专利名称：一种精密诊断植物水分的电磁波共振腔法的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种用电磁波技术无损检测活性植物水分的方法。
背景技术：
水资源短缺是制约世界经济发展和生态重建的主要因素，开发水资源和节约用水已成为人们研究的热点，特别是节约用水潜力巨大。例如，发达国家农业灌溉用水的利用率可达80％以上，而我国仅为30％～40％。因此节水灌溉是解决我国缺水问题的必由之路。对于植物水分监测诊断技术的研究，可分为如下三个阶段。
第一阶段，根据土壤湿度判断植物是否缺水。传统土壤水分测量技术有电容法和电阻法。最近，Huebner等人介绍了TDR法在测量土壤水分上的应用；Sachs介绍了UWB技术在测量土壤水分上的应用；Balendonck等人介绍了MCM120在测量土壤水分上的应用。一般来说，采用高频电磁波测量精度较高，受盐分累积等因素的影响小。
第二阶段，采用喷灌技术，并出现了自动化的节水灌溉技术。主要检测指标是温度、土壤湿度和环境湿度，它使节水率大幅度提高。
第三阶段，研究快速检测植物水分亏缺的传感器技术，建立植物水分信息的感受、传递与传导过程，获得植物水分信息诊断指标体系，开发诊断植物缺水状况的新型传感器技术和产品；研究植物水分区域分布检测技术和植物蒸腾过程快速检测技术，获得土壤水分动态快速测定和预报技术及产品；研究植物生长信息与水分动态测量信息，运用现代信息技术建立具有监测、传输、诊断和决策功能的植物精量灌溉系统。
近代植物水分生理研究表明，植物水分状态的变化可以通过其根、茎、叶等各个器官体积上发生的微小变化反映出来。例如，以色列希伯莱大学的科学家应用微米级叶片厚度传感器对西红柿的灌溉系统进行了实验，取得了节水率35％，增产40％的效果。苏臣等人应用LVDT-5型位移传感器对玉米、柑桔等进行测量，分别取得了15.6％和21.4％的节水效果。但目前能达到这个量级的微位移传感器还存在很多问题。如测量精度与测量范围、测量力、测量环境、结构尺寸和重量等方面都存在矛盾。李东升等人研制成功了植物叶片水分间接柔性测量传感器。结果表明该传感器在0～1mm的范围内，传感器具有很好的线性度，测量范围达到设计要求。利用该传感器对一种盆栽花卉植物的叶片进行测量表明，上午叶片的厚度逐渐升高，中午逐渐降低然后平缓，叶片厚度变化反映了植物水分变化。蒋云飞等人研究变介电常数型传感器，该传感器夹在叶片上，当叶片水分变化时，其厚度变化，介电常数亦发生变化，从而得到叶片缺水信息。
同一发明人的申请号为200410040027.X的中国专利公开了“一种物质成分和含量的检测方法”，系涉及一种电磁波谱技术在识别物质成分和含量上的应用。该方法的核心是考虑了物质的弛豫特性，能识别物质的成分和含量。但该方法复杂，需要对被测样品进行升温，不适合于诊断活性植物的水分。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，通过直接测量植物根、茎、叶的水分含量变化来监测其水分状态变化，即用电磁波共振腔精密诊断植物水分的方法。
由电磁场理论可知，对于图1所示的中间填充了物质的圆柱形E010模金属共振腔，介质内的场方程为Ez(r)＝EmaxJ0(r) 介质外，金属腔内的场方程为Ez(r)＝A2J0(k2r)+B2Y1(k2r)
上式中，J第一类Bessel函数；Y为第二类Bessel函数；J0是零阶第一类Bessel函数；Y1是零阶第二类Bessel函数；εa、εb与μa、μb分别为a区和b区的介电常数与磁导率；k1=ω/cϵaμa,]]>k2=ω/cϵbμb.]]>利用电磁场边界条件得f1(Prk0)＝f2(k0，k0b/a)上式中，f1和f2分别为第一类和第二类Bessel函数；pr2=ϵa/ϵb;]]>k0=ωϵbb/c.]]>求解上述超越方程即知共振腔的共振频率与介质半径和介质介电常数的关系。在介质半径一定时，亦就得到共振腔的共振频率与介质介电常数的关系。
