专利名称：一种农作物生物量测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种农作物生物量的快速测量方法，特别是涉及一种基于介电频谱的农作物生物量快速测量方法。
背景技术：
生物量(biomass)，或对植物专称植物量(phytomass)，是指某一时刻单位面积内实存生活的有机物质(干重)总量或鲜重总量，通常用kg/m2或t/ha表示。生物量的测定在农作物栽培和育种过程中具有重要意义。在农作物精细育种中，单株作物的生物量值可帮助育种学家了解作物的生长状态和光合作用效率，以获得优势作物类型；在农作物栽培过程中，通过作物的生物量测量，可推断作物长势，及时作出施肥、灌溉等决策。现有的生物量测量方法是收割法(参见非专利文献植被生物量的研究进展，西北农林科技大学学报(自然科学版)，36卷，第2期，175-182页)，其测量过程为将测量目标收割后，直接称其鲜重；再将作物在60°C -80°C烘箱中烘干M小时-72小时至恒重，以测量其干重。现有技术可以对农作物的生物量进行测定，但其有如下缺陷(1)不能在体对农作物生物量进行测量；( 测量过程具有不可恢复的破坏性；( 需对测量样本进行烘干处理，耗时长；(4)收割过程浪费大量的人力；( 由于是破坏性取样，故不适合时间上的动态观测研究。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是克服现有技术中需收割、烘干、称重测量农作物生物量的缺陷，实现对农作物生物量的在体、非损伤实时在线测量。( 二 )技术方案为了解决上述技术问题，本发明提供一种农作物生物量测量装置，其包括箱体，其一面设置为开口状，内部放置被测农作物样品；平行板电容器，设置在所述箱体相对的两个面上；信号发生模块，其两极分别与所述箱体两个面上的平行板电容器相连；温湿度传感器，设置在所述箱体顶部；信号调理与测量电路模块，分别与所述信号发生模块、所述平行板电容器和所述温湿度传感器连接。上述农作物生物量测量装置中，所述信号调理与测量电路模块包括电压调节电路单元，与所述信号发生模块连接，对所述信号发生模块产生的信号电压进行放大；信号调理电路单元，与所述平行板电容器连接，对所述平行板电容器的响应电压进行幅度转换以及模拟滤波；
数据采集单元，分别与所述信号调理电路单元和所述信号发生模块连接，采集所述信号调理电路单元模拟滤波后的模拟信号和所述信号发生模块产生的激励信号；中央处理器单元，分别与所述数据采集单元和所述温湿度传感器连接，根据所述数据采集单元采集的信号和所述温湿度传感器所测的被测农作物样品的温度值，确定被测农作物样品的生物量。上述农作物生物量测量装置中，所述平行板电容器周边设置有屏蔽层，平行板电容器与屏蔽层之间由绝缘材料隔开。上述农作物生物量测量装置中，所述平行板电容器为铝板，所述屏蔽层为铜丝。本发明还提供了一种基于上述测量装置的农作物生物量测量方法，其包括以下过程Sl 由信号发生模块产生两路激励信号，分别传送给平行板电容器和信号调理与测量电路模块；S2:所述平行板电容器将所接收的激励信号形成扫频激励电压，使箱体内的被测农作物样品周围激发扫频电场；S3:所述信号调理与测量电路模块的信号调理电路单元对所述平行板电容器的响应电压进行幅度转换以及模拟滤波；S4:所述信号调理与测量电路模块的数据采集单元采集所述信号调理电路单元输出的信号，获得所述扫频电场中被测农作物样品的介电常数和衰减系数，并传送至所述信号调理与测量电路模块的中央处理器单元；S5:所述中央处理器单元根据所述信号发生模块产生的激励信号和所述数据采集单元传送的信号、以及温湿度传感器所获得的被测农作物样品的温湿度信号，获得介电常数和衰减系数与被测农作物样品的生物量的关系，依此来确定被测农作物样品的生物量。上述农作物生物量测量方法中，所述过程Sl中，所述信号发生模块采用直接数字频率合成芯片产生交流激励信号。