（农业机械化工程专业论文）作物水胁迫声发射监测系统的研究及应用.pdf

摘要 。f 、 干旱历来是农业生产的主要自然灾害之一，而灌溉是人类用来避免干旱，提 高砌产量的基本手段。长期以来，如何准确判断作物水分亏缺程度、掌握生长 对水分亏缺反应的规律，为实时精确灌溉提供依据，一直是众多学者致力于研究 的课题，人们从不同方面入手。制订了相应的灌水指标在己建立的灌溉自动控 制系统中，土壤含水量或大气相对湿度是最常见的控制农作物灌溉的指标，但对 作物缺水丽言，这些都是反映作物生长环境的间接指标，对反映作物的缺水比较 迟钝、滞后。而在土壤一植物一大气连续体( 简称s p a c ) 中，植物才应该是是 否需要灌溉的最优指示物，因为只有它们才茸淝控制植物水分平衡的土壤因子和 大气因子综合起来。因此，从植物本身出发，) 本文在国内首次采用了以植株茎部 声发射信号作为农作物需水信息的新方法，运用目前在测控领域国际流行的虚拟 仪器技术，建立了对作物植株茎部声发射信息进行实时、快速测量的微机检测系 统，并以温室盆栽番茄为对象。研究了声发射信息同植物蒸腾以及环境因子间的 关系。试验结果表明，作物在水胁迫下产生的声发射信号与蒸腾量等水分指标的 致性较好。对水分亏缺反应敏感，是一个良好的灌水指标为此，本文在监测 系统的基础上扩展了系统功能。建立了基于植物生理需水信息的温室滴灌自动控 制系统，并进行了灌溉控制效果实验。同定时灌溉相比，按声发射信息控制灌溉 可节水3 4 0 2 ，而作物生长几乎不受影响，节水效果与经济效益显著。在河北农 业大学温室实际试用结果表明，该系统工作稳定可靠、操作方便灵活、测试结果 准确，适应了现代化农业科学生产和自动化管理的需要，并为开展植物生理、生 态研究提供了一个良好的研究手段，具有较高的实用价值和广阔的应用前景。 关键词：声发射；作物：水胁迫；虚拟仪器灌溉控制 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得二速 担皇越或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位做作者躲巾磷争签字吼渺年多胁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解i 亟坐壅型! i 有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅本人授权丝j 苎兰垒些盘! 翌可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲哗日轧蟹 签字日期：加1 年月o 日 导师签名： 蔽玺野 签字日期：庐啡么月f o 日 塑! ! 奎些盔堂堕圭堂竺丝苎 塑! 垩苎箜垦 引言 水与生命活动是紧密相关的，植物的一切生命活动只有在一定的细胞水分状 态下才能进行，而“由干旱、缺水所引起的对植物正常生理功能的干扰”就称为 水胁迫“1 ( w a t e rs t r e s s ) 。植物在生长过程中常遭受多种环境胁迫，包括异常的 温度，不利的土壤化学和物理条件及各种病虫的危害。但是。从长远来看，由于 水分亏缺的普遍存在性，它所引起的植物生长和作物产量的减少超过了所有其它 胁迫的总和”1 。因此，我们说“水是农业的命脉，水资源状况和利用水平已成为 评价一个国家一个她区经济能否持续发展的重要指标”。 我国是水资源相对贫乏的国家，虽然年平均淡水资源总量为2 8 万亿m 3 ，居 世界第6 位，但是按1 2 亿人口算，人均年占有量仅2 3 0 0 m 3 ，约为世界人均占有 量的1 4 ，居世界第1 0 9 位，是世界上人均占有水资源最贫乏的1 3 个国家之一。 农业是我国的用水大户，约占全国总用水量的7 3 。但传统温室及大田的灌溉方 法主要是根据耕作者的经验和意愿进行的，农业用水的有效利用率很差。水资源 浪费严重。据统计，我国渠灌区水的有效利用率只有4 0 左右，井灌区也只有6 0 * 左右，每m 3 水生产粮食不足l k g 。而一些发达国家水的利用率可达8 0 以上，每 m 3 水生产粮食都在2 k g 以上，其中以色列已达2 3 2 k g 。