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专利名称：基于激光热脉冲的植物茎流及蒸腾耗水检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种植物茎流及蒸腾耗水检测装置，尤其是涉及一种基于激光热脉冲的植物茎流及蒸腾耗水检测装置。
背景技术：
植物的生长离不开水，水在植物-大气-土壤中进行循环，一方面保证了植物的生命活动，维持了生态的平衡和发展，另一方面也是生命活动的结果。
我国是水资源十分匮乏的农业大国，农业用水量占总耗水量的70%，因此在保证农业稳产、高产的前提下，大力发展节水灌溉实现水资源的合理利用，变丰水高产为节水高产，是一项十分紧迫而重要的任务。
长期以来，人们把土壤含水量或大气的相对湿度作为控制农作物灌溉的指标，但它毕竟是一个间接指标，对反映作物的缺水比较迟钝、滞后，且精度低。因此科研人员一直在寻求一种植物生理需水信息作为反映植物缺水的直接指标，以便得到比较灵敏、迅速和精确的信息。有了可靠的需水信息，就能做到在植物需水时，及时、适度地灌溉，这是节水灌溉控制系统设计的基础。
植物从土壤中吸收水分，同时又向大气中蒸发水分，植物体内的水分以气态散失到大气中的过程，称为蒸腾作用。通常植物从土壤中吸收的水分只有极少数用于体内物质代谢——约占1. 5 2%，绝大部分以蒸腾的方式散失。为了实现节水灌溉，必然要涉及到作物蒸散量的测定，在许多情况下要求将作物总蒸散量分解为蒸腾与蒸发两部分。一般认为作物的蒸腾是完成作物正常生理过程所必需的，而农田蒸发过程只是作物蒸腾过程中伴随的不可避免的无效水分损失。单纯蒸腾的测定是比较困难的，现有的实际测定农田水分消耗的方法，注入水量平衡法，能量平衡波文比发，称重式蒸渗仪法以及涡度相关法都只能测定农田蒸散总量，而无法将之分解为蒸腾与蒸发两部分。
由于植物蒸腾作用引起的茎内液流的上升，称之为茎流。茎流量等于茎流速度与植物导管面积的乘积，而导管的面积变化是极其缓慢的，在一段时间内可以认为是一个常数，因此通过测定植物的茎流速度就可以得出植物的蒸腾量，从而为植物-大气-土壤连续系统提供一种水分测量的方法；茎流作为一种水分生理指标，比土壤水分更适用于监视作物的生理过程，指导农田精量灌溉。
目前对植物茎流的测定方法有重量法及热量法等许多种。热量法是利用安装在植株茎部的热源发生器和探测器测定茎流的方法。热量法茎流测试技术可根据测量原理分为两大类别热波速法和热平衡法。
热波速法(Heat Plus Velocity)，其基本原理是向电加热元件通以短暂即逝的电流，产生热脉冲波动，在加热点的上或者下游放置温度检测元件，记录茎秆监测点处的温度变化曲线，根据热力学的扩散模型，推导液流速度及液流量。根据不同的检测方法以及扩散模型，又分为热脉冲法、热扩散法和热场变形几种。此类方法在检测过程中，热源和检测元件均需侵入植物茎内。其不足之处在于1)要在植物的茎部打孔以便放入热源和检测装置；改变了植物本身的茎流状态；幻在安装的时候很容易使得加热器和探针不能够很好的对准，从而影响测量结果；3)加热的过程中可能导致木质部失去活性，从而影响测的结果的准确性。
热平衡法(Thermal Heat Balance)，其工作原理是向电加热元件通以稳定持久的电流，产生持久的热量输入，输入热量会被流动的茎液带走，同时还会像周围空间辐射， 根据热扩散的模型，计算出被茎液带走的热量和向周围空间扩散的热量，根据茎液带走的热量等可以推算出茎秆内液体流速和流量。此类方法的难点在于热扩散的模型的建立及其模型的准确性等。
目前热脉冲植物茎流测量产品全部为进口产品，在国内市场上主要由格林斯潘和澳大利亚英联邦科学与工业研究组织(CSIRO)联合研制开发的SF系列茎流传感器，澳大利亚ICT公司产的HRM热比率法茎流探头。其特点 第一所有的产品均采用接触时的传热方式，有一些甚至是要将加热和检测元件通过打孔的方式将元件埋入植物内部，这显然破坏了植物的正常生理，使采集到的数据不能反映植物的正常生理状况。第二，采用的方法是通过测量检测点热脉冲热扩散曲线的变化，计算出热波动速度，再对热波动速度进行二次三项式或三次三项式回归和修正，才能获得茎流流速。第三现有的产品主要适用于果林等木本植物，测定草本植物存在烧伤茎秆的问题，受分辨率的限制，该问题也不能通过减少加热量解决；另外，进口产品价格昂贵。

