專利名稱：一種農作物生物量測量裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種農作物生物量的快速測量方法，特別是涉及一種基于介電頻譜的農作物生物量快速測量方法。
背景技術：
生物量(biomass)，或對植物專稱植物量(phytomass)，是指某一時刻單位面積內實存生活的有機物質(干重)總量或鮮重總量，通常用kg/m2或t/ha表示。生物量的測定在農作物栽培和育種過程中具有重要意義。在農作物精細育種中，單株作物的生物量值可幫助育種學家了解作物的生長狀態(tài)和光合作用效率，以獲得優(yōu)勢作物類型；在農作物栽培過程中，通過作物的生物量測量，可推斷作物長勢，及時作出施肥、灌溉等決策?，F有的生物量測量方法是收割法(參見非專利文獻植被生物量的研究進展，西北農林科技大學學報(自然科學版)，36卷，第2期，175-182頁)，其測量過程為將測量目標收割后，直接稱其鮮重；再將作物在60°C -80°C烘箱中烘干M小時-72小時至恒重，以測量其干重?，F有技術可以對農作物的生物量進行測定，但其有如下缺陷(1)不能在體對農作物生物量進行測量；( 測量過程具有不可恢復的破壞性；( 需對測量樣本進行烘干處理，耗時長；(4)收割過程浪費大量的人力；( 由于是破壞性取樣，故不適合時間上的動態(tài)觀測研究。

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克服現有技術中需收割、烘干、稱重測量農作物生物量的缺陷，實現對農作物生物量的在體、非損傷實時在線測量。( 二 )技術方案為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種農作物生物量測量裝置，其包括箱體，其一面設置為開口狀，內部放置被測農作物樣品；平行板電容器，設置在所述箱體相對的兩個面上；信號發(fā)生模塊，其兩極分別與所述箱體兩個面上的平行板電容器相連；溫濕度傳感器，設置在所述箱體頂部；信號調理與測量電路模塊，分別與所述信號發(fā)生模塊、所述平行板電容器和所述溫濕度傳感器連接。上述農作物生物量測量裝置中，所述信號調理與測量電路模塊包括電壓調節(jié)電路單元，與所述信號發(fā)生模塊連接，對所述信號發(fā)生模塊產生的信號電壓進行放大；信號調理電路單元，與所述平行板電容器連接，對所述平行板電容器的響應電壓進行幅度轉換以及模擬濾波；
數據采集單元，分別與所述信號調理電路單元和所述信號發(fā)生模塊連接，采集所述信號調理電路單元模擬濾波后的模擬信號和所述信號發(fā)生模塊產生的激勵信號；中央處理器單元，分別與所述數據采集單元和所述溫濕度傳感器連接，根據所述數據采集單元采集的信號和所述溫濕度傳感器所測的被測農作物樣品的溫度值，確定被測農作物樣品的生物量。上述農作物生物量測量裝置中，所述平行板電容器周邊設置有屏蔽層，平行板電容器與屏蔽層之間由絕緣材料隔開。上述農作物生物量測量裝置中，所述平行板電容器為鋁板，所述屏蔽層為銅絲。本發(fā)明還提供了一種基于上述測量裝置的農作物生物量測量方法，其包括以下過程Sl 由信號發(fā)生模塊產生兩路激勵信號，分別傳送給平行板電容器和信號調理與測量電路模塊；S2:所述平行板電容器將所接收的激勵信號形成掃頻激勵電壓，使箱體內的被測農作物樣品周圍激發(fā)掃頻電場；S3:所述信號調理與測量電路模塊的信號調理電路單元對所述平行板電容器的響應電壓進行幅度轉換以及模擬濾波；S4:所述信號調理與測量電路模塊的數據采集單元采集所述信號調理電路單元輸出的信號，獲得所述掃頻電場中被測農作物樣品的介電常數和衰減系數，并傳送至所述信號調理與測量電路模塊的中央處理器單元；S5:所述中央處理器單元根據所述信號發(fā)生模塊產生的激勵信號和所述數據采集單元傳送的信號、以及溫濕度傳感器所獲得的被測農作物樣品的溫濕度信號，獲得介電常數和衰減系數與被測農作物樣品的生物量的關系，依此來確定被測農作物樣品的生物量。上述農作物生物量測量方法中，所述過程Sl中，所述信號發(fā)生模塊采用直接數字頻率合成芯片產生交流激勵信號。