植物叶片厚度精密测量技术的研究

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3.0 陈辉 2024-11-20 6 4 1.51MB 73 页 15积分

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植物叶片厚度精密测量技术的研究

摘要

目前，农业灌溉水浪费现象严重，所以希望能够提高农业灌溉水的利用率，

加快由传统的粗放型农业向现代化的精准型农业转型的过程，进而解决水资源短

缺问题。针对传统的农业节水灌溉系统存在的弊端，提出以植物器官（本文选择

植物叶片）的几何尺寸作为反馈控制变量的新型智能节水灌溉系统，把植物作为

被控对象，构成真正的闭环控制系统，提高控制精度，从而提高节水率。对于这

种新型智能节水灌溉系统的建立，本文主要是对其中的如何实现对植物叶片厚度

的高精度测量，以及寻找根据植物叶片厚度反映出来的植物生长规律模型等方面

进行了深入的研究。

本文的研究内容主要涉及以下几个方面：

1. 针对植物叶片是生物材料的特殊性、其几何尺寸是在微米级变化等情况，

提出对植物叶片厚度进行高精度柔性测量。在研究植物叶片弹性模量的基础上，

将目前工业计量中较成熟的高精度测量技术应用到对植物叶片厚度的测量方面。

2. 研制开发出测量植物叶片厚度的测量仪器，并对其性能进行了分析。研发

了两种测量仪器：电阻应变式叶片厚度测量仪；四路电感式叶片厚度测量仪。结

合本课题的设计要求，在能够满足高精度测量的前提下，对电感式叶片厚度测量

仪进行了微型化设计与制作。

3. 利用所研制的电感式叶片厚度测量仪对植物进行很长时间的监测实验，从

而获得大量非常宝贵的实验数据。对所得的实验数据进行分析与处理，得到根据

植物叶片厚度反映出来的植物生长规律模型，并与用其他方法获得的植物生长规

律进行比较分析。

本文通过对新型智能节水灌溉系统的关键技术的研究，获得了非常富有意义

的结论。但是在有些方面还存在一些问题，有待今后做进一步的分析研究。

关键词：节水灌溉精密测量传感器植物叶片厚度植物生

长规律数学模型

植物叶片厚度精密测量技术的研究

-II-

Abstract

At present, it is very serious that the irrigation water waste in agriculture. So we

should improve the efficiency of irrigation and curtail the course of modern precise

agriculture taking place of traditional extensive agriculture. Furthermore the resoure of

water is saved. Aiming at the disadvantage of the traditional efficient irrigation system,

this paper puts forward a new kind of intelligent efficient irrigation system. This

system regards the geometrical size of plant organs as the feedback control variable,

and leaf is selected to be measured in this paper. Because the plant is the controlled

device, the new intelligent efficient irrigation system realizes the genuine closed-loop

control system. Thereby the control precision and the efficience of saving water are

improved. In order to establish the new intelligent efficient irrigation system, this paper

incubrates how to exactly measure the geometrical size of plant organs, moreover it

finds the growth regularity of plant according to the change of leaf thickness.

The paper expounds on the following aspects:

Firstly, because plant leaf is specially biological material and the change of the

leaf thickness is in micron rank, this paper puts forward to exactly flexible measuring

the thickness of plant leaf. Presently the measurement technology of high precision is

very sophisticated in industry. So we can apply it to measure the thickness of plant leaf

based on the study of the elastic ratio (Young’s modulus) of the plant leaf.

Secondly, the instrument is produced to measure the thickness of plant leaf. And

the performance of the instrument is analysed. We design and produce two kinds of

instruments. One is strain guage amesdial, the other is inductance amesdial and it can

use four sensers to measure the thickness of plant leaf at the same time. According to

the requirements of the subject, we design and produce the tiny inductance amesdial to

measure the plant leaf when it can reach the measurement precision.

Thirdly, we have done measurement experiment for a long time, and the

experiment is to use the inductance amesdial that we produced to measure the

thickness of plant leaf. Then we get a lot of valuable data. After the data is anslysed

and worked, we get the model of plant growth regularity which is reflected by the

thickness of plant leaf. And we compare it with the other way.

The paper get very significative conclusion through studying the key technology

of the new intelligent efficient irrigation. At the end of the paper, the results of the

research are summarized for futher improvement.

