對于所述力矩傳感器的力 矩；S2，數據采集分析模塊根據所述力矩傳感器采集到的力矩及生物量預測模型獲得該測 量區(qū)域內的作物的生物量數據，顯示并存儲所述生物量數據值；S3，計算測量區(qū)域所在地塊 的生物量平均值及變化曲線。所述的小麥生物量預測模型開發(fā)的步驟為預先選擇有代表性的小麥樣品，包括 不同品種小麥、不同生育期的小麥，利用基于力矩的便攜式小麥生物量活體檢測裝置測定 力矩等參數，再用國標規(guī)定的烘干法準確測定小麥生物量，利用獲取的實驗數據，采用化學 計量學方法建立力矩大小與農作物生物量之間的數學模型，所述化學計量學方法包括線性 回歸、指數回歸、對數回歸、多項式回歸等，并校正不同品種小麥、不同生育期、不同土壤含 水及緊實度量等因素造成的影響，從而建立起包含這些影響因素的統(tǒng)計學模型，并覆蓋將 來的應用范圍。將建立的數學模型輸入到嵌入式平臺中，從而完成配套模型的完善，形成最 終的儀器。由以上實施例可以看出，本發(fā)明實施例提供的基于力矩的農作物生物量活體檢測 裝置，相比于落盤式測定儀，可進行連續(xù)測量，相比于擺式生物量測定儀，沒有擺動部件，沒 有對掛載平臺勻速移動的要求，具有便攜性，測量結果精確、可靠，特別適于育種過程中對 小塊地的農作物生物量測量。本發(fā)明也具有較強的適用性，本發(fā)明提供的檢測裝置，也可將 傳感器模塊及數據采集系統(tǒng)掛載在拖拉機上，實現大范圍測量，廣泛用于精準農業(yè)中灌溉、 施肥、噴藥中的作物長勢信息獲取。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型
6也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
一種基于力矩的生物量活體檢測裝置，其特征在于，所述檢測裝置包括傳感器模塊，包括力矩傳感器(3)，用于獲取待測作物受到外力時的回彈特性，所述回彈特性包括待測作物所受作用力相對于所述力矩傳感器(3)的力矩；支撐模塊，所述傳感器模塊位于其上，用于支撐所述傳感器模塊；數據采集分析模塊，與所述傳感器模塊連接，用于根據傳感器模塊獲取的回彈特性數據獲得待測作物的生物量。
2.如權利要求1所述的基于力矩的生物量活體檢測裝置，其特征在于，所述傳感器模 塊還包括觸桿(5)和豎直的支桿(4)，所述力矩傳感器(3)與所述觸桿(5)通過所述支桿 (4)連接，所述觸桿(5)和支桿(4)通過套筒或螺釘固定。
3.如權利要求2所述的基于力矩的生物量活體檢測裝置，其特征在于，所述支撐模塊 包括兩塊固定在地面并具有間隔的固定底板(7)、分別垂直設置于所述固定底板(7)上的 支架(1)，以及垂直設置于所述支架(1)上的水平導軌(2)，所述力矩傳感器(3)可滑動地 位于所述水平導軌(2)上。
4.如權利要求3所述的基于力矩的生物量活體檢測裝置，其特征在于，所述支架(1)和 水平導軌(2)之間設置有斜筋(8)。
5.如權利要求4所述的基于力矩的生物量活體檢測裝置，其特征在于，在所述支桿(4) 上設置有若干安裝孔以調節(jié)所述觸桿(5)與所述力矩傳感器(3)的相對位置關系。
6.如權利要求1-5任一項所述的基于力矩的生物量活體檢測裝置，其特征在于，所述 力矩傳感器(3)為靜態(tài)扭矩傳感器。
7.如權利要求1所述的基于力矩的生物量活體檢測裝置，其特征在于，所述數據采集 分析模塊包括分析單元、存儲單元和顯示單元，分別用于回彈特性數據的存儲、分析和顯
8.一種基于力矩的生物量活體檢測方法，其特征在于，所述檢測方法包括步驟Si，在測量區(qū)域內，當觸桿(5)勻速掃過待測作物時，利用力矩傳感器(3)獲取觸桿(5) 和待測作物之間的作用力相對于所述力矩傳感器(3)的力矩；S2，數據采集分析模塊根據所述力矩傳感器(3)采集到的力矩獲得該測量區(qū)域內的作 物的生物量數據，顯示并存儲所述生物量數據值；S3，計算測量區(qū)域所在地塊的生物量平均值及變化曲線。
9.如權利要求8所述的基于力矩的生物量活體檢測方法，其特征在于，所述步驟S2包 括生物量預測模型開發(fā)，具體為S2-1，選擇有代表性的作物樣品，包括不同地塊、不同品種、不同生育期的作物樣品； S2-2，利用如權利要求1-5、7任一項所述的生物量活體檢測裝置測定包括力矩的參數；S2-3，利用烘干法測定作物的生物量；S2-4，根據步驟S2-2和S2-3中獲得的數據，利用化學計量方法建立力矩大小與作物生 物量之間的數學模型。
10.如權利要求9所述的基于力矩的生物量活體檢測方法，其特征在于，所述步驟S2還 包括S2-5，校正作物品種、生育期、土壤含水以及緊實度對所述數學模型的影響。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于力矩的生物量活體檢測裝置，其包括傳感器模塊，包括力矩傳感器，用于獲取待測作物受到外力時的回彈特性；支撐模塊，所述傳感器模塊位于其上，用于支撐所述傳感器模塊；數據采集分析模塊，與所述傳感器模塊連接，用于根據傳感器模塊獲取的回彈特性獲得待測作物的生物量。本發(fā)明提供的基于力矩的農作物生物量活體檢測裝置，相比于落盤式測定儀，可進行連續(xù)測量，相比于擺式生物量測定儀，沒有擺動部件，沒有對掛載平臺勻速移動的要求，具有便攜性，測量結果精確、可靠，特別適于育種過程中對小塊地的農作物生物量測量。
文檔編號G01N19/00GK101881720SQ20101020648
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月12日 優(yōu)先權日2010年6月12日
發(fā)明者侯瑞鋒, 潘大宇, 王成, 趙春江, 高權 申請人:北京農業(yè)智能裝備技術研究中心