一种作物茎秆直径微变测量装置的设计

员玉良,李新成,吴 倩,张 健

(1.青岛农业大学机电工程学院，山东 青岛 266109；2.青岛市城阳区红岛街道办事处，山东 青岛 266109)

一种作物茎秆直径微变测量装置的设计

员玉良1,李新成1,吴 倩2,张 健1

(1.青岛农业大学机电工程学院，山东 青岛 266109；2.青岛市城阳区红岛街道办事处，山东 青岛 266109)

通过无损、连续观测作物茎秆直径微变化，可以有效评估作物体内水分状况，进而指导科学灌溉。针对当前商用茎秆直径传感器价格昂贵的现状，提出了一种基于线性可变差动变压器原理的作物茎秆直径微变测量装置。该装置由机械支架、传感器探头和信号处理电路等部分组成。机械支架起支撑传感器探头和固定传感器的作用；传感器探头为线性可变差动变压器，可将茎秆直径的变化转换为电信号；信号处理电路主要由信号激发和调理电路组成，实现标准信号输出。作物茎秆直径微变测量装置与两种商用高精度激光测茎仪的相关系数分别达到0.978和0.929，测量精度为±10 μm。现场试验结果表明，该作物茎秆直径微变测量装置具有测量精度高、反应灵敏、适应性和稳定性好等优点。采用该作物茎秆直径微变测量装置，不仅可以大大提高作物水分检测系统的精度和自动化程度，而且还可以有效降低使用成本，应用前景广阔。

传感器； 变压器； 检波电路； 灌溉； 茎秆直径； 数据采集

0 引言

作物水分状况的实时监测是精准灌溉的基础[1]。因此，实现连续、无损、准确、及时地获取作物体内的水分情况显得尤为重要。植物体内的水分含量发生变化，会引起植物体茎秆直径的变化[2]。通过测量作物茎秆直径微变化，可以了解作物体内的水分状况，并评估体内受水分胁迫情况，进而指导科学灌溉[3-4]。早在2005年，Nortes等发现茎秆直径微变化能够很好地反映小杏树的水分胁迫状态[5]； Swaef等提出综合茎流速率和茎秆直径变化来指示番茄的缺水状态[6]，而Zhang等以盆栽棉花为试验样本，认为茎秆直径变化可以指示棉花水分状态[7]。国内学者对此也进行了相关研究。2006年，孟兆江等试验证明了茎秆直径微变化可以较准确地反映温室茄子的亏水状态[8]；2011年，李晓彬等将茎秆直径及其影响因素相结合，提出了梨枣树的灌溉指标[9]。

目前，常用的茎秆直径测量方法主要有人工法、基于光学原理的激光测径仪(laser diameter meter，LDM)和基于线性可变差动变压器(linear variable differential transformer，LVDT)原理的LVDT型传感器[10]。人工法不能实现在线测量，且主观测量误差较大；而后两种传感器通常价格昂贵，应用场合比较苛刻。基于此，本文设计了一种基于LVDT原理、面向作物的茎秆直径微变测量装置。

1 系统总体设计

作物茎秆直径微变测量装置主要由机械支架和电气控制两部分组成。机械支架起到支撑和固定传感器探头的作用，传感器探头通过机械支架接触到作物茎秆上，探头衔铁随作物茎秆直径变化而移动；电气控制部分主要用来将机械位移信号转换成可读取的电信号，并实现数据采集、存储、转换和显示等功能。

2 电气控制电路设计

作物茎秆直径微变测量装置的电气控制部分主要包括信号激发电路、传感器探头和信号调理电路三部分。信号激发电路产生的1～3 kHz的交流信号直接输入至传感器探头，以激发其内部的差动变压器工作。作物的茎秆直径发生变化会推动铁芯移动，引起传感器探头输出电压变化。该电压信号被输出至信号调理电路，由其完成检波和放大。

2.1 传感器探头

作物茎秆直径微变测量装置是基于线性差动变压器原理设计的。其核心为微型交流LVDT直线位移传感器。该传感器的本质为线性可变差动变压器。微型交流LVDT型直线位移传感器组成及工作原理如图1所示。

图1 传感器组成及工作原理图

图1中：激励信号由初级线圈输入，当衔铁处于中心位置时，次级线圈两边对中心抽头的电动势e1和e2大小相等、方向相反，所以输出总电压Uo为0。但是，当作物茎秆直径发生变化时，会推动铁芯在其内部移动，此时e1和e2不再相等，输出电压Uo发生变化，其大小与铁心位移变化Δx近似成线性关系，如式(1)所示：

k=Uo/Δx

(1)

