專利名稱：一種基于激光熱脈沖的植物莖流及蒸騰耗水檢測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種植物莖流及蒸騰耗水檢測裝置，尤其是涉及一種基于激光熱脈沖的植物莖流及蒸騰耗水檢測裝置。
背景技術：
植物的生長離不開水，水在植物-大氣-土壤中進行循環(huán)，一方面保證了植物的生命活動，維持了生態(tài)的平衡和發(fā)展，另一方面也是生命活動的結果。
我國是水資源十分匱乏的農業(yè)大國，農業(yè)用水量占總耗水量的70%，因此在保證農業(yè)穩(wěn)產、高產的前提下，大力發(fā)展節(jié)水灌溉實現(xiàn)水資源的合理利用，變豐水高產為節(jié)水高產，是一項十分緊迫而重要的任務。
長期以來，人們把土壤含水量或大氣的相對濕度作為控制農作物灌溉的指標，但它畢竟是一個間接指標，對反映作物的缺水比較遲鈍、滯后，且精度低。因此科研人員一直在尋求一種植物生理需水信息作為反映植物缺水的直接指標，以便得到比較靈敏、迅速和精確的信息。有了可靠的需水信息，就能做到在植物需水時，及時、適度地灌溉，這是節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)設計的基礎。
植物從土壤中吸收水分，同時又向大氣中蒸發(fā)水分，植物體內的水分以氣態(tài)散失到大氣中的過程，稱為蒸騰作用。通常植物從土壤中吸收的水分只有極少數(shù)用于體內物質代謝——約占1. 5 2%，絕大部分以蒸騰的方式散失。為了實現(xiàn)節(jié)水灌溉，必然要涉及到作物蒸散量的測定，在許多情況下要求將作物總蒸散量分解為蒸騰與蒸發(fā)兩部分。一般認為作物的蒸騰是完成作物正常生理過程所必需的，而農田蒸發(fā)過程只是作物蒸騰過程中伴隨的不可避免的無效水分損失。單純蒸騰的測定是比較困難的，現(xiàn)有的實際測定農田水分消耗的方法，注入水量平衡法，能量平衡波文比發(fā)，稱重式蒸滲儀法以及渦度相關法都只能測定農田蒸散總量，而無法將之分解為蒸騰與蒸發(fā)兩部分。
由于植物蒸騰作用引起的莖內液流的上升，稱之為莖流。莖流量等于莖流速度與植物導管面積的乘積，而導管的面積變化是極其緩慢的，在一段時間內可以認為是一個常數(shù)，因此通過測定植物的莖流速度就可以得出植物的蒸騰量，從而為植物-大氣-土壤連續(xù)系統(tǒng)提供一種水分測量的方法；莖流作為一種水分生理指標，比土壤水分更適用于監(jiān)視作物的生理過程，指導農田精量灌溉。
目前對植物莖流的測定方法有重量法及熱量法等許多種。熱量法是利用安裝在植株莖部的熱源發(fā)生器和探測器測定莖流的方法。熱量法莖流測試技術可根據(jù)測量原理分為兩大類別熱波速法和熱平衡法。
熱波速法(Heat Plus Velocity)，其基本原理是向電加熱元件通以短暫即逝的電流，產生熱脈沖波動，在加熱點的上或者下游放置溫度檢測元件，記錄莖稈監(jiān)測點處的溫度變化曲線，根據(jù)熱力學的擴散模型，推導液流速度及液流量。根據(jù)不同的檢測方法以及擴散模型，又分為熱脈沖法、熱擴散法和熱場變形幾種。此類方法在檢測過程中，熱源和檢測元件均需侵入植物莖內。其不足之處在于1)要在植物的莖部打孔以便放入熱源和檢測裝
3置；改變了植物本身的莖流狀態(tài)；幻在安裝的時候很容易使得加熱器和探針不能夠很好的對準，從而影響測量結果；3)加熱的過程中可能導致木質部失去活性，從而影響測的結果的準確性。
熱平衡法(Thermal Heat Balance)，其工作原理是向電加熱元件通以穩(wěn)定持久的電流，產生持久的熱量輸入，輸入熱量會被流動的莖液帶走，同時還會像周圍空間輻射， 根據(jù)熱擴散的模型，計算出被莖液帶走的熱量和向周圍空間擴散的熱量，根據(jù)莖液帶走的熱量等可以推算出莖稈內液體流速和流量。此類方法的難點在于熱擴散的模型的建立及其模型的準確性等。
