树干水分分布监测装置及方法

1.本技术涉及农业科学技术领域，具体涉及一种树干水分分布监测装置及方法。


背景技术：

2.传统的树干水分监测方法主要包括热电偶湿度计法、压力室测定法、细胞液浓度、植物茎流速率、伽马射线密度测定法和磁共振成像等。但这些方法存在成本高、测量时间滞后、对人体有辐射等一系列缺点。近年来，时域反射传感器(tdr)和频域反射传感器(fdr)先后被尝试用于测量树干水分变化。时域反射法是常用的体积含水率检测方法，该方法通过测量电磁脉冲在传输线上的入射和反射时间差来反演被测物介电常数，再根据经验公式得到含水率值。驻波率法起初用在土壤含水率测量，后来用于活立木树干体积含水率测量。但这两种方法的传感器探头一般是探针式的，且探针长度较短，只测量木质部边材的水分。
3.如果探针太长，刺入心材，则测量结果其实是两者含水率的平均值，对于边材和心材来说都不精确，而人为区分边材含水率和心材含水率分别测量，对于大多数普通林业工作者都比较复杂，可操作性不强。除此之外，由于树木不同方向的木质部生长的速度不同，位于南侧的木质部导管系统发达通畅，且南侧的树冠太阳辐射时间长，会导致树干相同高度上不同方位的木质部水分不一致，尤其是南北差异大。因此，传统探针式只能定点测量树干木质部边材的水分，从而导致树干水分测量准确性差。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供一种树干水分分布监测装置及方法，用以解决树干水分测量准确性差的技术问题。
5.本技术实施例提供一种树干水分分布监测装置，包括箱体；所述箱体内设有输送机构和介电测量模块；所述输送机构和所述介电测量模块连接；
6.所述输送机构用于驱动所述介电测量模块的一端在树干内部移动；
7.所述介电测量模块用于获取所述树干内部的水分分布信息。
8.在一个实施例中，所述介电测量模块包括传感器和传感器探头；
9.所述传感器和所述传感器探头通过传输线连接；
10.所述传感器探头用于在所述树干内部移动，以获取所述树干内部的水分分布信息。
11.在一个实施例中，所述传感器探头包括用于作为发射极的第一金属环和用于作为接收极的第二金属环；
12.所述第一金属环与所述第二金属环配合构造出闭环电磁场。
13.在一个实施例中，所述输送机构包括步进电机、联轴器、滑块、丝杠和多个光轴；
14.所述步进电机经所述联轴器与所述丝杠连接；
15.所述丝杠与多个所述光轴穿过所述滑块；所述丝杠用于驱动所述滑块移动；
16.所述滑块与所述介电测量模块连接，用于带动所述介电测量模块移动。
控制电路；116-电池组；夹具-117；
41.1110-步进电机；1111-联轴器；1112-滑块；1113-丝杠；1114-光轴；1115-步进电机座；1116-光轴支撑件；1117-限位开关；
42.1120-传感器；1121-传感器探头；1122-传输线；
43.120-树干；130-塑料管。
具体实施方式
44.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
45.参考图1至图3所示，本技术实施例提供一种树干水分分布监测装置100，包括箱体110；所述箱体110内设有输送机构111和介电测量模块112；所述输送机构111和介电测量模块112连接；所述输送机构111用于驱动所述介电测量模块112的一端在树干120内部移动；所述介电测量模块112用于获取所述树干120内部的水分分布信息。
46.需要说明的是，树干120内部预先安装有塑料管130(如pc管，pvc管)，用于供介电测量模块112在树干120内部移动，其中，塑料管130不会影响树木的正常生长。例如，选取树干120的测量位置，量取直径，按照直径截取塑料管130合适的长度，然后在树干120的南北方向上打孔，将塑料管130放入孔中。塑料管130的长度可根据树木的直径确定，大于树木直径即可，树干120一般是指直径在10cm以上的树木。
