作物根系土壤水分的熒光測定裝置制造方法及圖紙

本實用新型專利技術公開了一種作物根系土壤水分的熒光測定裝置，涉及土壤水分測量技術領域，所述裝置包括：激光器恒流驅動單元、激光器、探測器、以及信號處理單元，所述激光器恒流驅動單元與所述激光器連接，所述探測器與所述信號處理單元連接，所述激光器恒流驅動單元驅動所述激光器發出的光照射至待測作物葉片上，所述探測器接收所述待測作物葉片發出的熒光，并將產生的電信號發送至所述信號處理單元，所述信號處理單元對所述電信號進行處理，以實現所述待測作物根系土壤水分的測定。本實用新型專利技術通過測量植物葉綠素熒光強度，通過標定實驗間接測量了土壤的水分含量，且測量結果更準確的反應了作物根系周圍的土壤水分含量。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及土壤水分測量
，特別涉及一種作物根系土壤水分的熒光測定裝置。
技術介紹
水分是植物生長發育所必需的條件，土壤是植物吸收水分的最主要途徑。土壤水分是土壤的重要物理參數，它對于植物生長、存活、凈生產力等具有極其重要的意義。準確的獲取土壤含水量，可以有效的提高灌溉用水的效率，進行精準灌溉可以提高水資源的利用率達到實施節水農業的目的。目前，測量土壤含水量的主要方法包括取樣測定法和定點測定法，取樣測定法有烘干法、比重法、離心機法等的物理方法和碳化鈣法、浸入法、濃硫酸法等的化學方法。定點測定法有電測法、張力計法、熱電偶法等的非放射方法和Y射線法、 中子法的放射方法。但是植物根系吸水的范圍和深度隨著作物的生長而變化，采樣和定點測量法只能監測傳感器周圍的土壤水分情況，無法全面的反應農作物根系周圍實際的土壤含水量。
技術實現思路
(一 )要解決的技術問題本技術要解決的技術問題是如何準確測定作物根系土壤含水量。( 二 )技術方案為解決上述技術問題，本技術提供了一種作物根系土壤水分的熒光測定裝置，所述裝置包括激光器恒流驅動單元、激光器、探測器、以及信號處理單元，所述激光器恒流驅動單元與所述激光器連接，所述探測器與所述信號處理單元連接，所述激光器恒流驅動單元驅動所述激光器發出的光照射至待測作物葉片上，所述探測器接收所述待測作物葉片發出的熒光，并將產生的電信號發送至所述信號處理單元，所述信號處理單元對所述電信號進行處理，以實現所述待測作物根系土壤水分的測定。優選地，所述裝置還包括探頭，第一光纖和第二光纖均從所述探頭的一端伸出，并分別與所述激光二極管和所述探測器相連接。優選地，所述裝置還包括遮光盒，所述探頭的另一端伸入所述遮光盒中、且固定于所述遮光盒上，所述遮光盒上相對的兩側分別設有用于使待測作物葉片伸入的開口。優選地，所述激光器與所述第一光纖之間設有透鏡。優選地，所述探測器與所述第二光纖之間設有濾光鏡。優選地，所述激光器的發光中心波長為450nm，所述濾光鏡的通過熒光波長為740nmo優選地，所述裝置包括電源，所述電源分別與所述激光器恒流驅動單元和所述信號處理單元連接。優選地，所述激光器恒流驅動單元包括依次串聯的前級放大電路和壓控電流供應電路。優選地，所述信號處理單元包括電流/電壓轉換電路、儀表放大電路和低通濾波電路。(三)有益效果 本技術通過測量植物葉綠素熒光強度，通過標定實驗間接測量了土壤的水分含量，且測量結果更準確的反應了作物根系周圍的土壤水分含量。附圖說明圖I是按照本技術一種實施方式的作物根系土壤水分的熒光測定裝置的結構框圖；圖2是圖I所示的裝置中的光路系統的結構示意圖；圖3是圖I所示的裝置中探頭的結構示意圖；圖4是圖I所示的裝置中激光器的發光波長和探測器的探測波長的試驗結果示意圖；圖5是圖I所示的裝置中激光器恒流驅動單元的結構示意圖；圖6是圖I所示的裝置中信號處理單元的電流/電壓轉換電路的結構示意圖；圖7是圖I所示的裝置中信號處理單元的儀表放大電路的結構示意圖；圖8是圖I所示的裝置中信號處理單元的低通濾波電路的結構示意圖。具體實施方式以下結合附圖和實施例，對本技術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技術，但不用來限制本技術的范圍。圖I是按照本技術一種實施方式的作物根系土壤水分的熒光測定裝置的結構框圖；參照圖1，本實施方式的裝置包括激光器恒流驅動單元、激光器、探測器、以及信號處理單元，所述激光器恒流驅動單元與所述激光器連接，所述探測器與所述信號處理單元連接，所述激光器恒流驅動單元驅動所述激光器發出的光照射至待測作物葉片上，所述探測器接收所述待測作物葉片發出的熒光，并將產生的電信號發送至所述信號處理單元，所述信號處理單元對所述電信號進行處理，以實現所述待測作物根系土壤水分的測定。