发明内容
本发明的目的在于提供一种基于激光热脉冲的植物茎流及蒸腾耗水检测装置。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是 本发明包括大功率激光器、两个红外测温仪、电子天平、USB数据采集卡、PC计算机、两个透镜和光阑；将待测植物的花盆用密封袋进行密封后置于电子天平上，大功率激光器的激光经光阑和两个透镜照射，将光汇集到待测植物茎部的加热点上，大功率激光器、光阑和两个透镜同轴安装在支架上，一个红外测温仪设置在加热点上，另外一个红外测温仪设置在加热点上侧，USB数据采集卡分别与两个红外测温仪、大功率激光器和PC计算机连接。
所述的大功率激光器的红外光功率为5W，波长为808nm。
本发明具有的有益效果是 1、本发明因为采用无接触式的激光热脉冲发生器和无接触式的红外测温装置，大大降低了对植物生理的影响，并且激光在时间和空间上具有更好的可控性，因此测得结果更能反应植物的生理特征；由于将激光通过透镜调节耦合到加热点上，使得安装和维护比光纤的方式更为方便；采用电子天平实时显示植物的蒸腾耗水，对建立植物茎流流速与蒸腾耗水之间的数学模型更为方便。
2、进行植物茎流检测的热脉冲采用大功率激光器取代金属丝或光纤等加热方式， 大功率激光可瞬时放出空间离散且数量一致的能量束。采用激光热脉冲的方式避免了金属加热电阻丝与植物体相接触而产生的干扰问题，并且与金属丝加热器相比，大功率激光器在时间和空间上的可控性能更好；与光纤相比，该装置通过透镜直接将光束聚集到加热部位，省去了光纤耦合器和光纤等装置。
3、对温度的检测采用红外测温的方式取代了普遍使用的接触式的热敏电阻或热电偶的方式，实现无接触、无插入式的检测温度方式，在不接触植物茎干的情况下即可进行实时测量，从而避免了因接触压迫造成的干扰和误差。
通过PC计算机的程序，可以调整对电子天平以及数据采集卡的采集频率，茎流的计算方法等，进行系统相关参数的调整。从而得到更精确的数学模型。


图1是本发明的结构原理图。
图2是本发明的加热和温度检测部分结构图。
图中1、大功率激光器，2、光阑，3、第一透镜，4、第二透镜，5、待测植物，6、密封袋， 7、花盆，8、电子天平，9、支架，10、第一红外测温仪，11、第二红外测温仪，12、USB数据采集卡，13、PC计算机。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括大功率激光器1、两个红外测温仪10，11、电子天平8、USB 数据采集卡12、PC计算机13、两个透镜3，4和光阑2 ；将待测植物5的花盆7用密封袋6 进行密封后置于电子天平8上，大功率激光器1的激光经光阑2和第一透镜3和第二透镜 4照射，将光汇集到待测植物5茎部的加热点上，大功率激光器1、光阑2和第一透镜3和第二透镜4同轴安装在支架9上，第一红外测温仪10设置在加热点上，第二红外测温仪11设置在加热点上侧(lcm-2cm)，USB数据采集卡12分别与两个红外测温仪、大功率激光器1和 PC计算机13连接。
采用大功率激光器1产生的激光热脉冲作为热源、两个红外测温仪10、11作为温度检测装置实现非接触式的加热和检测方式；通过将待测植物5的花盆7进行密封，避免了土壤的蒸散耗水，从而将土壤蒸散与待测植物蒸腾耗水量区分开，以电子天平8称重的方式来获取待测植物的蒸腾耗水量。电子天平通过COM 口与PC计算机13相连，两个红外测温仪10、11和大功率激光器1通过USB数据采集卡12与PC计算机13相连。