47.在树干120内部安装塑料管130后，箱体110内的输送机构111可以驱动介电测量模块112的一端在树干120内部的塑料管130移动，然后获取介电测量模块112的测量信息(如电压信息)，基于测量信息与树干120含水量的关联信息确定树干120内部的水分分布信息。可以理解的是，介电测量模块112的一端在树干120内部的塑料管130移动时，介电测量模块112产生的外边缘电磁场与被测树干120构成一个电容，其电容值与树干120含水量呈正比。因此，在获得树干120的水分标定方程后，实时检测电容阻抗的变化，并通过测量的电压值反映这种变化，可间接获得树干120的水分。
48.本技术实施例通过输送机构111可以驱动介电测量模块112的一端在树干120内部的塑料管130移动，可以实时检测树干120木质部心材和边材的水分及分布，同时可以获取树干120水平方向上木质部不同位置的水分差异，从而提高树干120水分分布监测的准确性。
49.在上述实施例的基础上，所述介电测量模块112包括传感器1120和传感器探头1121；所述传感器1120和所述传感器探头1121通过传输线1122连接；所述传感器探头1121用于在所述树干120内部移动，以获取所述树干120内部的水分分布信息。
50.具体地，介电测量模块112包括传感器1120和传感器探头1121，传感器1120和传感器探头1121通过传输线1122连接，例如，传感器1120与传感器探头1121通过同轴线连接，同轴线外通过线管固定。传感器探头1121用于在树干120内部的塑料管130中移动，以获取树干120内部的水分分布信息。
51.需要说明的是，传感器1120的电路由100mhz振荡器和电容检测电路两部分组成，
并且内置数字温度传感器ds18b20，用于检测板载温度，校正传感器1120的温度效应。
52.本技术实施例通过传感器探头1121在树干120内部的塑料管130中移动，可以实时检测树干120木质部心材和边材的水分及分布，同时可以获取树干120水平方向上木质部不同位置的水分差异，从而提高树干120水分分布监测的准确性。
53.在上述实施例的基础上，所述传感器探头1121包括用于作为发射极的第一金属环和用于作为接收极的第二金属环；所述第一金属环与所述第二金属环配合构造出闭环电磁场。
54.具体地，传感器探头1121由两个相同的金属环组成，金属环之间预设间隔距离，例如传感器探头1121电极由两个外径9.5mm，壁厚0.5mm，宽2mm的黄铜环组成，作为传感器1120的传感器1120电极，铜环间距为2mm，传感器探头1121的总长度为6mm，两个铜环一个作为发射极一个作为接收极，形成一个闭环电磁场。
55.需要说明的是，需要预先设定传感器1120移动的移动总距离、采样间隔和采样距离，其中，移动总距离不超过传感器1120移动的总量程，采样间隔距离不小于10mm，探头电极的辐射范围需要大于传感器探头1121总长度，例如，假设传感器探头1121总长度为6mm，那么探头电极的辐射范围需要大于6mm，若采样间隔距离过小，相邻测量点的磁场重叠范围大，导致测量值为两个点的平均值，降低了测量的准确性。
56.需要说明的是，树干120水分分布的测量原理为：在传感器1120100mhz高频信号的激励下，两电极之间产生的外边缘电磁场与被测树干120构成一个电容，其电容值与树干120含水量呈正比。因此，在获得树干120的水分标定方程后，实时检测电容阻抗的变化，并通过测量的电压值反映这种变化，可间接获得树干120的水分。
57.本技术实施例通过传感器探头1121中的两个金属环，可以实时检测树干120木质部心材和边材的水分及分布，同时可以获取树干120水平方向上木质部不同位置的水分差异，从而提高树干120水分分布监测的准确性。
58.在上述实施例的基础上，所述输送机构111包括步进电机1110、联轴器1111、滑块1112、丝杠1113和多个光轴1114；所述步进电机1110经所述联轴器1111与所述丝杠1113连接；
59.所述丝杠1113与多个所述光轴1114穿过所述滑块1112；所述丝杠1113用于驱动所述滑块1112移动；所述滑块1112与所述介电测量模块112连接，用于带动所述介电测量模块112移动。
60.具体地，输送机构111包括步进电机1110、联轴器1111、滑块1112、丝杠1113和多个光轴1114；其中，步进电机1110经联轴器1111与丝杠1113连接；丝杠1113与多个光轴1114穿过滑块1112；丝杠1113用于驱动滑块1112移动；滑块1112与介电测量模块112连接，用于带动介电测量模块112移动。