由此说明，我国各种节水 农业技术的综合应用程度还十分低下，与发达国家相比还存在着很大的差距同 时，这也使我们看到了在中国发展节水农业的巨大潜力和广阔前景”“。 视情灌溉是节水农业的重要组成部分，也是提高节水效率的重要途径之一。 该技术以实时监测与作物需水状况密切相关的参数为基础，通过计算机数据采集、 分析与控制软件发出指令来控制灌溉，从而既为植物供给充足的水以防止水胁迫 所造成的减产，又不使土壤水分饱和或供水超过需要而增加开支。为了有效地进 行视情灌溉，人们从不同方面研究作物缺水状况的评价方法。制定了相应的灌水 指标”。长期以来，人们把土壤含水量或大气相对湿度作为控制农作物灌溉的指 标，但这些指标毕竟都是反映作物生长环境的间接指标，对反映作物的缺水比较 迟钝、滞后，且精度低因此，从植物本身出发，使其成为“会说话的植物( t h e s p e a k i n gp l a n t ) ”，建立人与植物的对话，以植物自身在水胁迫下的生理变化作为 控制灌溉的依据已成为近年来国内外学者研究的热门领域”。 本课题即以此为基本思想，在国内率先采用声发射技术来检测温室蔬菜作物 的需水状况。即通过声发射传感器采集作物茎部在水胁迫下发出的超声信号，来 探索植物生理需水信息声学特性的发生、发展规律，并以此作为视情灌溉的理论 第2 页共6 5 页 河北农业大学硕士学位论文 依据，建立基于虚拟仪器技术的温室作物生理需水信息计算机自动监测与视情灌 溉系统，从而达到既保证作物高产优质又节水的目的。 l 概述 1 1 水胁迫对作物的影响“。” 植物的生长发育需要众多的环境因子凡是在自然环境中植物所需要的某 种物理的、化学的或生物的环境因子发生亏缺或超越植物所需的正常水平并对 植物生长发育产生伤害效应的环境因子，都称为逆境( s t r e s se n v i r o n m e n t ) 。当 亏缺或变化幅度超过植物正常生长要求的范围，即对植物产生伤害作用。从总的 影响和长远角度观察证实。由水分亏缺( 水胁迫) 引起作物生长和产量的减少超 过所有其它胁迫的总和 一般认为引起作物水分胁迫的原因主要有两个：是根区土壤水分的不足， 二是大气干旱时植物有过高的蒸散势土壤水分胁迫会减少水分的吸收：而由大 气温度过高、相对湿度过低太阳辐射强烈造成的干燥、高温、低湿和干热风的 气候条件。也会使植物蒸腾加剧，即使田间土壤含水量绝对数量并不低，不会影 响根系的吸收，但仍造成作物体内水分的入不敷出，破坏作物体内的水分平衡， 对作物产生不利影响 水分胁迫影响植物生长的每一方面。其最明显的总的影响是植株的大小、叶 面积及作物产量的下降水分亏缺会延缓、停止或破坏植物正常的生长发育，加 快或促进生活组织、器官和个体的衰老、脱落或死亡，而其随着水分亏缺程度的 加剧或延长，这种趋势随之增强水分亏缺一般都不利于植物的个体发育，给作 物的最后产量带来不利的后果因此，研究植物与水分的关系保持植物体内的 水分平衡，创造适于植物各种生理活动的水分环境，即成为农作物稳产高产的基 础。 1 2 作物水胁迫的诊断方法”嘲 对作物水分状况进行准确、快速、可靠的评价是有效进行视情精准灌溉的理 论基础。迄今为止，不周的灌溉系统各有自己不同的水分评价指标，这些指标各 有特色，但大多具有这样那样的缺点，尚没有形成权威的、标准化的评价指标或 指标体系。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 河北农业大学硕士学位论文 第3 页共6 5 页 性同时提示我们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 以往的水分评价指标大体可分为3 种类型一类是以土壤为对象，这是传统 上常采用的，属于间接指标；第二类以环境为对象，通过环境条件的变化估计作 物需水量，也属间接指标。第三类直接以作物为对象，这类指标受到越来越多的 关注。因为，人们逐渐认识到，归根到底，作物本身应该是是否需要灌溉的最佳 指示物，因为只有它们能把控制作物水分平街的土壤因子和大气因子整合起来。 以土壤为对象时多采用土壤水势或土壤相对含水量，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指标，且反映比较迟钝、滞后， 精度低因为：作物、品种及生长状况对土壤水分的反应有很大差异土壤 水分测定深度和作物根系深度存在不确定性根系分布和土壤水分是不均匀的。 