上述農作物生物量測量方法中，所述過程S4中，被測農作物樣品的介電常數的獲得方法具體為(1)將被測農作物樣品及其周圍的空氣等效為一個等效電路，其中所述信號發(fā)生模塊產生的激勵信號作為擾動函數，所述平行板電容器的響應電壓作為響應信號；(2)根據所述擾動函數和響應信號建立頻響函數，作為所述等效電路的阻抗；(3)根據所述等效電路的阻抗的實部、虛部、模值和相位角，獲得被測農作物樣品的介電常數。上述農作物生物量測量方法中，所述過程S4中，被測農作物樣品的衰減系數的獲得方法具體為(1)確定所述箱體內未放置被測農作物樣品的掃頻電場的衰減系數Ktest ；(2)確定所述箱體內放置被測農作物樣品的掃頻電場的衰減系數Kspare ；(3)確定被測農作物樣品的衰減系數Ksample = Ktest-Kspace0上述農作物生物量測量方法中，所述過程S5中，確定被測農作物樣品(7)的生物量的具體過程為(1)使用若干個質量互不相等的盛水容器作為水樣本置于箱體內，在100-700KHZ頻段內進行掃頻測量，獲得分辨所述若干個水樣本的頻率點；(2)在所獲得的頻率點處，將被測農作物樣品置于箱體內進行掃頻測量，獲得此時的衰減系數；(3)依次切割掉被測農作物樣品的一部分，并獲得相對應的衰減系數，同時對每次所切割掉的部分被測農作物樣品進行烘干稱重；(4)結合所獲得的生物量干重及其對應的衰減系數，以及溫濕度傳感器測得的被測農作物樣品的溫濕度值，建立農作物生物量與衰減系數的關系，從而確定被測農作物樣品的生物量；(5)根據所測的介電常數、以及所建立的衰減系數與被測農作物樣品的生物量的關系，獲得介電常數和衰減系數與被測農作物樣品的生物量關系，以此來確定被測農作物樣品的生物量。(三)有益效果上述技術方案具有如下優(yōu)點通過在被測樣品周圍施加掃頻電場，測量其介電特性的方式，本發(fā)明可在不收割農作物的情況下，快速測量單株或多株農作物的生物量(干重和鮮重)；本發(fā)明裝置簡單便攜，適合于田間應用，極大程度節(jié)約了人力、物力和時間，進一步，本發(fā)明還可改造為在線連續(xù)農作物生物量監(jiān)測系統(tǒng)，對田間農作物生物量進行連續(xù)監(jiān)測。


圖1是本發(fā)明農作物生物量測量裝置示意圖；圖2是本發(fā)明農作物生物量測量裝置原理圖；圖3是本發(fā)明農作物生物量測量中阻抗分析裝置原理圖。其中，1 箱體；2 測量線纜；3 信號發(fā)生模塊；4 信號調理與測量電路模塊；5 接地線纜；6 平行板電容器；7 被測農作物樣品；8 溫濕度傳感器。
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。本發(fā)明提供的基于介電頻譜特性的農作物在體生物量測量裝置和方法，其測量機理為植物體中氫原子的狀態(tài)與生物量有直接聯(lián)系。以離子形式存在的氫元素，與植物體內的水分成線性關系；而扣除水分后的氫含量，可以直接反應植物的干重，即其有機成分。介電特性是指分子中的束縛電荷對外加電場的響應特性。物質的介電參數不是恒值，它們受頻率、溫度、極化特性、壓力、材料組成成分、分子結構等因素的影響。因此，當將介電特性與農作物的含氫量相聯(lián)系時，可以利用介電參數獲得農作物的生物量。圖1和圖2分別示出了本發(fā)明測量裝置的示意圖和原理圖。如圖所示，農作物生物量測量裝置主要包括箱體1，平行板電容器6，信號發(fā)生模塊3，信號調理與測量電路模塊4以及溫濕度傳感器8。箱體1 一端開口，其相對的兩側設置平行板電容器6，頂部設置溫濕度傳感器8，信號發(fā)生模塊3通過測量線纜2與平行板電容器6兩極相連，信號調理與測量電路模塊4通過接地線纜5分別與與信號發(fā)生模塊3、平行板電容器6和溫濕度傳感器8連接。信號調理與測量電路模塊4包括電壓調節(jié)電路單元，與信號發(fā)生模塊3連接，對信號發(fā)生模塊3產生的信號電壓進行放大；信號調理電路單元，與平行板電容器6連接，對平行板電容器6的響應電壓進行幅度轉換以及模擬濾波；數據采集單元，分別與信號調理電路單元和信號發(fā)生模塊3連接，采集信號調理電路單元模擬濾波后的模擬信號和信號發(fā)生模塊3產生的激勵信號；中央處理器單元，分別與數據采集單元和溫濕度傳感器8連接， 根據數據采集單元采集的信號和溫濕度傳感器8所測的被測農作物樣品的溫度值，確定被測農作物樣品的生物量。