式中：k为灵敏度系数。

显然，铁芯每移动一定的位移，传感器探头就会输出相应的电压，从而实现将位移信号转换为电压输出。

2.2 信号激发电路

考虑到所选用传感器探头的需要，本文设计了一种可产生频率1～3 kHz的正弦交流信号发生电路，如图2所示。该正弦交流信号经过一级放大后，直接输入到传感器探头的差动变压器作为激励源。

图2 交流信号发生电路

2.3 信号调理电路

信号调理电路完成信号的整形与放大。首先经过精密检波电路，将传感器探头输出电压信号，交流信号转换为直流信号，再通过专用仪器放大芯片AD620完成信号的放大，最终输出0～5 V的标准信号，以便进行后续的数据采集。信号检波电路和信号放大电路如图3所示。

图3 信号检波电路和信号放大电路

3 作物茎秆直径微变测量装置的标定与试验

为确保所设计作物茎秆直径微变测量装置具有良好的适应性、线性度、灵敏度及精度，本文进行了试验室标定和现场试验[11-12]。

3.1 作物茎秆直径微变测量装置的标定

为确保其测量精度，采用本文所设计的作物茎秆直径微变测量装置，分别与两种商用高精度激光测茎仪(LS-7600型数字测微仪和LDM-100型激光测径仪)，对同一株盆栽向日葵的茎秆直径测量。标定结果如图4所示。

图4 标定结果

3.2 作物茎秆直径微变测量装置的现场试验

为进一步验证作物茎秆直径微变测量装置的适应性和可靠性，本文以日光温室内的向日葵为研究对象，对其茎秆直径微变化进行跟踪观察，变化曲线如图5所示。

从图5可以看出，每天早上，向日葵样本茎秆开始收缩，至中午前后，达到最大值；之后，茎秆逐渐膨胀变粗，一直持续到次日凌晨，出现最小值。如此反复，向日葵样本的茎秆直径呈周期性日变化规律，但日最大收缩量因蒸腾作用强度不同而异：9月13日较小，约为0.35 mm；9月16日最大，达到1.00 mm左右。除了正常的周期性日变化外，向日葵样本的茎秆每天还有小幅度生长。从9月12日～9月18日大约生长了0.8 mm。

图5 向日葵茎秆直径变化曲线

4 结束语

本文设计了一种作物茎秆直径微变测量装置，并对其进行了试验室标定和现场试验。结果表明，该作物茎秆直径微变测量装置测量精度高，具有较高的灵敏度和适应性，且稳定性高、成本相对较低，尤其适用于小植物或者草本植物茎秆直径微变的在线监测，具有较好的应用前景和推广价值。

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[4] 林琭，汤昀，闫万丽，等.基于茎直径变化的精准灌溉技术研究进展[J].农业工程学报，2016，32(5):1-13.

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[12]严甜，袁越阳.模仿呼吸时肺通气试验装置的研制[J].自动化仪表，2016，37(12)：37-44.

Design of the Measuring Device for Micro-Variation of Crop Stem Diameter

YUN Yuliang1,LI Xincheng1,WU Qian2,ZHANG Jian1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Qingdao Agricultural University,Qingdao 266109,China； 2.Hongdao Subdistrict Office,Chengyang District,Qingdao City,Qingdao 266109，China)

Through the non-destructive and continuous observation of micro-variation of the crop stem diameter,the moisture content inside crop can be evaluate effectively,and then the scientific irrigation can be guided.Considering the current situation of expensive commercial available stem diameter sensors,based on the principle of linear variable differential transformer,a device for measuring micro-variation of crop stem diameter is proposed.The device consists of mechanical support,sensor probe and signal processing circuit,etc.Themechanical structure serves as a supporter for the sensor probeand fixed the sensor.The sensor probe is a linear variable differential transformer,which can convert the variation of stem diameter into an electrical signal.The signal processing circuit consists of the signal excitation circuit and signal processing circuit,implements standard signal output.The correlation coefficient between the measuring device for micro-variation of crop stem diameter and the two kinds of commercial high precision laser stem measuring instruments are 0.978 and 0.929 respectively,and the measurement accuracy is ±10 μm.The result of field tests further show that the device has advantages of high precision,sensitivity,adaptability and stability.Using the measuring device for micro-variation of crop stem diameter can not only greatly improve the accuracy and automation level of crop moisture detection system,but also can effectively reduce the costs.The application prospect is broad.

Sensor; Transformer; Detection circuit; Irrigation; Stem diameter; Data collection

青岛市民生科技计划基金资助项目(16-6-2-35-nsh)、青岛农业大学高层次人才启动基金资助项目(1116003、1116004)

员玉良(1981—)，男，博士，讲师，主要从事智能仪器与检测系统方向的研究。E-mail:ylyun1981@163.com。 张健(通信作者)，男，博士，讲师，主要从事伺服电机控制方向的研究。E-mail:zjflyingman@163.com。

TH71;TP216+.1

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201705020

修改稿收到日期：2017-01-19