若用扫频电磁波激励图1所示的共振腔，实验装置方框图见图2。由电磁波电路理论可知，共振腔的共振曲线可用如下方程来拟合|S21|2=xy+(z-f)2]]>上式中，x，y，z是拟合参数；fr＝z是共振腔的共振频率；Q=z/2y]]>共腔的品质因素(Q值)。因为 由此可见，在入射波功率一定时，对不同频率的扫频电磁波，通过检测共振腔内传输波的功率即可测量出共振腔的谐振频率和Q值。
若将放入共振腔内的植物建模为干植物与水的混合物，其等效介电常数为εe＝ε1α1+ε2α2上式中，ε1和ε2分别为水和干植物的相对介电常数；α1和α2分别为水和干植物的体积比。由上述讨论可见，仅需测量出共振腔围住植物前后，共振腔的共振频率和电磁波信号的输出电压。通过实验校准，即可反演出植物的水分含量。图3和图4分别是共振腔的共振频率和Q值与物质水分含量的关系。
实验结果如下在图2所示的实验条件和25℃的环境下，利用昆明金汇通无线与微波技术研究所开发的电磁波波谱仪测量得到的云南某灌木苗、杜鹃花苗以及万年青树苗缺水情况的电磁波波谱见图5～图7所示。其中，图5表明了云南某灌木苗缺水情况的电磁波波谱图；图6表明了云南某杜鹃花苗缺水情况的电磁波波谱图；图7表明了云南某万年青树苗缺水情况的电磁波波谱图。图8～图9表明了云南某灌木苗浇水后每隔10天的测量情况，数据处理后得到的时间与电磁波信号的输出电压的变化趋势以及时间与电磁波共振腔的共振频率的变化趋势分别见图8和图9所示。由以上关系图可以看出，电磁波信号的输出电压以及电磁波共振腔的共振频率随着植物缺水状态的变化而变化，因此，电磁波共振腔法可用于精密诊断植物缺水状况。
本发明所述的精密诊断植物水分的电磁波共振腔法由以下步骤组成一、提供电磁波与待测物的强相互作用共振区；二、由计算机读取共振区中没有待测物的共振频率和电磁波信号的输出电压，并计算出其共振频率和Q值，列表存入计算机，完成实验准备过程；三、由计算机读取共振区中有待测物的共振频率和电磁波信号的输出电压，并计算出其共振频率和Q值，列表存入计算机；四、根据步骤二和三的共振频率和电磁波信号的输出电压即可反演其水分含量的变化。
所述的待测物分别是植物的根、茎、叶；所述的共振区是被电磁波激励的共振腔产生的共振区，采用分布参数谐振腔会使检测精度更高。所述的金属共振腔是开放式的，其形状可为多种形状，如环形、平面形、曲面形等。当形状为环形时，待测物置于环形之中；当形状为平面形、曲面形时，平面形、曲面形应靠近待测物，其距离应小于激励的共振腔的电磁波的一个波长。共振区的温度稳定性要好，当环境温度变化时，共振腔的共振频率不变。所述的计算机可以是普通PC机，若开发专用产品可用单片机、DSP和FPGA等来实现。
根据上面的方法，本专业的普通技术人员就可以实施本发明技术，实现发明目的。
本发明的优点本发明不用传统的监测植物根、茎、叶等各个器官体积上发生的微小变化来检测其水分状态的变化，与监测植物根、茎、叶等各个器官体积上发生的微小变化来检测其水分状态变化的方法比较，本发明直接测量植物根、茎、叶的水分含量变化来监测其水分状态变化，测量精度高、测量范围广、不受测量力的影响；与根据土壤湿度判断植物是否缺水的方法比较，本发明直接测量植物根、茎、叶的水分含量变化，能满足植物精量灌溉系统的要求。本发明可以将共振腔直接靠近正在成长的待测物，如采用环形共振腔时，将环形共振腔围住待测植物的茎或叶，采用平面形、曲面形共振腔时，将共振腔靠近待测植物茎或叶，可以进行动态、无损、实时检测，还可以连接灌溉系统，进行自动灌溉。
图1为圆柱形金属共振腔及其坐标系。
图2为实验装置方框图。
图3为共振腔的共振频率与物质水分含量的关系。
图4为共振腔的Q值与物质水分含量的关系。