使取样的难度增大。少量的降水或灌溉产生的局部灌水对整个根区水分亏缺的 判断带来困难。 以环境为对象的指标主要由通过水面蒸发量来估计同期作物的耗水量，从而 指导灌溉，其优点是简便易行，缺点是精度较低。 基于上述原因，以作物本身为对象的水分亏缺判断越来越受到众多学者的推 崇这一类指标可分为形态指标和生理指标两种 ( 1 ) 形态指标 形态指标是指作物与吸水相关的形态特性，如叶子颜色的变化、叶子角度的 变化和叶片卷拢的程度等。h m u r a s e 等人( 1 9 9 7 ) 用c c d 彩色摄像头对番茄秧 苗的形态指标作了监测，并采用有限元法进行了图像特征提取，而后应用神经网 络对植物含水量与图像有限元特征间的非线性关系进行识别和鉴定，从而预测正 在萎蔫的植物的水分状况。但是监测植物的萎蔫现象很难量化其缺水程度，而且 植物出现萎蔫时，生长已经减缓，甚至有些组织已遭破坏，因此长势长相的变化 不是确定需要灌溉的良好指标，寻求比其更敏感的植物水分胁迫的指标是必需的 ( 2 )生理指标 生理指标是指一些与水分相关的生理性状如叶片含水量、叶水势和渗透势、 叶片或冠层温度、气孔平均开张度( i s o ) 或气孔水汽扩散阻力、茎直径的变化、蒸 腾速率等。 作物水分亏缺指数( c w s i = i 1 丌p ) 综合考虑进了土壤、作物和外界环境的因 素，被认为是较好的指标之一，其主要考虑因素是气孔水汽扩散阻力和气象条件 的变化。但其也存在缺点，即采用彭曼一蒙特斯( p e n m a n m o n t e i t h ) 公式计算蒸腾 速率( t ) 和潜在蒸腾速率( t p ) 只考虑了气孔扩散阻力，而未考虑水流通路上阻力 的变化，而这一阻力是时刻在变化的。 苎! 夏苤箜蔓 塑! ! 查些查兰堡主堂堡丝蔓 冠层和大气的温差也常被用来作为水分亏缺诊断的指标之一( a b r a h a m ， 2 0 0 0 ：b a i l l e ，1 9 9 2 ) ，但温差大小受气温和光照等天气条件的强烈影响，给广泛 应用带来一定困难。 茎液流速也被用来计算蒸腾量，从而作为反映植物的水分状况的指标之一 ( 丁筱玲等，2 0 0 0 ) 叶子、果实和茎杆在缺水时的微收缩现象也可反映正在进展 着的水分胁迫并作为灌溉指标。j l s a l a g e r 等人( 1 9 9 1 ) 应用线性位移差动变压 器( l i n e a fv a r i a b l ed i f f e r e n t i a lt r a n s f o r m e r ，简称l v d t ) 对果园中果树树径和苹 果果径( e q u a t o r i a ld i a m e t e r ) 的微收缩量进行了测量，并以此来诊断缺水郑荣 良等人( 1 9 9 6 ) 也以玉米为研究对象作了类似的实验。 干旱造成的植株体液浓度增高，可反映在电导率增高，电阻下降，因此张世 芳等人( 1 9 9 6 ) 通过测量植株生理电阻的变化研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杆，这样多少会对植物体造成伤害并影响 测试精度。 还有人尝试利用电导、电容、射线吸收等测定计算叶片及其他组织的含水量 ( s l a v i k 。1 9 7 4 ；郑荣良等，1 9 9 7 ) 。即利用a 或1 3 射线检测器或核磁共振技术来 测定叶子、茎干或果实的相对含水量( r w c ) 来代替对水势的测量射线法的原 理是，叶组织吸收的射线剂量随单位叶面积物质的数量变化而变化，而在一个短 时间内质量( 实际上即叶片厚度) 的变化又决定于含水量的变化。但这种方法的 困难是，叶片的厚度不同，因此就需要对各种叶片进行校准。 上述指标都曾先后得到不同程度的应用，但大都有着各自的缺点，如叶片含 水量对水分亏缺不够敏感对水势也存在不同的看法，没有足够的证据表明掣与 蒸腾或光合作用等生理过程的控制直接有关，且对水势连续自动测量难度较大， 在温室或大田生产中采用不多。 然而，近年来植物水分生理研究的最新进展让我们开始从一个前所未有的视 点重新审视植物本身。