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

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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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