61.本技术实施例通过输送机构111可以驱动介电测量模块112的一端在树干120内部的塑料管130移动，可以实时检测树干120木质部心材和边材的水分及分布，同时可以获取树干120水平方向上木质部不同位置的水分差异，从而提高树干120水分分布监测的准确性。
62.在上述实施例的基础上，所述输送机构111还包括步进电机座1115、光轴支撑件1116和设在所述光轴支撑件1116上的限位开关1117；所述步进电机座1115用于固定所述步
进电机1110；所述光轴支撑件1116用于固定多个所述光轴1114；所述限位开关1117用于对所述滑块1112进行限位。
63.具体地，输送机构111还包括步进电机座1115、光轴支撑件1116和设在光轴支撑件1116上的限位开关1117；步进电机座1115用于固定步进电机1110；光轴支撑件1116用于固定多个光轴1114；限位开关1117用于对滑块1112进行限位。
64.树干120水分分布监测装置100的工作流程为：选取树干120的测量位置，量取直径，按照直径截取塑料管130合适的长度，然后在树干120的南北方向上打孔，将塑料管130放入孔中。然后通过夹具117将控制箱盖114和控制箱体113固定在树干120上，并使传感器探头1121可以进入塑料管130中，控制箱体113中的电池组116或直流电源对控制电路115供电，控制电路115控制着整个装置的运行及数据的采集和存储。当装置开始工作时，通过程序设定采样时间间隔、移动的总距离和间隔距离，且传感器1120需要复位，步进电机1110带动丝杠1113一起正转，驱使滑块1112带动传感器1120向靠近树干120的一侧移动，当滑块1112触碰到限位开关1117时，停止移动，传感器1120完成复位。传感器1120完成复位后，步进电机1110反转，传感器1120反方向移动程序设定的总距离，到达指定位置后，步进电机1110正转，传感器1120按指定移动间隔移动，传感器1120移动一下暂停两秒，便于传感器探头1121完成树干120水分数据的采集和存储。当传感器1120移动完总距离，树干120水分分布采集完成，传感器1120回到初始位置，然后整个系统进入低功耗休眠状态，等待控制电路115测量时间间隔的闹钟唤醒系统进行下一次采集。
65.本技术实施例通过输送机构111可以驱动介电测量模块112中的传感器探头1121在树干120内部的塑料管130移动，可以实时检测树干120木质部心材和边材的水分及分布，同时可以获取树干120水平方向上木质部不同位置的水分差异，从而提高树干120水分分布监测的准确性。
66.在上述实施例的基础上，所述箱体110包括控制箱体113以及与所述控制箱体113连接的控制箱盖114；所述控制箱体113和所述控制箱盖114同一侧分别设有夹具117；所述夹具117用于将所述箱体110固定于树干120。
67.具体地，箱体110包括控制箱体113以及与控制箱体113连接的控制箱盖114；控制箱体113和控制箱盖114在靠近树干120一侧分别设有夹具117；夹具117用于将箱体110固定于树干120，也即将控制箱体113和控制箱盖114分别固定与树干120上。
68.本技术实施例通过夹具117将箱体110固定在树干120上，可以提高树干120水分分布监测效率。
69.在上述实施例的基础上，所述箱体110还包括控制电路115；所述控制电路115包括电机驱动模块和采集模块；所述电机驱动模块用于驱动所述步进电机1110；所述采集模块用于采集所述介电测量模块112的测量信息。
70.具体地，箱体110还包括控制电路115，控制电路115用于数据采集和保存；控制电路115包括电机驱动模块和采集模块；电机驱动模块用于驱动步进电机1110，例如电机驱动模块对步进电机1110实现精准驱动，可精确到毫米级的移动。采集模块用于采集介电测量模块112的测量信息，例如，采集模块可以为adc采集模块，用于采集传感器1120测量的树干120水分分布。
71.此外，控制电路115还包括主控模块，蓝牙模块，电源管理模块等，其中，主控模块
用于管控各个模块；蓝牙模块用于收取手机和上位机的数据；电源管理模块用于对控制电路115的降压、稳压、供电，电池电量的计算和电池组116的切换等。