我们发现，植物其实一直以自己的“语言”在时刻向我们 传达着缺水的信号，即所谓的“会说话的植物( t h es p e a k i n g p l a n t ) ”。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”( s c r e a m i n g ) ，即植物的“声发射”现象。 1 3 声发射技术在作物亏水诊断中的应用 1 3 1 声发射技术1 2 ”1 ( 1 ) 声发射监测系统 翌! ! 查兰查兰竺圭兰竺笙兰 竺三墨苎：竺里 声发射( a e ) 是指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，其 大体由以下几部分组成，如图卜1 所示 圈1 i 声发射检测系统组成 各部分的作用是：声发射信号是声信号，需由a e 换能器把声信号转换为电 信号；由于传感器的输出信号通常为数微伏到数十微伏，在换能器和信号分析器 之间长距离传输时，信噪比会降低，因此，信号需经前置放大器与主放大器放大 后再传输；声发射信号是衰减的正弦信号，它有一定的频带范围，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。 ( 2 ) 声发射信号的识别 声发射信号具有很宽的动态范围，其位移幅度可从 1 0 。1 0 4 m ，达到1 0 6 量级( 1 2 0 d b ) 。另外，声发射信号的产生率也是变化无常的，所以目前人为地将 声发射信号分为突发型和连续型发射。如果信号由区别于背景噪声的脉冲组成， 且在时间上可以分开，那么就叫突发型声发射信号：如果信号的单个脉冲不可分 辨，则叫连续型声发射信号。实际上，连续型声发射信号也是由大量小的突发型 信号组成的，只不过太密集而不能分辨而已 由于声发射信号的上述特点，目前采集和处理声发射信号的方法可分为两大 类一类是以多个简化的波形参数来表示声发射信号的特征，然后对其进行分析 和处理：另一类为存储和记录声发射信号的波形，对波形进行频谱分析然而， 受声发射源自身的特性、声发射源到换能器的传播路径、换能器的特性和声发射 仪器测量系统等多种因素的影响，声发射换能器输出的声发射电信号波形十分复 杂，它与真实的a e 源信号相差很大，有时甚至面目全非。 简化特征波形参数分析方法是2 0 世纪5 0 年代以来广泛使用的经典声发射信 号分析方法，目前在声发射检测系统中仍得到广泛的应用。图i - 2 为突发型标准 声发射信号简化波形参数的定义。由这一模型可得到波击( 事件) 计数、振铃计 苎! 墨苎竺蔓 塑! ! 查些奎兰堡圭兰些丝兰 数、能量、幅度j 持续时间和上升时间等参数。 图1 2 声发射信号简化波形参数的定义 振铃计数( 声发射计数) ：指声发射信号超过某一设定门限阈值的次数，信号 单位时间超过阚值的次数为计数率。由振铃计数可知高于闭值的声发射信号 强度、密度等。 事件计数：声发射事件是材料内局域变化产生的单个突发型信号，一个声发射 信号的振铃衰减的总和就称为一个事件。根据事件的多少可确定信号性质。 幅度分析：不同材料的声发射特性不同，幅度谱也不同，因此可以用幅度谱来 分析声发射信号。其方法有两种：一种是对声发射信号进行统计分析，将信 号分为若干等级进行统计计数；一种是将声发射信号进行包络检波，使一个 事件形成一个脉冲，包络的高度正比于脉冲的高度：或者在一个规定的时问 内将事件的波形的最大值脉冲化，再用波高分析器进行幅度分析。 能量分析：声发射信号的能量正比于图1 - 2 中声发射波形的面积，通常用方均 根电压或均方电压。来进行声发射信号的能量测量能量分析通常用于 连续性声发射信号。 在实际信号处理中，可以根据情况提出自己的便于分析的信号参数。本文将 在第5 部分详细阐述植物生理需水声发射信息的信号识别与分析过程。 河北农业大学硕士学位论文 第7 页共6 5 页 ( 3 ) 声发射技术的应用 声发射技术应用领域广泛，对航天系统的飞机进行动、静力试验中产生整机 疲劳裂缝的监测；对原子能、石油、化工、发电，造船等部门中普遍应用的高压 锅炉、球罐、管道和大型设备等进行检漏、强度预测、安全评价和安全监测。它 可用于构件焊接过程的监测和焊接质量的分析。还可用于矿井、水坝、建筑物的 安全监测报警。