适用于不同植物茎秆的多模式双稳态结构茎流测量装置

本发明属于传感器领域，尤其涉及一种适用于不同植物茎秆的多模式双稳态结构茎流测量装置。

背景技术：

1、水是植物生长的必备因素，当土壤液态水通过根系进入植物体内后，经过茎秆木质部导管向上运输到各种植物器官直至冠层，最后由叶片气孔进行蒸腾作用扩散至大气中。在这一过程中，能够最直接、最准确评估植物水分运输能力的指标就是茎杆液流，也称茎流。通过研究植物的茎流，可以更加深入地分析植物对水分和营养物质的传输方式，从而更好地指导人们对植物的生长状况进行有效调节以提高农业生产的效益。

2、目前茎流传感器是测量植物茎流的可靠工具，其主要使用热示踪的方法，通过监测热源在各向同性介质中产生的温度场变化，求解热传导方程来获得植物介质热导率、热容量、热扩散系数等热物理参数以及植物茎流速率，根据测量原理的不同，可将其大体上分为三类，即热脉冲法、热平衡法和热扩散法。

3、专利文献cn115684504a公开了一种用于植物细小茎秆的微型茎流传感器，该传感器还包括用于固定植物茎秆的固定件，但该传感器在设计时未能考虑长时间原位检测植物茎流时，固定件以及传感器在植物茎秆生长变粗时会发生形变或挤压导致后续检测数据异常的问题。

4、专利文献cn110118795a公开了一种复合生态系统蒸散量测量系统及其操作方法，该系统包括九针热脉冲土壤蒸发量探头 (1)、三针植物茎流计(2)、包裹式植物茎流计(3)、数据通信电缆(4)和电源、数据采集及传 输系统(5)，所述九针热脉冲土壤蒸发量探头(1)安装在土壤表层上，所述三针植物茎流计 (2)安装在粗壮植物茎秆上，所述包裹式植物茎流计(3)安装在细小植物茎秆上，所述九针热脉冲土壤蒸发量探头(1)、三针植物茎流计(2)、包裹式植物茎流计(3)和电源、数据采集 及传输系统(5)通过数据通信电缆(4)依次连接；该系统连接在同一数据采集器或不同的数据采集器上。该装置属于破坏式的检测方式，且只适用于茎秆较为粗大的植物使用。

5、此外，由于不同植物的茎秆粗细以及总体茎流速率大小均存在不同，导致使用单一模块间距和测量方式的茎流传感器进行茎流速率测量时容易出现测量范围不匹配、测量精度较低等问题，例如热平衡法在茎流较低时结果准确，但茎流较高时结果会被高估，然而目前的茎流传感器上加热模块与测温模块的相对位置无法进行改变，使得加热模块和测温模块之间的距离以及茎流测量方式固定，因此只能检测某种特定植物的茎流，在对其他不同种类植物茎秆进行茎流测量时，除非重新设计模块间距和测量方式，否则无法达到理想的测量效果。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供的一种适用于不同植物茎秆的多模式双稳态结构茎流测量装置，该装置能实现对植物茎秆茎流长时间定点且无损的准确测量。

2、为了实现本发明的目的，提供如下的技术方案：一种适用于不同植物茎秆的多模式双稳态结构茎流测量装置，包括用于包裹固定植物茎秆的柔性固定装置，用于检测茎流的多模式传感器以及检测系统，所述检测系统根据所述多模式传感器采集的数据以获取植物茎秆的茎流大小；

3、所述柔性固定装置包括套设在植物茎秆上的双稳态结构柔性固定管以及设置在双稳态结构柔性固定管内壁上的安装单元，所述双稳态结构柔性固定管包括依次闭环相连的第一连接部，双稳态结构部以及第二连接部，所述双稳态结构部包括多个首尾依次相连的支撑单元以及用于连接相邻支撑单元的形变单元，当植物茎秆逐渐变大时，所述形变单元与相连的支撑单元之间的连接形状由v形过渡为棱形，所述第一连接部与第二连接部闭环相连处设有用于多模式传感器进入的避让口；

4、所述多模式传感器包括铺设有电路的柔性基座，以及设在柔性基座与所述检测系统数据互通的传感器和加热器，所述柔性基座设有与所述安装单元配合使用的装配单元，其中，根据设置所述传感器与所述加热器在植物茎秆上的相对位置改变所述多模式传感器的检测模式。

5、本发明通过能随植物茎秆直径变化而变化的柔性固定装置以保证定点检测，同时也能保证贴附在双稳态结构柔性固定管内壁上的传感器和加热器与植物茎秆能紧密贴合，从而避免出现间隙导致测量误差。

6、具体的，所述柔性基座包括主干部分和分支部分，所述主干部分汇总所有分支部分的电路，所述分支部分包括伸出端带有加热器且用于局部加热植物茎秆的加热分支和伸出端带有传感器的测温分支。