目前熱脈沖植物莖流測量產品全部為進口產品，在國內市場上主要由格林斯潘和澳大利亞英聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織(CSIRO)聯(lián)合研制開發(fā)的SF系列莖流傳感器，澳大利亞ICT公司產的HRM熱比率法莖流探頭。其特點 第一所有的產品均采用接觸時的傳熱方式，有一些甚至是要將加熱和檢測元件通過打孔的方式將元件埋入植物內部，這顯然破壞了植物的正常生理，使采集到的數(shù)據(jù)不能反映植物的正常生理狀況。第二，采用的方法是通過測量檢測點熱脈沖熱擴散曲線的變化，計算出熱波動速度，再對熱波動速度進行二次三項式或三次三項式回歸和修正，才能獲得莖流流速。第三現(xiàn)有的產品主要適用于果林等木本植物，測定草本植物存在燒傷莖稈的問題，受分辨率的限制，該問題也不能通過減少加熱量解決；另外，進口產品價格昂貴。

發(fā)明內容
本實用新型的目的在于提供一種基于激光熱脈沖的植物莖流及蒸騰耗水檢測裝置。
為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術方案是 本實用新型包括大功率激光器、兩個紅外測溫儀、電子天平、USB數(shù)據(jù)采集卡、PC 計算機、兩個透鏡和光闌；將待測植物的花盆用密封袋進行密封后置于電子天平上，大功率激光器的激光經光闌和兩個透鏡照射，將光匯集到待測植物莖部的加熱點上，大功率激光器、光闌和兩個透鏡同軸安裝在支架上，一個紅外測溫儀設置在加熱點上，另外一個紅外測溫儀設置在加熱點上側，USB數(shù)據(jù)采集卡分別與兩個紅外測溫儀、大功率激光器和PC計算機連接。
所述的大功率激光器的紅外光功率為5W，波長為808nm。
本實用新型具有的有益效果是 1、本實用新型因為采用無接觸式的激光熱脈沖發(fā)生器和無接觸式的紅外測溫裝置，大大降低了對植物生理的影響，并且激光在時間和空間上具有更好的可控性，因此測得結果更能反應植物的生理特征；由于將激光通過透鏡調節(jié)耦合到加熱點上，使得安裝和維護比光纖的方式更為方便；采用電子天平實時顯示植物的蒸騰耗水，對建立植物莖流流速與蒸騰耗水之間的數(shù)學模型更為方便。
2、進行植物莖流檢測的熱脈沖采用大功率激光器取代金屬絲或光纖等加熱方式， 大功率激光可瞬時放出空間離散且數(shù)量一致的能量束。采用激光熱脈沖的方式避免了金屬加熱電阻絲與植物體相接觸而產生的干擾問題，并且與金屬絲加熱器相比，大功率激光器在時間和空間上的可控性能更好；與光纖相比，該裝置通過透鏡直接將光束聚集到加熱部位，省去了光纖耦合器和光纖等裝置。
3、對溫度的檢測采用紅外測溫的方式取代了普遍使用的接觸式的熱敏電阻或熱電偶的方式，實現(xiàn)無接觸、無插入式的檢測溫度方式，在不接觸植物莖干的情況下即可進行實時測量，從而避免了因接觸壓迫造成的干擾和誤差。
通過PC計算機的程序，可以調整對電子天平以及數(shù)據(jù)采集卡的采集頻率，莖流的計算方法等，進行系統(tǒng)相關參數(shù)的調整。從而得到更精確的數(shù)學模型。

圖1是本實用新型的結構原理圖。
圖2是本實用新型的加熱和溫度檢測部分結構圖。
圖中1、大功率激光器，2、光闌，3、第一透鏡，4、第二透鏡，5、待測植物，6、密封袋， 7、花盆，8、電子天平，9、支架，10、第一紅外測溫儀，11、第二紅外測溫儀，12、USB數(shù)據(jù)采集卡，13、PC計算機。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
如圖1所示，本實用新型包括大功率激光器1、兩個紅外測溫儀10，11、電子天平8、 USB數(shù)據(jù)采集卡12、PC計算機13、兩個透鏡3，4和光闌2 ；將待測植物5的花盆7用密封袋 6進行密封后置于電子天平8上，大功率激光器1的激光經光闌2和第一透鏡3和第二透鏡4照射，將光匯集到待測植物5莖部的加熱點上，大功率激光器1、光闌2和第一透鏡3和第二透鏡4同軸安裝在支架9上，第一紅外測溫儀10設置在加熱點上，第二紅外測溫儀11 設置在加熱點上側(lcm-2cm)，USB數(shù)據(jù)采集卡12分別與兩個紅外測溫儀、大功率激光器1 和PC計算機13連接。
采用大功率激光器1產生的激光熱脈沖作為熱源、兩個紅外測溫儀10、11作為溫度檢測裝置實現(xiàn)非接觸式的加熱和檢測方式；通過將待測植物5的花盆7進行密封，避免了土壤的蒸散耗水，從而將土壤蒸散與待測植物蒸騰耗水量區(qū)分開，以電子天平8稱重的方式來獲取待測植物的蒸騰耗水量。電子天平通過COM 口與PC計算機13相連，兩個紅外測溫儀10、11和大功率激光器1通過USB數(shù)據(jù)采集卡12與PC計算機13相連。