以及地震科学的研究 在我国，进行声发射研究的主要是金属、机械方面的单位，对于其在植物生 理过程无损检测方面的应用，目前还未见报道本文将在国内首次利用声发射技 术进行植物茎部水胁迫声发射信息的检测，从而开展植物生理需水声学特性的研 究，为节水灌溉提供科学依据。 1 3 2 声发射法诊断作物缺水的原理1 2 。，2 9 i 水分运输的内聚力理论( d i x o na n dj o l y , 1 8 9 5 ) 阐述了水在土壤一植物一大气 连续体中运输时是处于一定的负压力或张力下的当土壤变的干燥时，该张力就 会增加。当其超过一个极限值时，由于水分子闻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 质部的空穴现象。出现空穴的同时，张力会突然释放而产生冲击波，并伴有声发 射信号的产生声发射是表征植物水胁迫的指标之( t y r e ea n dd i x o n ，1 9 8 3 ， 1 9 8 6 ：b o r g h e t t i 等人，1 9 8 9 ；g r a c e 。1 9 9 3 ) 。 1 3 3 作物水胁迫声发射监测法研究现状1 2 a 3 4 1 从研究对象来看，迄今为止，对木质部声发射现象的研究大多集中在森林林 木或其它木本植物上。对草本植物，尤其是田间或温室内的作物研究还不多。t y r e e 等人( 1 9 8 6 ) 对田间的玉米作过研究，他们发现，对于田闻生长的玉米来说，木 质部空穴化是经常发生的现象，而且声发射信号很有希望成为干旱胁迫和作物减 产的早期标志。a r a s c h i 等人( 1 9 9 0 ) 也以田间生长的茄子( s o l a n u mm e l o n g e n a l ) 为对象作了研究他们发现，在胁迫周期内，所记录下来的超声信号与水势 之间的关系很明显，因此。对于监测破坏性的水胁迫来说，声发射率看来是一个 好的指标。奥岛里美等人( 1 9 9 8 ) 应用声发射传感器对温室内的香瓜( m u s k m e l o n ) 进行了检测，他们发现声发射信号与植物的茎液流速有很好的一致性。有关水稻、 玫瑰、棉花等都有报道，说明声发射现象是大多数作物所共同具有的生理特性。 众多学者对这一能快速检测的非破坏性的生理参数作为水胁迫指标，抱有极大的 信心和兴趣。 从研究手段上讲，m i l b u m 和j o h n s o n ( 1 9 6 6 ) 首次利用一个改进的听筒听取 了水栓断裂时产生的“卡塔”声，察觉到蓖麻的叶柄在加大水分胁追下逐次产生 第8 页共6 5 页 河北农业大学硕士学位论文 的气穴，但是由于在音频范围内采集信号。这种方法的精度受到环境噪声的很大 影响1 9 8 3 年， y r e e 和d i x o n 对北美雪松( 砌咖o c c i d e n t a l i s l ) 进行研究日寸， 把声发射的测试频率范围移到超声频段，这就避免了农田环境中通常存在的低频 噪声干扰，使声发射法更简便可行1 9 8 9 年，t y r e e 又进一步提高了声发射传感 器的信噪比，并研制出了以单片机为核心的作物水胁迫声发射监测仪器，能够完 成现场声发射数据自动采集与记录直至目前，该仪器仍为国外广大植物生理研 究人员所采用。但是，该仪器操作复杂、专业性强，且数据的下载软件为基于d o s 环境下的p a s c a l 语言开发，整个仪器在控制性能，扩展性艟、操作界面等功能 上局限很大，不能完全适应现代农业测试集成化、智能化的要求 1 4 本论文的研究任务 利用虚拟仪器技术，建立以p c 机为核心的作物水胁迫声发射信息、作物 生长环境各参数及植物蒸腾量自动监测系统，是本课题研究的主要内容。 具体说来包括以下方面：硬件系统的研制：包括微机数据采集系统的组 建，传感器、设备、元器件的选型等。软件系统的研制：包括用户界面 设计、实时测控软件与数据管理软件的设计与实现等。 以温室中的代表性作物番茄为研究对象，进行其茎部声发射信号的自动监 测实验并与常用的水胁迫指标植物蒸腾量作比较。考察声发射信号与植 物蒸腾间的关系，从而评定声发射信号作为指示作物水胁迫指标的优越 性。同时，考察声发射信号同环境因子间的关系，探索声发射信号作为温 室环境调控依据的可行性。 