優選地，所述裝置還包括探頭，第一光纖和第二光纖均從所述探頭的一端伸出，并分別與所述激光二極管和所述探測器相連接。所述第一光纖和第二光纖構成了本實施方式的光路系統，優選地，所述激光器與所述第一光纖之間設有透鏡，優選地，所述探測器與所述第二光纖之間設有濾光鏡。優選地，所述裝置還包括遮光盒，所述探頭的另一端伸入所述遮光盒中、且固定于所述遮光盒上，所述遮光盒上相對的兩側分別設有用于使待測作物葉片伸入的開口。如圖2所示，本實施方式的光路系統的主體為一條Y型光纖，激光器I發出的光經透鏡2耦合進第一光纖5的一端，通過探頭6照射到待測作物葉片9上。測量時探頭6和葉片9被同時放在遮光盒7中。葉片發出的熒光通過探頭進入第二光纖8，采用濾光片4濾除其他不相關波長的光，最后被探測器3接收，并轉換為電信號。探頭的結構如圖3所示，將第一光纖5和第二光纖8的另一端封裝在探頭6中。在測量時，將植物葉片9和探頭6裝入遮光盒7中，這樣可以去除環境噪聲的干擾。激光器的發光波長和探測器的探測波長需要通過實驗進行確定和驗證，選用了發光中心波長在450nm的激光器，照射水稻葉片后得到的熒光光譜和背景光譜圖如圖4所示。圖中“I”所示的位置為光源發光的波峰，圖中“2”的位置為熒光波峰。從兩條光譜的對比上可以看到，在740nm附近(圖中“2”所示的位置)有明顯的熒光波峰。由此確定激光器誘導波長740nm附近，需要探測的熒光波長應為450nm附近，優選地，本實施方式中，所述激光器的發光中心波長為450nm,所述濾光鏡的通過突光波長為740nm。參照圖1，優選地，所述裝置包括電源，所述電源分別與所述激光器恒流驅動單元和所述信號處理單元連接，本實施方式中，所述電源可以包括串聯的集成芯片LM317和集成芯片AS1117。 參照圖5，優選地，所述激光器恒流驅動單元包括依次串聯的前級放大電路和壓控電流供應電路。前級放大電路可以調整輸入到壓控電流源的電壓大小，從而調整驅動電流的大小。前級是由LM324運算放大器組成的負反饋放大電路，通過調整可調電阻R303可以控制輸入到壓控電流源的電壓大小。壓控電流源由兩個運算放大器構成并在電路的輸出端加入NPN三極管進行擴流。圖中的LD就是激光器恒流驅動的輸出端。優選地，所述信號處理單元包括電流/電壓轉換電路、儀表放大電路和低通濾波電路。參照圖6，電流/電壓轉換電路將探測器輸出的電流信號轉換為電壓信號，可以利用高性能運算放大器的負反饋原理實現，本實施方式中，所述電流/電壓轉換電路采用0PA277運放，利用運放虛斷的特性，將電流流過RlOl后，轉換為電壓信號。參照圖7，儀表放大電路可以使用專用的儀表放大芯片或利用運算放大器實現，本實施方式中選用了放大倍數可調的儀表放大集成芯片AD620，通過調節電阻R102，就能改變放大倍數。參照圖8，低通濾波器是利用0PA2277運放集成芯片設計的四階低通巴特沃斯，截至頻率100Hz。本實施方式的裝置的工作原理為當作物缺水時，葉綠素熒光強度會呈減小的趨勢，通過Y型的光路系統測量激光誘導下熒光的強度，可以利用傳統方法測得的土壤水分含量與植物葉綠素熒光強度建立土壤水分反演模型，對系統進行標定，標定后就可以通過熒光的強度反演土壤中水分的含量，土壤水分反演模型可以通過利用烘干法或電測法測定的土壤水分含量與植物葉綠素熒光強度的相關關系獲得。由以上實施方式可以看出，本本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種作物根系土壤水分的熒光測定裝置，其特征在于，所述裝置包括：激光器恒流驅動單元、激光器、探測器、以及信號處理單元，所述激光器恒流驅動單元與所述激光器連接，所述探測器與所述信號處理單元連接，所述激光器恒流驅動單元驅動所述激光器發出的光照射至待測作物葉片上，所述探測器接收所述待測作物葉片發出的熒光，并將產生的電信號發送至所述信號處理單元，所述信號處理單元對所述電信號進行處理，以實現所述待測作物根系土壤水分的測定。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：董大明，鄭文剛，張石銳，趙賢德，矯雷子，郭瑞，鮑鋒，單飛飛，
申請(專利權)人：北京農業智能裝備技術研究中心，
類型：實用新型
國別省市：