所述的大功率激光器是用激光二極管產生功率為5W，波長為808nm的紅外光，通過調節(jié)光闌2的空隙間距進行功率調節(jié)，從而保證適量的熱量投向待測植物，穿過光闌的激光再經過兩個透鏡3、4的調節(jié)，將光匯集到待測植物的加熱點上，利用紅外光的熱效應， 加熱待測植物的莖部，從而將熱脈沖耦合到莖內的液流上，為了提高熱量的耦合效果，將待測植物的加熱點上涂成黑色，以增強熱量的傳遞效果，以熱脈沖作為示蹤源。
用于檢測溫度的兩個紅外測溫儀10、11，一個用于檢測激光加熱點的溫度，另外一個用于檢測激光加熱點上側(莖流下游處)的溫度。記錄加熱點和加熱點上部某處的溫度變化曲線，通過兩條溫度變化曲線計算待測植物莖中熱脈沖的傳播速度。
數(shù)據(jù)采集卡12用于控制激光的產生時刻及持續(xù)時間，同時用于采集紅外測溫儀 IOUl的輸出信號。
電子天平8用于檢測盆栽待測植物的耗水量，因為花盆7被放置在密封袋中，因此通過土壤蒸散的水分被保存在密封袋中，對重量沒有什么影響，所以引起重量變化的就只有待測植物的蒸騰了，電子天平8通過COM 口與PC計算機13相連，蒸騰耗水量可以實時采集到電腦中。
如圖2所示，本實用新型對待測植物側的加熱和檢測裝置由激光熱脈沖和紅外測溫儀兩部分構成。激光熱脈沖部分通過透鏡的調節(jié)可以直接將光耦合到待測植物加熱點上，將待測植物5的加熱點涂上黑色是為了增強傳熱效果；激光的產生受USB數(shù)據(jù)采集卡 12的控制，激光發(fā)生器得電后，即可產生光脈沖，通過調節(jié)光闌7的空隙間距可以調節(jié)對待測植物莖部的加熱量，對待測植物進行局部加熱。加熱點的液流受到加熱后便會向周圍傳到擴散，因為蒸騰作用的存在，在待測植物體內主要是沿著莖的方向向上傳遞。當攜帶此熱脈沖的液流向上擴散時，位于加熱點上側的紅外測溫儀10、11時就產生相應的輸出曲線， 兩個紅外測溫儀的輸出曲線，反映了待測植物莖中熱脈沖的傳播速度。熱脈沖的傳播速度反映了待測植物莖中水分流動的速度，而水分流速與植物加熱點處面積的乘積就是可以得到蒸騰耗水量的理論值。
所得到的耗水量的理論值與實際電子天平稱出的水量進行擬合，得到正確的比例系數(shù)K。
待測植物的蒸騰耗水與莖流之間的關系如公式所示，即蒸騰耗水量與莖流的速度有關，根據(jù)公式推導出蒸騰耗水量(^ !!^與Viyw之間的關系表達式。從而達到通過熱脈沖傳播速度估算待測植物蒸騰耗水量的目的。
Q^fi7K=KXViwwXS K 比例系數(shù) S 加熱點處待測植物莖的橫截面積。
權利要求1.一種基于激光熱脈沖的植物莖流及蒸騰耗水檢測裝置，其特征在于包括大功率激光器、兩個紅外測溫儀、電子天平、USB數(shù)據(jù)采集卡、PC計算機、兩個透鏡和光闌；將待測植物的花盆用密封袋進行密封后置于電子天平上，大功率激光器的激光經光闌和兩個透鏡照射，將光匯集到待測植物莖部的加熱點上，大功率激光器、光闌和兩個透鏡同軸安裝在支架上，一個紅外測溫儀設置在加熱點上，另外一個紅外測溫儀設置在加熱點上側，USB數(shù)據(jù)采集卡分別與兩個紅外測溫儀、大功率激光器和PC計算機連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于激光熱脈沖的植物莖流及蒸騰耗水檢測裝置，其特征在于所述的大功率激光器的紅外光功率為5W，波長為808nm。
專利摘要本實用新型公開了一種基于激光熱脈沖的植物莖流及蒸騰耗水檢測裝置。將待測植物的花盆進行密封后置于電子天平上，激光經光闌和兩個透鏡照射將光匯集到待測植物莖部的加熱點上，一個紅外測溫儀設置在加熱點上，另外一個設置在加熱點上側，USB數(shù)據(jù)采集卡分別與兩個紅外測溫儀、大功率激光器和PC計算機連接。采用無接觸式的激光熱脈沖發(fā)生器和無接觸式的紅外測溫裝置，大大降低了對植物生理的影響，并且激光在時間和空間上具有更好的可控性，因此測得結果更能反應植物的生理特征；由于將激光通過透鏡調節(jié)耦合到加熱點上，使得安裝和維護比光纖更為方便；采用電子天平實時顯示植物的蒸騰耗水，對建立植物莖流流速與蒸騰耗水之間的數(shù)學模型更為方便。
文檔編號G01G17/04GK201984079SQ20112004692
公開日2011年9月21日 申請日期2011年2月24日 優(yōu)先權日2011年2月24日
發(fā)明者王劍平, 張付杰, 蓋玲 申請人:浙江大學