在监测系统的基础上，搭建基于声发射信息的温室作物灌溉自动控制系 统，完成灌溉控制方案的设计并进行灌溉控制效果实验。 翌! ! 查兰查兰翌主兰竺兰兰 苎! 墨苎竺里 2 监测系统总体设计 2 1 检测参数与检测方法的确定一9 水分在植物体内的流动过程是 这样的：植物根系从土壤中吸收水分， 在水势差的作用下，由根吸收，经茎 移至叶面，再由叶面气孔蒸腾进入大 气散失，这便是土壤一植物一大气 ( s p a c ) 连续体( 图2 一1 ) 。可见， 植物吸水和散失水分的过程是植物本 身不同的器官和它所在环境相互作 用、反馈影响的结果，受土壤一植物 一大气连续体各个环节的综合作用。 因此。对于植物需水状况的测 量，我们选择了六个检测参数，其中 既有植物生理指标，又有环境因子( 见 表2 一1 ) 。 犬 p 鼬m 豫9 图2 - l 植物的水分运输途径 表2 一l 需测参数及检测装置 韵l p n ) ( 1 ) 声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ) 如前文所述，水分在土壤一植物一大气连续体中运输时是处于一定的负压下 的多数植物的木质部蒸腾流常处于1 2 m p a 的负压状态下，该负压远低于水的 蒸汽压，故蒸腾流常处于亚稳定状态。来自水分、低温和盐害等逆境均可破坏其 苎! ! 墨苎箜基 塑! ! 奎些查兰堡主堂垒堡茎 稳定性。引发蒸腾流断裂，水胁迫是导致蒸腾流断裂的最主要因子当水势负压 达到一定界限时，部分输水单元内水流在某种原因的引发下发生气化而导致该单 元形成一近似真空的“空穴”，该过程称为木质部空穴化( x y l e mc a v i t a t i o n ) a 伴 随着木质部空穴化的过程，由于导管中空穴产生时张力的突然释放，会有声发射 信号产生( 频率通常为1 5 0 k h z 3 0 0 k h z ) ，采用声发射传感器以及配套声发射信 号处理仪器可对该过程进行监测和分析 大量的实验( 主要集中在木本植物上) 表明，植物木质部声发射信号同缺水 程度密切相关为此，本课题在国内首次以温室设施内蔬菜植物番茄为研究对象， 把植物木质部声发射信号作为表征植物生理需水信息的指标进行监测，并研究它 同其他参数间的关系。 ( 2 ) 植物蒸腾 植物体内的水分以水蒸气的状态通过活的植物体表面( 主要是叶子) 散失到 大气中的过程，叫做蒸腾作用，其是受植物气孔的形态结构与生理机制所调节的 生理过程。 蒸腾作用是在植物水分关系中起支配作用的一个过程，它是植物体散失水分 的主要方式在植物一生消耗的水中，只有0 1 o 2 用于有机物的合成，连同 组成植物体的水也只占l 左右，其余9 9 的水都被蒸膊散失到大气中去。因此， 在植物体内水分胁迫发展的程度强烈地决定于蒸腾强度。植物日间的生长常因过 度的午间蒸腾引起的水分亏缺而减少。 表征蒸腾作用的计量指标常用的有蒸腾速率、蒸腾比率和蒸腾系数。我们选 择叶面蒸腾速率作为监测参数，其是传统的植物亏水指标，对它的测试可以作为 植物生理需水声发射信息的对照。 对植物蒸腾作用的测定，通常有重量法、气孔阻力法和茎液流速法等考虑 方法测定的简易程度、仪器的费用和测定的精度等因素，我们选择基于电子天平 的测重法来测量蒸腾速率其基本原理是：如果我们对一株植物连同其生长基质 进行连续称重，不对其灌溉也不捧水，并避免土壤表面的蒸发，那么整个系统重 量变化的唯一途径就是通过植物蒸腾。同时，由于植物对碳的吸收所造成的重量 增加同蒸腾失水造成的重量减轻相比，要低2 至3 个数量级，我们在进行蒸腾速 率的计算时可对其忽略不记 ( 3 ) 温度、湿度、光照和c 0 2 浓度 温度、湿度、光照和c 0 2 浓度是表征植物生长的近地面空气层的环境因子， 它们对植物的生长发育从不同的方面产生着作用，这里，我们主要考虑其对植物 水分关系的影响。 太阳光是一切生物进行生命活动的能源。光强的变化影响着植物的光合作 河北农业大学硕士学位论文 第1 i 页共6 5 页 用、呼吸作用和蒸腾作用等生理过程光照一方面影响气孔的开闭运动，另一方 面。光被植物吸收后，大部分转化为热能，提高了植物体的温度，促进了水分子 的汽化和扩散，从而促进了蒸腾。在一天中，光照有周期性的变化，且光照强度 影响到温度高低，又间接影响到空气湿度，同时影响气孔开闭。