其中，平行板電容器6是將薄板型材料夾在兩個電極之間形成的電容器，處于正常生長狀態(tài)的被測農作物樣品7被置于平行板電容器6中，并影響電容器的介電常數和衰減因數。信號發(fā)生模塊3在平行板電容器6兩端形成掃頻激勵電壓，從而在被測農作物樣品7的周圍激發(fā)掃頻電場。信號發(fā)生模塊3即激勵信號源采用直接數字頻率合成(DDQ芯片產生交流激勵信號。在被測農作物樣品7周圍形成頻率變化的電場后，信號調理與測量電路模塊4的信號調理電路單元對平行板電容器6的響應電壓進行轉換調理。經高帶寬、低噪聲的結型場效應管型輸入緩沖器、增益1-64可變的程控放大器將信號轉換為幅度為IV左右的信號，并進行模擬濾波。接著，數據采集單元對調理后的模擬信號進行高速數據采集。信號發(fā)生模塊 3選用現場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)來產生激勵信號，FPGA 在產生激勵信號的同時同步產生數字定時信號作為模數轉換器(ADC)的觸發(fā)信號。中央處理器單元選用高速數字信號處理器(Digital Signal Processing, DSP)芯片，實時處理采集到的數字信號。同時，溫濕度傳感器8實時測量平行板電容器6中被測農作物樣品7的溫度，并將數字化的溫度值發(fā)送到中央處理器單元。在測量過程中，中央處理器單元協(xié)調各部分運作，實時處理數據，獲得被測農作物樣品7生物量數值。在上述技術方案中，信號發(fā)生模塊3在一定頻率范圍內，掃頻輸出高精度信號波形，以便在平行板電容器6兩端形成掃頻電場；信號調理與測量電路模塊4在掃頻電場中， 對響應電壓進行轉換調理，輸出可被ADC采集的電壓信號，并可得到掃頻電場中的介電常數和衰減系數；作為中央處理器的DSP芯片實時處理ADC采集到信號，經計算得到衰減量的值，由實驗得到的衰減量和生物量的測量關系得到被測農作物樣品7的生物量(干重和鮮重)。本發(fā)明方法所依據的理論依據包括，在300-700KHZ的頻段中的每一個頻率點，均可測量電容器的介電常數ε。同時，信號發(fā)生模塊3形成的激發(fā)電場經過被測農作物樣品 7后會有衰減效應。如果定義為初始激發(fā)電場，Εω為終端測得電場，那么，可以得到電場的衰減系數K:
權利要求
1.一種農作物生物量測量裝置，其特征在于，包括箱體(1)，其一面設置為開口狀，內部放置被測農作物樣品(7)；平行板電容器(6)，設置在所述箱體(1)相對的兩個面上；信號發(fā)生模塊(3)，其兩極分別與所述箱體(1)兩個面上的平行板電容器(6)相連；溫濕度傳感器(8)，設置在所述箱體(1)頂部；信號調理與測量電路模塊G)，分別與所述信號發(fā)生模塊(3)、所述平行板電容器(6) 和所述溫濕度傳感器( 連接。
2.如權利要求1所述的農作物生物量測量裝置，其特征在于，所述信號調理與測量電路模塊⑷包括電壓調節(jié)電路單元，與所述信號發(fā)生模塊C3)連接，對所述信號發(fā)生模塊C3)產生的信號電壓進行放大；信號調理電路單元，與所述平行板電容器(6)連接，對所述平行板電容器(6)的響應電壓進行幅度轉換以及模擬濾波；數據采集單元，分別與所述信號調理電路單元和所述信號發(fā)生模塊C3)連接，采集所述信號調理電路單元模擬濾波后的模擬信號和所述信號發(fā)生模塊C3)產生的激勵信號；中央處理器單元，分別與所述數據采集單元和所述溫濕度傳感器(8)連接，根據所述數據采集單元采集的信號和所述溫濕度傳感器(8)所測的被測農作物樣品(7)的溫度值， 確定被測農作物樣品(7)的生物量。
3.如權利要求1所述的農作物生物量測量裝置，其特征在于，所述平行板電容器(6)周邊設置有屏蔽層，平行板電容器(6)與屏蔽層之間由絕緣材料隔開。
4.如權利要求3所述的農作物生物量測量裝置，其特征在于，所述平行板電容器(6)為鋁板，所述屏蔽層為銅絲。
