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技术与应用

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作物水胁迫声发射监测系统的研究

发布日期:2014-12-02 14:10    浏览次数:

作者:尹飞星等
摘 要:水是农业生产的命脉,但我国目前农业中的水利用率却很低,水胁迫声发射监测系统的研究是实施视情自动灌溉提高水利用效率的重要途径之一。为此,通过AE 检测系统来采集植物的生理信息,以DSP为核心对声发射信号进行监测和实时信号处理,然后对数据进行存储、输出以及查询,实现系统的自动控制。本系统可实施自动灌溉或定时灌溉,提高了水的利用率,并且促进了农业生产管理的自动化。
关键词:农业基础科学;作物水胁迫;设计;声发射;监测;控制系统;DSP;信号处理
0 引言
水是农业的命脉。在我国特别是西北和北方地区水资源供需矛盾日趋尖锐,致使农业面临着巨大的缺水压力;另一方面,我国农业用水的有效利用率却很低。据统计,渠灌区水利用率只有30%~ 40%,井灌区也只有60%;而一些发达国家却可达到80%。
我国21世纪的农业发展面临的供水危机将更加严峻,解决上述危机的根本出路是大力发展高效节水农业,逐步提高农业用水利用率和每方净耗水量的农产品产出率,力求以最少的水量投入,获得最大的生产效率。
1 国内外研究概况和发展趋势
对作物水分情况进行准确、快速、可靠的评估是有效进行视情精准灌溉的理论基础。迄今为止,不同的灌溉系统各有自己不同的水分评估指标,这些指标各有特色,尚没有形成系统、标准化的评估指标或指标系统,这说明寻找一个真正符合人们全面意愿的水分亏缺诊断指标极具挑战性,同时提示可能尚有重要的水分生理过程在以往的水分亏缺理论研究中被忽略。
以往的水分评估指标大体分为3种类型:一是以土壤为对象,属于间接指标。其优点是比较稳定,受环境影响小;但其毕竟是反映作物生长环境的间接方式指标,反映比较迟钝、滞后、精度低。二是以环境为对象,通过环境条件的变化估计作物水量,
也属于间接指标。以环境为对象的指标主要有通过水面蒸发量来估计同期作物耗水量,来指导灌溉。其优点是简便易行,缺点是精度较低。三是直接以作物为对象,这类指标受到越来越多的关注。

以作物为对象,从不同的角度来研究,如叶片含水量、叶水势和渗透势、叶片或冠层温度、气孔平均开张度(ISO)或气孔水汽扩散阻力、茎直径的变化、蒸腾速率等。但是采用这种方法需要将电阻传感插针刺入植株茎秆,这样多少会对植物体造成伤害并影响测试精度。
然而,近几年植物水分生理研究的最新进展让研究者开始从一个前所未有的视点重新审视植物本身,研究者忽然发现,植物其实一直以自己的“语言”在时刻向研究者传达着缺水的信号,即所谓的“会说话的植物(The speaking plant)”,只是这种声音以前被忽略了。植物的“语言”是指发生在植物水流通路上由于缺水而造成水流断裂时发出的爆裂声,或称为“尖叫声”(screaming),即植物的“声发射”现象。
根据作物受水胁迫的程度实施视情自动灌溉是提高节水效率的重要途径之一。研究表明,利用声发射技术简称AE(Acoustic Emission),可以检测得到作物的受水胁迫程度,利用声发射技术,基于计算机的虚拟仪器系统对作物的水胁迫及其视情自动灌溉系统进行了研究,并取得了初步结果。
2 研究现状及分析
目前主要是对基于计算机的虚拟仪器系统对作物的水胁迫及其视情自动灌溉系统进行了研究。
这种系统的基本组成如图1所示。
1) 声发射传感器用于检测作物受水胁迫发出的超声信号,并转换成微弱的电信号,然后通过信号放大器放大,输入给数据采集装置,最后通过计算机测控系统进行处理。具有数字量输出的电子天平用于检测作物的蒸腾及其蒸腾速率T(Transpiration),
它将作物蒸腾量直接转换为数字信号,并通过RS232输入给计算机系统。
2) 水泵及其喷灌、滴灌系统由计算机控制,当作物发生水胁迫时,计算机会自动发出指令实施灌溉。系统的程序是基于虚拟仪器平台LabWindows/CVI,采用虚拟仪器技术开发的。
3) 整个软件由数据采集、显示和控制、参数设定模块组成。运行过程中的任何时候,都可通过计算机屏幕上的虚拟旋钮和按键进行操作。
4) 采集、显示和控制模块主要实现对声发射(作物水胁迫)和作物蒸腾速率T 的采集和显示。然后将声发射(作物水胁迫)信号实时地与设定值