一般情况下，光 照强，燕腾也强温度也对植物的蒸腾作用有影响，从而影响植物的水分关系。 在一定范围内，随温度的升高，蒸腾加强3 0 以上时的高温会使气孔的开度变 小。蒸腾下降；1 0 以下，即使是长时间的光照。气孔仍不能很好她张开，蒸腾 较弱湿度对蒸腾的影响表现在：空气的相对湿度越小，蒸腾越强；相对湿度越 大，蒸腾越弱。c 0 2 浓度对叶片气孔的关闭也会产生影响，从而影响植物蒸腾强 度。 因此，我们对这四项环境因子分别采用相应的温敏，湿敏、光敏和气敏传感器 同时进行监测，并研究声发射信号同环境因子间的关系。探索声发射信号作为温 室环境因子调控依据的可能性 2 2 虚拟仪器技术及其应用 虚拟仪器技术是2 0 世纪9 0 年代计算机系统和仪器系统技术革命的产物，它 在测试测量与控制领域中占有重要的地位，并正在成为当今世界流行的仪器构成 方案”o l 。 本系统的搭建也采用了虚拟仪器的设计恩想，建立了基于虚拟仪器技术的生物 环境因子与生理指标自动监测及节水灌溉系统。 2 2 i 虚拟仪器的概念和特点 1 9 8 6 年，美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，简称n i ) 首先提出了“虚 拟仪器”( v i r t u a ! i n s t r u m e n t a t i o n ，简称v 1 ) 的概念这一概念的核心是：以计算 机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、 显示以及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件 化t 使之与计算机结合起来融为一体。这样便构成了一台从外观到功能都完全与 传统仪器相同，同时又充分享用计算机智能资源的全新的仪器系统。近十年来， 随着计算机硬件技术和软件技术的飞速发展，虚拟仪器技术正朝着高性能、多功 能、集成化、网络化方向发展4 3 l 。 与传统仪器相同，虚拟仪器包含数据采集、数据分析与处理、结果表达与输 出三大功能块。其中，计算机屏幕可将已软件化的各种仪器控制面板形象、逼真 第1 2 页共6 5 页 河北农业大学硕士学位论文 的展现出来，以各种形式表达输出检测结果；计算机应用软件可实现各种各样的 信号分析、处理，完成多种多样的测试功能；而信号采集则需要一定的硬件设备， 如插入式数据采集卡( d a q ) 、g p i b 仪器等 与传统仪器不同的是，虚拟仪器只是功能上的仪器，是具有仪器功能的软硬 件组合，它并不强调物理上的实现形式在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解 决信号的输入与输出，软件才是整个系统的关键，它打破了传统仪器由厂家定义、 用户无法改变的模式，用户可根据自己的需求自行设计仪器，通过修改软件方便 的改变、增减仪器系统的功能、界面与规模，完成传统仪器( 包括基于单片机的 智能仪器) 难以胜任的工作因此，有“软件即仪器”之说 2 2 2 虚拟仪器的构成方案 从构成要素讲，虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的。从 构成方式讲，则有以数据采集板( d a q ) 和信号调理部分为硬件来组成的p c d a q 测试系统，以g p i b 、v x i 、串行总线和现场总线等标准总线仪器为硬件方 式组成的g p i b 系统、v x i 系统、串行总线系统、现场总线系统等。虚拟仪器的 基本构成框图如图2 - 2 所示。 二刊工业自动化软睁 碍 测试与分析软 p c 件 机 测 器 l a b v l e w 或 控 l a b w i n d o w s 工 对 c v i 作 敦 。刮v x l r 器p c o m p o n e n t 站 w o r k s 仁刊串口r 器4 p l cb v i r h j a lr e n t c h -l 。刊其它软件降 拿= = = 刮现场总线f ：= = = = = 图2 2 虚拟仪器的基本构成框图 河北农业大学硕士学位论文 第1 3 页共6 s 页 无论哪种虚拟仪器系统，都是将硬件仪器搭载到笔记本电脑、台式电脑或工 作站等各种计算机平台上，在加上应用软件而构成的因此。