5.一種基于權利要求1-4中任一項所述的測量裝置的農作物生物量測量方法，其特征在于，包括以下過程·51由信號發(fā)生模塊C3)產生兩路激勵信號，分別傳送給平行板電容器(6)和信號調理與測量電路模塊⑷；·52所述平行板電容器(6)將所接收的激勵信號形成掃頻激勵電壓，使箱體(1)內的被測農作物樣品(7)周圍激發(fā)掃頻電場；·53所述信號調理與測量電路模塊的信號調理電路單元對所述平行板電容器(6) 的響應電壓進行幅度轉換以及模擬濾波；·S4:所述信號調理與測量電路模塊(4)的數據采集單元采集所述信號調理電路單元輸出的信號，獲得所述掃頻電場中被測農作物樣品(7)的介電常數和衰減系數，并傳送至所述信號調理與測量電路模塊的中央處理器單元；·S5 所述中央處理器單元根據所述信號發(fā)生模塊( 產生的激勵信號和所述數據采集單元傳送的信號、以及溫濕度傳感器( 所獲得的被測農作物樣品(7)的溫濕度信號，獲得介電常數和衰減系數與被測農作物樣品(7)的生物量的關系，依此來確定被測農作物樣品 (7)的生物量。
6.如權利要求5所述的農作物生物量測量方法，其特征在于，所述過程Sl中，所述信號發(fā)生模塊C3)采用直接數字頻率合成芯片產生交流激勵信號。
7.如權利要求5所述的農作物生物量測量方法，其特征在于，所述過程S4中，被測農作物樣品(7)的介電常數的獲得方法具體為(1)將被測農作物樣品(7)及其周圍的空氣等效為一個等效電路，其中所述信號發(fā)生模塊C3)產生的激勵信號作為擾動函數，所述平行板電容器(6)的響應電壓作為響應信號；(2)根據所述擾動函數和響應信號建立頻響函數，作為所述等效電路的阻抗；(3)根據所述等效電路的阻抗的實部、虛部、模值和相位角，獲得被測農作物樣品(7) 的介電常數。
8.如權利要求5所述的農作物生物量測量方法，其特征在于，所述過程S4中，被測農作物樣品(7)的衰減系數的獲得方法具體為(1)確定所述箱體(1)內未放置被測農作物樣品(7)的掃頻電場的衰減系數Ktest；(2)確定所述箱體(1)內放置被測農作物樣品(7)的掃頻電場的衰減系數Kspare；(3)確定被測農作物樣品(7)的衰減系數Ksample= Ktest-Kspace0
9.如權利要求8所述的農作物生物量測量方法，其特征在于，所述過程S5中，確定介電常數和衰減系數與被測農作物樣品(7)的生物量關系的具體過程為(1)使用若干個質量互不相等的盛水容器作為水樣本置于箱體(1)內，在100-700KHZ 頻段內進行掃頻測量，獲得分辨所述若干個水樣本的頻率點；(2)在所獲得的頻率點處，將被測農作物樣品(7)置于箱體(1)內進行掃頻測量，獲得此時的衰減系數；(3)依次切割掉被測農作物樣品(7)的一部分，并獲得相對應的衰減系數，同時對每次所切割掉的部分被測農作物樣品(7)進行烘干稱重；(4)結合所獲得的生物量干重及其對應的衰減系數，以及溫濕度傳感器( 測得的被測農作物樣品(7)的溫濕度值，建立農作物生物量與衰減系數的關系，從而確定被測農作物樣品(7)的生物量；(5)根據所測的介電常數、以及所建立的衰減系數與被測農作物樣品(7)的生物量的關系，獲得介電常數和衰減系數與被測農作物樣品(7)的生物量關系，以此來確定被測農作物樣品(7)的生物量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種農作物生物量測量裝置和方法，通過對位于平行板電容器中的被測農作物樣品施加掃頻電場，測量其在一定溫度、濕度條件下的介電特性，并通過建立介電常數、衰減系數與農作物生物量的相關模型，來完成對農作物生物量的檢測。本發(fā)明可在不收割農作物的情況下，快速測量單株或多株農作物的生物量；本發(fā)明裝置簡單便攜，適合于田間應用，極大程度節(jié)約了人力、物力和時間，進一步，本發(fā)明還可改造為在線連續(xù)農作物生物量監(jiān)測系統(tǒng)，對田間農作物生物量進行連續(xù)監(jiān)測。
文檔編號G01G7/00GK102169008SQ20101058274
公開日2011年8月31日 申請日期2010年12月7日 優(yōu)先權日2010年12月7日
發(fā)明者喬曉軍, 侯瑞鋒, 朱大洲, 畢昆, 王成 申請人:北京農業(yè)智能裝備技術研究中心