上述农作物生物量测量方法中，所述过程S4中，被测农作物样品的介电常数的获得方法具体为(1)将被测农作物样品及其周围的空气等效为一个等效电路，其中所述信号发生模块产生的激励信号作为扰动函数，所述平行板电容器的响应电压作为响应信号；(2)根据所述扰动函数和响应信号建立频响函数，作为所述等效电路的阻抗；(3)根据所述等效电路的阻抗的实部、虚部、模值和相位角，获得被测农作物样品的介电常数。上述农作物生物量测量方法中，所述过程S4中，被测农作物样品的衰减系数的获得方法具体为(1)确定所述箱体内未放置被测农作物样品的扫频电场的衰减系数Ktest ；(2)确定所述箱体内放置被测农作物样品的扫频电场的衰减系数Kspare ；(3)确定被测农作物样品的衰减系数Ksample = Ktest-Kspace0上述农作物生物量测量方法中，所述过程S5中，确定被测农作物样品(7)的生物量的具体过程为(1)使用若干个质量互不相等的盛水容器作为水样本置于箱体内，在100-700KHZ频段内进行扫频测量，获得分辨所述若干个水样本的频率点；(2)在所获得的频率点处，将被测农作物样品置于箱体内进行扫频测量，获得此时的衰减系数；(3)依次切割掉被测农作物样品的一部分，并获得相对应的衰减系数，同时对每次所切割掉的部分被测农作物样品进行烘干称重；(4)结合所获得的生物量干重及其对应的衰减系数，以及温湿度传感器测得的被测农作物样品的温湿度值，建立农作物生物量与衰减系数的关系，从而确定被测农作物样品的生物量；(5)根据所测的介电常数、以及所建立的衰减系数与被测农作物样品的生物量的关系，获得介电常数和衰减系数与被测农作物样品的生物量关系，以此来确定被测农作物样品的生物量。(三)有益效果上述技术方案具有如下优点通过在被测样品周围施加扫频电场，测量其介电特性的方式，本发明可在不收割农作物的情况下，快速测量单株或多株农作物的生物量(干重和鲜重)；本发明装置简单便携，适合于田间应用，极大程度节约了人力、物力和时间，进一步，本发明还可改造为在线连续农作物生物量监测系统，对田间农作物生物量进行连续监测。
图1是本发明农作物生物量测量装置示意图；图2是本发明农作物生物量测量装置原理图；图3是本发明农作物生物量测量中阻抗分析装置原理图。其中，1 箱体；2 测量线缆；3 信号发生模块；4 信号调理与测量电路模块；5 接地线缆；6 平行板电容器；7 被测农作物样品；8 温湿度传感器。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。本发明提供的基于介电频谱特性的农作物在体生物量测量装置和方法，其测量机理为植物体中氢原子的状态与生物量有直接联系。以离子形式存在的氢元素，与植物体内的水分成线性关系；而扣除水分后的氢含量，可以直接反应植物的干重，即其有机成分。介电特性是指分子中的束缚电荷对外加电场的响应特性。物质的介电参数不是恒值，它们受频率、温度、极化特性、压力、材料组成成分、分子结构等因素的影响。因此，当将介电特性与农作物的含氢量相联系时，可以利用介电参数获得农作物的生物量。图1和图2分别示出了本发明测量装置的示意图和原理图。如图所示，农作物生物量测量装置主要包括箱体1，平行板电容器6，信号发生模块3，信号调理与测量电路模块4以及温湿度传感器8。箱体1 一端开口，其相对的两侧设置平行板电容器6，顶部设置温湿度传感器8，信号发生模块3通过测量线缆2与平行板电容器6两极相连，信号调理与测量电路模块4通过接地线缆5分别与与信号发生模块3、平行板电容器6和温湿度传感器8连接。信号调理与测量电路模块4包括电压调节电路单元，与信号发生模块3连接，对信号发生模块3产生的信号电压进行放大；信号调理电路单元，与平行板电容器6连接，对平行板电容器6的响应电压进行幅度转换以及模拟滤波；数据采集单元，分别与信号调理电路单元和信号发生模块3连接，采集信号调理电路单元模拟滤波后的模拟信号和信号发生模块3产生的激励信号；中央处理器单元，分别与数据采集单元和温湿度传感器8连接， 根据数据采集单元采集的信号和温湿度传感器8所测的被测农作物样品的温度值，确定被测农作物样品的生物量。