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3 研究内容及其实现方案
3.1 监测原理
为了寻求敏感的植物需水信息,国内外学者进行了大量的研究工作。研究人员从不同方面入手,寻找评价植物是否缺水的指标,从而对植物水分胁迫进行检测。例如,从叶面蒸腾减少来判断植株缺水程度(作物水分亏缺指数CWSI = 1−T /Tp );通过
测茎液流速来计算蒸腾量从而反映植物的水分状况。又如,干旱造成的植株体液浓度变化可导致植物体的导电率及其电阻变化,通过测量植株生理电阻的变化探讨了植株的亏水程度,但是采用这种方法需将电阻传感插针刺入植株茎秆,这样多少会对植物体造成伤害并影响测试精度。
植物木质部气穴现象( xylem cavitations)可作为一个特殊的植物响应用于自动灌溉系统的开发。水分运输的内聚力理论阐述了水在土壤—植物—大气连续体中的运输规律,表明水是在处于一定的负压力或张力下传输的,但是当土壤变得干燥时,该张力就会增加,当其超过一个极限值时,由于水分子间的内聚力失效或对导管壁的附着力失效,水柱的连续体就不能再保持下去,从而发生断裂或抽空,这就是植物木质部的气穴现象。植物木质部出现气穴的同时会伴有声发射信号的产生,其确切的起因还不清楚,但通常认为是导管中气穴产生时张力的突然释放而产生的冲击波,伴随着冲击波的发生就产生了声发射信号, 声发射信号在超音频(100k~ 300kHz)范围内,可被用来做表征植物水胁迫的指标。
3.2 系统的组成和工作原理
声发射(AE)是指植物体在形变或受外界作用时,因迅速释放(弹性)能量而产生瞬态应力波的一种物理现象。声发射检测系统是用于识别声发射信号的,信号接收系统如图2所示。

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声发射信号是声信号,需由AE换能器把声信号转换为电信号;由于传感器的输出信号量级通常为微伏到数十微伏,在换能器和信号分析器之间长距离传输时,信噪比会下降。因此,信号须经前置放大器与主放大器后再传输。声发射信号是衰减的正弦波信号,有一定的频带范围,为减小噪声,提高信号判别准确性,需加信号滤波器;放大的信号经信号分析器产生信号参数,再经信号判别器判别信号的性质。系统的整体组成如图3所示。

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声发射传感器用于检测作物受水胁迫发出的超声信号,并转换成微弱的电信号,然后通过信号放大器放大,输入给数据采集装置。最后,通过计算机测控系统进行处理。
本系统采用II5I型声发射传感器来检测植物缺水时发出的超声信号。其工作原理为:利用压电陶瓷材料在机械外力作用下的正压电效应,把机械能转换成电信号。在结构上,II5I型声发射传感器属于单端输出式,利用压电晶体的共振电可得到很高的灵敏度。为了降低传感器与前置放大器间的电缆阻抗,从而减少电波干扰,II5I将20dB的前置放大器内置。
系统实现的功能:
1) 信息采集与数据传输功能。AE采集的植物生理信息。
2) 数据处理功能。系统具有数字滤波、异常信号剔除、数据变换等处理功能。
3) 数据存储及查询功能。系统具有较强的数据存储功能,可按日期和参数分类存储监测信息,同时用户还可以方便地进行历史数据查询。
4) 信息输出功能。系统可以方便地与外界交换信息,如监测数据的动态显示、声光报警。
5) 控制功能。本系统可实施自动灌溉或定时灌溉,从而促进农业生产管理的自动化。
4 结论
本系统通过AE来采集的植物生理信息,以DSP为核心对声发射信号进行监测和实时处理,然后对数据进行存储和输出,实现系统的自动控制。系统采用DSP不仅可以实时地处理数据而且还可以使系统小型化。同时,这样的设计可以使整个系统集成到一块电路板上,不同于以前的只是把几个电路板组装的系统,集成后的系统具有更高的可靠性和稳定性。本系统不仅具有以前系统中能够和计算机连接通过计算机进行数据分析的功能,而且还可以单独完成系统的控制,小巧灵活更适宜我国不同地域的不同地理情况下使用。