图5为云南某灌木苗缺水情况的电磁波波谱图。
图6为云南某杜鹃花苗缺水情况的电磁波波谱图。
图7为云南某万年青树苗缺水情况的电磁波波谱图。
图8为云南某灌木苗缺水情况与时间的变化趋势图。
图9为云南某灌木苗缺水情况与时间的变化趋势图。
图10为实施例中的装置结构示意图。
图11为实施例中的电路方框图。
图中1-发射系统，2-电磁波耦合器装置，3-通孔，4-接收系统，5-接口，6-计算机，7-共振腔。
具体实施例方式
实施例见图10和图11。
计算机6通过接口5控制发射系统，发射系统1输出扫频电磁波，扫频电磁波经耦合装置2进入金属共振腔7，共振区腔内有一通孔3，该通孔提供了共振腔与植物茎部的强相互作用区，作用后的电磁波经耦合装置2输出，耦合装置输出的电磁波进入接收系统4，接收系统处理后的信号由接口5进入计算机6。计算机处理接收到的信息即可反演植物的缺水状况。
在本实施例中，圆柱形金属共振腔由两个等体积的半圆柱组成，并且中间开孔，半圆柱高度为14mm，内半径为48mm，外半径为52mm，材质为因钢，以保证良好的温度稳定性；微波耦合装置为电耦合棒，电耦合棒的半径为1mm，长为4mm；通孔直径为13mm；发射系统由扫频电路、控制电路、多功能卡和接口电路组成；接口电路分别用于将计算机与发射系统和接收系统连接；接收系统由检波电路、放大电路、多功能卡和接口电路组成；计算机为普通PC机。
以上实施例仅对发明做进一步的说明，而本发明的范围不受所举实施例的局限。
权利要求
1.一种精密诊断植物水分的电磁波共振腔法，其特征在于由以下步骤组成一、提供电磁波与待测物的强相互作用共振区；二、由计算机读取共振区中没有待测物的共振频率和电磁波信号的输出电压，并计算出其共振频率和Q值，列表存入计算机，完成实验准备过程；三、由计算机读取共振区中有待测物的共振频率和电磁波信号的输出电压，并计算出其共振频率和Q值，列表存入计算机；四、根据步骤二和三的共振频率和电磁波信号的输出电压即可反演其水分含量的变化。
2.如权利要求1所述的精密诊断植物水分的电磁波共振腔法，其特征在于所述的待测物分别是植物的根或茎或叶。
3.如权利要求1所述的精密诊断植物水分的电磁波共振腔法，其特征在于所述的共振区是被电磁波激励的共振腔产生的共振区。
4.如权利要求3所述的精密诊断植物水分的电磁波共振腔法，其特征在于所述的共振区是分布参数谐振区。
5.如权利要求1、3、4所述的精密诊断植物水分的电磁波共振腔法，其特征在于所述的共振区是开放式的。
6.如权利要求1、3、4所述的精密诊断植物水分的电磁波共振腔法，其特征在于所述的共振区的温度稳定性好，当环境温度变化时，共振腔的共振频率不变。
7.如权利要求1所述的精密诊断植物水分的电磁波共振腔法，其特征在于所述的计算机是普通PC机。
8.如权利要求1所述的精密诊断植物水分的电磁波共振腔法，其特征在于所述的计算机是单片机或DSP。
全文摘要
本发明涉及一种用电磁波技术无损检测活性植物水分的方法。由以下步骤组成一、提供电磁波与待测物的强相互作用共振区；二、由计算机读取共振区中没有待测物的共振频率和电磁波信号的输出电压，并计算出其共振频率和Q值，列表存入计算机，完成实验准备过程；三、由计算机读取共振区中有待测物的共振频率和电磁波信号的输出电压，并计算出其共振频率和Q值，列表存入计算机；四、根据步骤二和三的共振频率和电磁波信号的输出电压即可反演其水分含量的变化。本发明直接测量植物根、茎、叶的水分含量变化来监测其水分状态变化，测量精度高、测量范围广、不受测量力的影响。
文档编号G01N23/00GK1991344SQ20051004878
公开日2007年7月4日 申请日期2005年12月31日 优先权日2005年12月31日
发明者黄铭, 赵东风, 宗容, 杨明华, 蔡光卉, 施继红, 杨晶晶 申请人:云南大学