72.本技术实施例通过控制模块控制输送机构111运动，以使输送机构111驱动传感器探头1121在树干120内部的塑料管130移动，可以实时检测树干120木质部心材和边材的水分及分布，同时可以获取树干120水平方向上木质部不同位置的水分差异，从而提高树干120水分分布监测的准确性。
73.在上述实施例的基础上，所述箱体110还包括电池组116；所述电池组116用于向所述控制电路115供电。
74.需要说明的是，箱体110还包括电池组116，电池组116包括两块锂电池，用于无电源情况下给的控制电路115切换供电。
75.具体地，控制电路115设有电池接口和直流电源接口，可直接供电，或在野外环境没有电源情况下使用电池组116供电。电池组116由两块电池组116成，一块电池为供电锂电池组，另一块为备用锂电池组。当一组电锂电池组电量耗尽前，在控制电路115的电源管理模块的控制下实现备用锂电池组和电锂电池组的转换，增加整个续航系统的测量时间。
76.本技术实施例在没有电源情况下，采用电磁组对控制电路115进行供电，基于此，增加整个续航系统的测量时间，从而提高树干120水分分布监测效率。
77.在上述实施例的基础上，所述箱体110设有供所述传感器探头1121进出的开孔。
78.具体地，箱体110为防水制品，在箱体110靠近树干120的一侧，设有供传感器探头1121进出的开孔，如设有一个方形孔或者圆孔，便于传感器探头1121的移动。基于此，可以提高树干120水分分布监测效率。
79.在上述实施例的基础上，如图4所示，本技术实施例提出一种树干水分分布监测方法，应用于上述所述的树干水分分布监测装置100，包括：
80.步骤100，确定传感器探头的采样信息；
81.步骤200，根据所述采样信息控制所述传感器探头在树干内部移动，以获取所述传感器探头采集的电压信息；
82.步骤300，根据所述电压信息与树干含水量的关联信息确定树干内部的水分分布信息。
83.具体地，预先设置传感器探头1121的采样信息，如采样总量程、采样间隔和采样时间等，然后基于采样信息控制传感器探头1121在树干120内部移动，以获取传感器探头1121采集的电压信息，最后根据电压信息与树干120含水量的关联信息确定数据内部的水分分布信息。
84.需要说明的是，树干120水分分布的测量原理为：在传感器1120100mhz高频信号的激励下，两电极之间产生的外边缘电磁场与被测树干120构成一个电容，其电容值与树干120含水量呈正比。因此，在获得树干120的水分标定方程后，实时检测电容阻抗的变化，并通过测量的电压值反映这种变化，可间接获得树干120的水分。
85.在一个具体实施例中，树干120水分分布监测包括以下步骤：
86.(1)将树干120打孔，并将塑料管130装进树干120内部；
87.(2)通过夹具117将控制箱体113和控制箱盖114固定在树木上，并使传感器探头1121处于塑料管130中；
88.(3)通过控制电路115的蓝牙模块设置采样总量程、采样间隔和采样时间，驱动输送机构111实现传感器探头1121在塑料管130内的移动测量；
89.(4)通过控制电路115的adc采集模块对传感器1120测量的电压信息进行采集；通过传感器探头1121双环电极的外边缘场效应与树干120构成电容，通过监测电容的电压值来反映电容阻抗的变化。
90.(5)基于树干120含水量和电压信息关系曲线，计算树干120不同位置的含水量，从而得到树干120水分分布。
91.本技术实施例提供的树干120水分分布监测，通过确定传感器探头1121的采样信息，根据采样信息控制传感器探头1121在树干120内部移动，以获取传感器探头1121采集的电压信息，最后根据电压信息与树干120含水量的关联信息确定树干120内部的水分分布信息。
92.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
93.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
94.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。