其中，平行板电容器6是将薄板型材料夹在两个电极之间形成的电容器，处于正常生长状态的被测农作物样品7被置于平行板电容器6中，并影响电容器的介电常数和衰减因数。信号发生模块3在平行板电容器6两端形成扫频激励电压，从而在被测农作物样品7的周围激发扫频电场。信号发生模块3即激励信号源采用直接数字频率合成(DDQ芯片产生交流激励信号。在被测农作物样品7周围形成频率变化的电场后，信号调理与测量电路模块4的信号调理电路单元对平行板电容器6的响应电压进行转换调理。经高带宽、低噪声的结型场效应管型输入缓冲器、增益1-64可变的程控放大器将信号转换为幅度为IV左右的信号，并进行模拟滤波。接着，数据采集单元对调理后的模拟信号进行高速数据采集。信号发生模块 3选用现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)来产生激励信号，FPGA 在产生激励信号的同时同步产生数字定时信号作为模数转换器(ADC)的触发信号。中央处理器单元选用高速数字信号处理器(Digital Signal Processing, DSP)芯片，实时处理采集到的数字信号。同时，温湿度传感器8实时测量平行板电容器6中被测农作物样品7的温度，并将数字化的温度值发送到中央处理器单元。在测量过程中，中央处理器单元协调各部分运作，实时处理数据，获得被测农作物样品7生物量数值。在上述技术方案中，信号发生模块3在一定频率范围内，扫频输出高精度信号波形，以便在平行板电容器6两端形成扫频电场；信号调理与测量电路模块4在扫频电场中， 对响应电压进行转换调理，输出可被ADC采集的电压信号，并可得到扫频电场中的介电常数和衰减系数；作为中央处理器的DSP芯片实时处理ADC采集到信号，经计算得到衰减量的值，由实验得到的衰减量和生物量的测量关系得到被测农作物样品7的生物量(干重和鲜重)。本发明方法所依据的理论依据包括，在300-700KHZ的频段中的每一个频率点，均可测量电容器的介电常数ε。同时，信号发生模块3形成的激发电场经过被测农作物样品 7后会有衰减效应。如果定义为初始激发电场，Εω为终端测得电场，那么，可以得到电场的衰减系数K:
权利要求
1.一种农作物生物量测量装置，其特征在于，包括箱体(1)，其一面设置为开口状，内部放置被测农作物样品(7)；平行板电容器(6)，设置在所述箱体(1)相对的两个面上；信号发生模块(3)，其两极分别与所述箱体(1)两个面上的平行板电容器(6)相连；温湿度传感器(8)，设置在所述箱体(1)顶部；信号调理与测量电路模块G)，分别与所述信号发生模块(3)、所述平行板电容器(6) 和所述温湿度传感器( 连接。
2.如权利要求1所述的农作物生物量测量装置，其特征在于，所述信号调理与测量电路模块⑷包括电压调节电路单元，与所述信号发生模块C3)连接，对所述信号发生模块C3)产生的信号电压进行放大；信号调理电路单元，与所述平行板电容器(6)连接，对所述平行板电容器(6)的响应电压进行幅度转换以及模拟滤波；数据采集单元，分别与所述信号调理电路单元和所述信号发生模块C3)连接，采集所述信号调理电路单元模拟滤波后的模拟信号和所述信号发生模块C3)产生的激励信号；中央处理器单元，分别与所述数据采集单元和所述温湿度传感器(8)连接，根据所述数据采集单元采集的信号和所述温湿度传感器(8)所测的被测农作物样品(7)的温度值， 确定被测农作物样品(7)的生物量。
3.如权利要求1所述的农作物生物量测量装置，其特征在于，所述平行板电容器(6)周边设置有屏蔽层，平行板电容器(6)与屏蔽层之间由绝缘材料隔开。
4.如权利要求3所述的农作物生物量测量装置，其特征在于，所述平行板电容器(6)为铝板，所述屏蔽层为铜丝。