7、具体的，所述分支部分采用蛇形排布方式，从而保证柔性基座在植物茎秆生长变粗时，能随着双稳态结构柔性固定管适应性拉伸，以保证传感器和加热器的相对位置不发生变化。

8、具体的，根据加热分支与测温分支的排布方式设置检测模式，所述检测模式包括：

9、热脉冲法，沿植物茎秆茎流方向依次间隔布置第一测温分支，加热分支以及第二测温分支；

10、热平衡法，沿植物茎秆茎流方向依次间隔布置第一测温分支和第二测温分支，且在间隔中设有紧贴所述第二测温分支的加热分支；

11、热扩散法，沿植物茎秆茎流方向依次间隔布置第一测温分支和第二测温分支，且所述第二测温分支在同一植物茎秆截面圆周上设有加热分支。

12、具体的，所述柔性基座设有插接头，用于连接所述检测系统，采用插接式以使得柔性基座所对应的多模式传感器能够适配不同的检测设备，从而以应对不同场景下的测量任务。

13、具体的，所述安装单元采用等间距排布在双稳态结构柔性固定管内壁上的安装槽，所述装配单元采用布置在柔性基座表面、与所述安装槽装配固定的固定块，使得柔性基面随着双稳态结构柔性固定管变化而拉伸变化，从而保证柔性基面上传感器和加热器的相对位置不发生变化。

14、具体的，所述安装槽的槽底与所述固定块内部均设有永磁铁，通过磁力进行吸附固定以便于安装。

15、具体的，所述支撑单元有多个，多个支撑单元沿植物茎秆方向排布以形成支撑面，以增大检测面从而提高检测数据的准确率。

16、具体的，所述检测系统包括：

17、温度控制模块，用于调节加热器的加热温度以及加热时间；

18、数据采集模块，用于获取植物茎流温度变化的传感器数据；

19、数据分析模块，根据预设的加热温度与回传的传感器数据，以输出植物茎秆的茎流大小；

20、通信模块，用于发送预设加热温度以及加热时间至加热器，以及接收传感器回传的传感器数据。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果：

22、双稳态结构柔性固定管采用双稳态结构设计，由于双稳态结构的超弹性特性，即在低应变时具有较大弹性，在高应变时回弹力变化较小，一方面可将传感器稳定地安装到植物茎秆上，另一方面减小传感器安装对植物茎秆生长产生的阻碍，实现茎流速率的无损检测；

23、同时，利用柔性基面可拉伸变形的特点，搭配随植物茎秆变化的双稳态结构柔性固定管能更好的贴附在不同类型或不同直径的植物茎秆表面，以实现特定种类与定点测量的植物茎流检测目的。

技术特征：

1.一种适用于不同植物茎秆的多模式双稳态结构茎流测量装置，其特征在于，包括用于包裹固定植物茎秆的柔性固定装置，用于检测茎流的多模式传感器以及检测系统，所述检测系统根据所述多模式传感器采集的数据以获取植物茎秆的茎流大小；所述柔性固定装置包括套设在植物茎秆上的双稳态结构柔性固定管以及设置在双稳态结构柔性固定管内壁上的安装单元，所述双稳态结构柔性固定管包括依次闭环相连的第一连接部，双稳态结构部以及第二连接部，所述双稳态结构部包括多个首尾依次相连的支撑单元以及用于连接相邻支撑单元的形变单元，当植物茎秆逐渐变大时，所述形变单元与相连的支撑单元之间的连接形状由v形过渡为棱形，所述第一连接部与第二连接部闭环相连处设有用于多模式传感器进入的避让口；

2.根据权利要求1所述的适用于不同植物茎秆的多模式双稳态结构茎流测量装置，其特征在于，所述柔性基座包括主干部分和分支部分，所述主干部分汇总所有分支部分的电路，所述分支部分包括伸出端带有加热器且用于局部加热植物茎秆的加热分支和伸出端带有传感器的测温分支。

3.根据权利要求2所述的适用于不同植物茎秆的多模式双稳态结构茎流测量装置，其特征在于，所述分支部分采用蛇形排布方式。

4.根据权利要求2所述的适用于不同植物茎秆的多模式双稳态结构茎流测量装置，其特征在于，根据加热分支与测温分支的排布方式设置检测模式，所述检测模式包括：

5.根据权利要求1所述的适用于不同植物茎秆的多模式双稳态结构茎流测量装置，其特征在于，所述柔性基座设有插接头，用于连接所述检测系统。

6.根据权利要求1所述的适用于不同植物茎秆的多模式双稳态结构茎流测量装置，其特征在于，所述安装单元采用等间距排布在双稳态结构柔性固定管内壁上的安装槽，所述装配单元采用布置在柔性基座表面、与所述安装槽装配固定的固定块。

7.根据权利要求6所述的适用于不同植物茎秆的多模式双稳态结构茎流测量装置，其特征在于，所述安装槽的槽底与所述固定块内部均设有永磁铁。

8.根据权利要求1所述的适用于不同植物茎秆的多模式双稳态结构茎流测量装置，其特征在于，所述支撑单元有多个，多个支撑单元沿植物茎秆方向排布以形成支撑面。

9.根据权利要求1所述的适用于不同植物茎秆的多模式双稳态结构茎流测量装置，其特征在于，所述检测系统包括：

技术总结
本发明公开了一种适用于不同植物茎秆的多模式双稳态结构茎流测量装置，包括用于包裹固定植物茎秆的柔性固定装置，用于检测茎流的多模式传感器以及检测系统，所述检测系统根据所述多模式传感器采集的数据以获取植物茎秆的茎流大小；所述柔性固定装置包括套设在植物茎秆上的双稳态结构柔性固定管以及设置在双稳态结构柔性固定管内壁上的安装单元；所述多模式传感器包括铺设有电路的柔性基座，以及设在柔性基座与所述检测系统数据互通的传感器和加热器，所述柔性基座设有与所述安装单元配合使用的装配单元。本发明所提供的装置能实现对植物茎秆茎流长时间定点且无损的准确测量。

技术研发人员：刘湘江,张延旭,谢丽娟
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27