Key words ：efficient irrigation, exact measurement, sensor, the

thickness of plant leaf, the growth regularity of plant, mathematical

model

植物叶片厚度精密测量技术的研究

-1-

摘要 ………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract ……………………………………………………………………………Ⅱ

第一章绪论 ……………………………………………………………………… 1

§1.1 课题研究背景…………………………………………………………… 1

§1.2 传统节水灌溉系统……………………………………………………… 2

§1.3 基于检测植物器官几何尺寸的新型智能灌溉系统…………………… 3

§1.3.1 基本思想 ……………………………………………………………… 3

§1.3.2 此种智能节水灌溉系统在国内外的发展现状 ……………………… 3

§1.3.3 关键技术 ……………………………………………………………… 5

§1.4 课题来源与研究目的和意义…………………………………………… 5

§1.4.1 课题来源 ……………………………………………………………… 5

§1.4.2 课题研究的目的和意义 ……………………………………………… 5

§1.5 本论文的主要工作……………………………………………………… 5

第二章测量方案总体设计 ……………………………………………………… 6

§2.1 新型智能节水灌溉系统原理…………………………………………… 6

§2.1.1 新型智能节水灌溉系统……………………………………………… 6

§2.1.2 新型节水灌溉系统与传统节水灌溉的比较………………………… 6

§2.2 本课题核心技术的研究………………………………………………… 7

§2.3 研究方案分析…………………………………………………………… 8

§2.3.1 设计要求与参数指标………………………………………………… 8

§2.3.2 测量力的研究方案…………………………………………………… 8

§2.3.3 测量仪器的研究方案………………………………………………… 8

§2.3.4 植物叶片厚度变化规律数学模型的建立方案……………………… 9

第三章植物叶片弹性模量的测量与研究 ………………………………………10

§3.1 胡克定律法测量植物叶片的弹性模量…………………………………10

§3.1.1 胡克定律法测量植物叶片弹性模量的原理…………………………10

§3.1.2 采用胡克定律法的测量试验…………………………………………11

§3.2 悬臂梁积分法测量植物叶片的弹性模量………………………………12

§3.2.1 悬臂梁积分法测量植物叶片弹性模量的原理………………………12

§3.2.2 采用悬臂梁法的测量试验……………………………………………14

§3.3 小结………………………………………………………………………15

第四章电阻应变式叶片厚度测量仪的设计与研制 ……………………………17

植物叶片厚度精密测量技术的研究

-2-

§4.1 测量传感器的选择………………………………………………………17

§4.2 电阻应变式叶片厚度传感器的设计与研制……………………………18

§4.2.1 弹性元件的参数设计…………………………………………………18

§4.2.2 传感器机械结构设计…………………………………………………18

§4.2.3 误差分析………………………………………………………………20

§4.3 电阻应变式叶片厚度测量仪器的设计…………………………………21

§4.3.1 设计要求………………………………………………………………21

§4.3.2 方案选择与论证………………………………………………………21

§4.3.3 硬件电路设计…………………………………………………………22

§4.3.4 软件设计………………………………………………………………23

§4.3.5 使用说明………………………………………………………………24

§4.3.6 新型智能节水灌溉演示系统…………………………………………24

§4.4 应变式叶片厚度传感器的性能参数……………………………………25

§4.5 存在问题及改进措施……………………………………………………26

第五章微型化电感式叶片厚度测微仪的设计与研制……………………………27

§5.1 测量仪器设计要求………………………………………………………27

§5.2 电感传感器的选择与应用………………………………………………28

§5.2.1 电感传感器的选择……………………………………………………28

§5.2.2 电感传感器的工作原理………………………………………………29

§5.2.3 电感传感器在本设计中的应用………………………………………29

§5.3 微型化电感式叶片厚度测量仪器的设计………………………………30

§5.3.1 传统电感测微仪………………………………………………………30

§5.3.2 电感测微仪的微型化硬件电路设计…………………………………31

§5.3.3 软件设计………………………………………………………………33

§5.3.4 单芯片方案——差动变压器信号调节芯片的开发应用……………36

§5.3.5 微型化电感式叶片厚度测量仪的使用说明…………………………38

§5.4 电感传感器的特性参数测量分析………………………………………39

第六章数据分析处理与植物生长规律模型的建立………………………………40

§6.1 基本实验思想……………………………………………………………40

§6.2 植物生长规律模型的建立………………………………………………42

§6.2.1 数据分析与处理………………………………………………………42