所述的大功率激光器是用激光二极管产生功率为5W，波长为808nm的红外光，通过调节光阑2的空隙间距进行功率调节，从而保证适量的热量投向待测植物，穿过光阑的激光再经过两个透镜3、4的调节，将光汇集到待测植物的加热点上，利用红外光的热效应， 加热待测植物的茎部，从而将热脉冲耦合到茎内的液流上，为了提高热量的耦合效果，将待测植物的加热点上涂成黑色，以增强热量的传递效果，以热脉冲作为示踪源。
用于检测温度的两个红外测温仪10、11，一个用于检测激光加热点的温度，另外一个用于检测激光加热点上侧(茎流下游处)的温度。记录加热点和加热点上部某处的温度变化曲线，通过两条温度变化曲线计算待测植物茎中热脉冲的传播速度。
数据采集卡12用于控制激光的产生时刻及持续时间，同时用于采集红外测温仪 IOUl的输出信号。
电子天平8用于检测盆栽待测植物的耗水量，因为花盆7被放置在密封袋中，因此通过土壤蒸散的水分被保存在密封袋中，对重量没有什么影响，所以引起重量变化的就只有待测植物的蒸腾了，电子天平8通过COM 口与PC计算机13相连，蒸腾耗水量可以实时采集到电脑中。
如图2所示，本发明对待测植物侧的加热和检测装置由激光热脉冲和红外测温仪两部分构成。激光热脉冲部分通过透镜的调节可以直接将光耦合到待测植物加热点上，将待测植物5的加热点涂上黑色是为了增强传热效果；激光的产生受USB数据采集卡12的控制，激光发生器得电后，即可产生光脉冲，通过调节光阑7的空隙间距可以调节对待测植物茎部的加热量，对待测植物进行局部加热。加热点的液流受到加热后便会向周围传到扩散， 因为蒸腾作用的存在，在待测植物体内主要是沿着茎的方向向上传递。当携带此热脉冲的液流向上扩散时，位于加热点上侧的红外测温仪10、11时就产生相应的输出曲线，两个红外测温仪的输出曲线，反映了待测植物茎中热脉冲的传播速度。热脉冲的传播速度反映了待测植物茎中水分流动的速度，而水分流速与植物加热点处面积的乘积就是可以得到蒸腾耗水量的理论值。
所得到的耗水量的理论值与实际电子天平称出的水量进行拟合，得到正确的比例系数K。
待测植物的蒸腾耗水与茎流之间的关系如公式所示，即蒸腾耗水量与茎流的速度有关，根据公式推导出蒸腾耗水量(^ !!^与Viyw之间的关系表达式。从而达到通过热脉冲传播速度估算待测植物蒸腾耗水量的目的。
Q^fi7K=KXViwwXS K 比例系数 S 加热点处待测植物茎的横截面积
权利要求
1.一种基于激光热脉冲的植物茎流及蒸腾耗水检测装置，其特征在于包括大功率激光器、两个红外测温仪、电子天平、USB数据采集卡、PC计算机、两个透镜和光阑；将待测植物的花盆用密封袋进行密封后置于电子天平上，大功率激光器的激光经光阑和两个透镜照射，将光汇集到待测植物茎部的加热点上，大功率激光器、光阑和两个透镜同轴安装在支架上，一个红外测温仪设置在加热点上，另外一个红外测温仪设置在加热点上侧，USB数据采集卡分别与两个红外测温仪、大功率激光器和PC计算机连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光热脉冲的植物茎流及蒸腾耗水检测装置，其特征在于所述的大功率激光器的红外光功率为5W，波长为808nm。
全文摘要
本发明公开了一种基于激光热脉冲的植物茎流及蒸腾耗水检测装置。将待测植物的花盆进行密封后置于电子天平上，激光经光阑和两个透镜照射将光汇集到待测植物茎部的加热点上，一个红外测温仪设置在加热点上，另外一个设置在加热点上侧，USB数据采集卡分别与两个红外测温仪、大功率激光器和PC计算机连接。采用无接触式的激光热脉冲发生器和无接触式的红外测温装置，大大降低了对植物生理的影响，并且激光在时间和空间上具有更好的可控性，因此测得结果更能反应植物的生理特征；由于将激光通过透镜调节耦合到加热点上，使得安装和维护比光纤更为方便；采用电子天平实时显示植物的蒸腾耗水，对建立植物茎流流速与蒸腾耗水之间的数学模型更为方便。
文档编号G01F1/704GK102183277SQ20111004506
公开日2011年9月14日 申请日期2011年2月24日 优先权日2011年2月24日
发明者王剑平, 张付杰, 盖玲 申请人:浙江大学