5.一种基于权利要求1-4中任一项所述的测量装置的农作物生物量测量方法，其特征在于，包括以下过程·51由信号发生模块C3)产生两路激励信号，分别传送给平行板电容器(6)和信号调理与测量电路模块⑷；·52所述平行板电容器(6)将所接收的激励信号形成扫频激励电压，使箱体(1)内的被测农作物样品(7)周围激发扫频电场；·53所述信号调理与测量电路模块的信号调理电路单元对所述平行板电容器(6) 的响应电压进行幅度转换以及模拟滤波；·S4:所述信号调理与测量电路模块(4)的数据采集单元采集所述信号调理电路单元输出的信号，获得所述扫频电场中被测农作物样品(7)的介电常数和衰减系数，并传送至所述信号调理与测量电路模块的中央处理器单元；·S5 所述中央处理器单元根据所述信号发生模块( 产生的激励信号和所述数据采集单元传送的信号、以及温湿度传感器( 所获得的被测农作物样品(7)的温湿度信号，获得介电常数和衰减系数与被测农作物样品(7)的生物量的关系，依此来确定被测农作物样品 (7)的生物量。
6.如权利要求5所述的农作物生物量测量方法，其特征在于，所述过程Sl中，所述信号发生模块C3)采用直接数字频率合成芯片产生交流激励信号。
7.如权利要求5所述的农作物生物量测量方法，其特征在于，所述过程S4中，被测农作物样品(7)的介电常数的获得方法具体为(1)将被测农作物样品(7)及其周围的空气等效为一个等效电路，其中所述信号发生模块C3)产生的激励信号作为扰动函数，所述平行板电容器(6)的响应电压作为响应信号；(2)根据所述扰动函数和响应信号建立频响函数，作为所述等效电路的阻抗；(3)根据所述等效电路的阻抗的实部、虚部、模值和相位角，获得被测农作物样品(7) 的介电常数。
8.如权利要求5所述的农作物生物量测量方法，其特征在于，所述过程S4中，被测农作物样品(7)的衰减系数的获得方法具体为(1)确定所述箱体(1)内未放置被测农作物样品(7)的扫频电场的衰减系数Ktest；(2)确定所述箱体(1)内放置被测农作物样品(7)的扫频电场的衰减系数Kspare；(3)确定被测农作物样品(7)的衰减系数Ksample= Ktest-Kspace0
9.如权利要求8所述的农作物生物量测量方法，其特征在于，所述过程S5中，确定介电常数和衰减系数与被测农作物样品(7)的生物量关系的具体过程为(1)使用若干个质量互不相等的盛水容器作为水样本置于箱体(1)内，在100-700KHZ 频段内进行扫频测量，获得分辨所述若干个水样本的频率点；(2)在所获得的频率点处，将被测农作物样品(7)置于箱体(1)内进行扫频测量，获得此时的衰减系数；(3)依次切割掉被测农作物样品(7)的一部分，并获得相对应的衰减系数，同时对每次所切割掉的部分被测农作物样品(7)进行烘干称重；(4)结合所获得的生物量干重及其对应的衰减系数，以及温湿度传感器( 测得的被测农作物样品(7)的温湿度值，建立农作物生物量与衰减系数的关系，从而确定被测农作物样品(7)的生物量；(5)根据所测的介电常数、以及所建立的衰减系数与被测农作物样品(7)的生物量的关系，获得介电常数和衰减系数与被测农作物样品(7)的生物量关系，以此来确定被测农作物样品(7)的生物量。
全文摘要
本发明公开了一种农作物生物量测量装置和方法，通过对位于平行板电容器中的被测农作物样品施加扫频电场，测量其在一定温度、湿度条件下的介电特性，并通过建立介电常数、衰减系数与农作物生物量的相关模型，来完成对农作物生物量的检测。本发明可在不收割农作物的情况下，快速测量单株或多株农作物的生物量；本发明装置简单便携，适合于田间应用，极大程度节约了人力、物力和时间，进一步，本发明还可改造为在线连续农作物生物量监测系统，对田间农作物生物量进行连续监测。
文档编号G01G7/00GK102169008SQ20101058274
公开日2011年8月31日 申请日期2010年12月7日 优先权日2010年12月7日
发明者乔晓军, 侯瑞锋, 朱大洲, 毕昆, 王成 申请人:北京农业智能装备技术研究中心