§6.2.2 建模……………………………………………………………………43

第七章结论 ………………………………………………………………………49

植物叶片厚度精密测量技术的研究

-3-

§7.1 研究总结…………………………………………………………………49

§7.2 创新之处…………………………………………………………………50

§7.3 需要进一步解决的问题 …………………………………………………50

附录Ⅰ ………………………………………………………………………………51

附录Ⅱ ………………………………………………………………………………52

附录Ⅲ ………………………………………………………………………………53

附录Ⅳ ………………………………………………………………………………54

附录Ⅴ ………………………………………………………………………………55

参考文献 ……………………………………………………………………………57

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 …………………………61

致谢 ………………………………………………………………………………62

第一章绪论

-1-

第一章绪论

§1.1 课题研究背景

当今全球约有 80 个国家，

40%的人口面临缺水问题。联合国有关专家曾预言，

水将成为全世界最紧缺的自然资源之一，水问题将严重制约二十一世纪全球的经

济发展与社会发展，并可能导致国家间的冲突。我国水资源总量为 28100 亿m3，

人均水资源量约为 2300 m3，仅为世界平均值的 1/4。预计到 21 世纪 30 年代，我

国人口达到 16 亿高峰时，在降水总量不减少的情况下，人均水资源量将下降到

1760 m3，逼近国际公认的 1700 m3的严重警戒线。从 21 世纪发展来看，水资源

短缺已越来越成为我国社会经济发展的制约因素[3,16]。在我国，水资源利用情况

如图 1-1所示：

图1-1我国水资源利用情况

1.农业用水 2.工业用水 3.生态用水 4.城镇生活用水

农业用水量 1占总用水量的 73.4%，工业用水量 2占总用水量的 17.4%，生

态用水量 3和城镇生活用水量 4分别占 4.6%。由此可见在我国农业用水量占总用

水量的绝大部分，但是农业水资源利用效率却不是很高。农业用水中的浪费现象

相当严重，首先是农田灌溉水的利用率低，平均利用率仅为 45%左右，其次是农

田对自然降水的利用效率低，仅达到 56%，最后是农田用水的效率不高。因此，

我们要向农业用水要效率，尤其是向农业灌溉用水要效率[2]。农业节水不仅是我

国国民经济和社会可持续发展所要求的，也是我国农业资源，尤其是水资源短缺、

水土资源配置失衡等严峻形势所决定的。农业节水对保障国家水安全、粮食安全

和生态安全，推动农业和农村经济可持续发展，具有重要的战略地位和作用。我

植物叶片厚度精密测量技术的研究

-2-

国农业缺水在很大程度要依靠节水予以解决，加强我国节水农业技术的研究，以

科技创新促进生产力发展，建立和完善适合我国国情的现代节水农业技术体系，

将成为促进我国节水农业可持续发展的重大战略举措之一[1,4,45]。随着全球性水资

源供需矛盾的日益加剧，世界各国，特别是发达国家都把发展节水高效农业作为

现代农业可持续发展的重要措施。发达国家在农业生产实践中，把提高灌溉（降）

水的利用率、单方水的利用率、水资源再生利用率作为研究重点和主要目标。现

代农业节水技术是在传统的农业节水技术中融入了生物、计算机模型、电子信息、

高分子材料等一系列高新技术，具有多学科相互交叉、各种单项技术互相渗透的

明显特征[40,47]。在提高农业用水的利用率和水的生产效率的农业节水技术研究中，

不仅涉及到与土壤——植物——大气系统中的界面过程，水分传输和系统反馈的

机制，水分调控的途径以及大气水、地表水、地下水、土壤水转化关系等相关领

域内的前沿技术，还与利用现代高新技术对水资源、土壤水分和作物水分进行监

测调控，根据作物需水规律进行精量灌溉等关键技术有关。为此，必须以具有学

科交叉性的重大前沿性技术研究为基础，研发与农业节水相关的重要关键技术，

探索建立适合国情的现代农业节水技术体系。所以我们要在研究节水农业基础理

论的基础上，将生物、信息、计算机、高分子材料等高新技术与传统的农业节水

技术相结合。提升节水农业技术的高科技含量，建立适合国情的节水农业技术体

系，加快由传统的粗放型农业向现代化的精准型农业转型的过程[7,13,14,17]。

§1.2 传统节水灌溉系统

目前我国以及世界各国传统的节水灌溉系统中反馈控制变量是土壤的湿度、

温度和空气的温度以及植物水分蒸腾量等[49,51]，见图 1-2。

图1-2传统节水灌溉控制系统

这些控制变量都是从与作物生长环境的有关方面评价植物水分亏缺指标，如

土壤湿度，都属于利用间接指标来对灌溉系统进行控制。实际上植物是土壤—植

输出

植物

土壤温度

土壤湿度

空气温度

节水灌溉系统

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摘要：

植物叶片厚度精密测量技术的研究I摘要目前，农业灌溉水浪费现象严重，所以希望能够提高农业灌溉水的利用率，加快由传统的粗放型农业向现代化的精准型农业转型的过程，进而解决水资源短缺问题。针对传统的农业节水灌溉系统存在的弊端，提出以植物器官（本文选择植物叶片）的几何尺寸作为反馈控制变量的新型智能节水灌溉系统，把植物作为被控对象，构成真正的闭环控制系统，提高控制精度，从而提高节水率。对于这种新型智能节水灌溉系统的建立，本文主要是对其中的如何实现对植物叶片厚度的高精度测量，以及寻找根据植物叶片厚度反映出来的植物生长规律模型等方面进行了深入的研究。本文的研究内容主要涉及以下几个方面：1.针对植物叶片是生物材...

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