虚拟仪器的发展已 经与计算机技术的发展完全同步 2 2 3 农业测试中引入虚拟仪器的意义 农业现代化。首先是科学技术的现代化农业作为- - i 实验性很强的学科， 它的发展离不开分析测试技术的发展【“l 。传统的农业生物信息和生物环境信息获 取，往往为人工检测，测试结果需手工计算或在一些应用软件上输入各实验结果 再进行分析，测试精度低、成本高、效率低、操作复杂。同时，生物信息和生物 环境信息是随时间和空间变化而变化的，且相互依存、相互制约，人工不可能实 现多参数实时监测，这会丢失大量有用信息。而虚拟仪器技术的引入，可以很好 地解决这些问题，为农业测试技术的发展提供新的方法和手段，同传统的农业测 试手段相比，其具有以下优点m j ： 硬件搭配灵活，软件编制简便，测试集成度高，促进传统农业测试由单因素、 单目标、静态检测，向多因素、多目标、动态监测方向发展； 以软件为核心，具有强大的数据存储和分析处理能力，减少试验人员的工作量， 并可提高分析精度； 具有良好的虚拟仪器软面板，操作简单，使用方便； 测试系统易于扩展。可灵活满足用户的测试要求。 2 3 系统总体方案设计 系统总体方案设计，从整体上规划了系统性能，并决定了系统将来的发展和 使用推广前景。所以在总体方案确定时，应认真、慎重的考察方案的实用性、可 行性和通用性。通过较广泛的调研。对国内外各种虚拟仪器的功能和结构进行分 析。并结合本系统的特点和要求，提出了以下设计方案。 2 3 1 硬件结构设计方案 随着p c 机性能、操作系统性能和应用软件性能，以及数据采集板的速度、 精度和可靠性等性能的不断提高，基于p c 总线的插卡式虚拟测试系统，以其较 高的性能价格比、灵活性成为测试系统的一个重要发展方向”6 l 。 本系统中环境因子的监测采用的就是基于p c i d a q 的虚拟仪器数据采集系 笙! ! 蔓苎竺墨 翌! ! 查些查兰堡主堂垡! 垒墨 统，通过p c i 总线实现并行3 2 位传输数据，数据采集卡要求四通道同步采集， 支持中断方式和查询方式读取数据 p c i 总线是一种同步的独立于c p u 的3 2 位或“位局部总线，时钟频率为 3 3 m h z ，数据传输率高达1 3 2 - - 2 6 4 m b s ，p c i 总线无限读写突发方式，可在一瞬 间发送大量数据p c i 总线上的外围设备可与c p u 并发工作，从而提高了整体性 能p c i 总线还有自动配置功能，从而使所有与p c i 兼容的设备实现真正的“p l u g p l a y ”( 即插即用) p c i 总线由于具有上述优点而得到了广泛应用，已成为p c 工业的事实基准。 而插入式d a q ，由于a d 转换技术、仪器放大器、抗混叠滤波器以及信号 调理技术的进一步发展，已成为最具吸引力的选件之一i 7 侧。其a d 转换精 度从8 位开始，经过1 0 位、1 2 位、1 4 位、1 6 位向更高精度方向发展。a d 采样 速率也从4 0 k 、1 0 0 k 、2 0 0 k 到1 g 及更快的方向发展。数据高速传输的中断方式、 d m a 方式以及f i f o 双缓冲区技术使数据采集板可实现多路信号的并行高速采 样。目前，具有上百兆赫，甚至i g h z 采样速率，高达2 4 b i t s 精度的d a q 已经面 市，可见由数据采集板实现的测控系统完全可以达到仪器级的性能、精度和可靠 性的要求。 串行通讯端口( r s 2 3 2 ) 是计算机上常见的一种总线形式，在测试测量和仪 器控制的过程中大量使用1 4 9 , 5 0 1 。本系统生理指标的监测即采用的是基于串行总线 r s - - 2 3 2 c 的虚拟仪器构成方案通过声发射监测仪器的串口和电子天平的串口 与主机通讯实现数据和命令的传输。 灌溉控制实现的硬件基础也是数据采集板控制信号通过d a q 上的d a 转 换输出，送到信号调理电路。经过必要的放大激励后驱动执行机构，从而构成完 整的测控系统 系统总体结构图如图2 4 所示。 河北农业大学硕士学位论文 第1 5 页共6 5 页 2 3 2 软件设计内容 图2 4 系统总体结构图 如前文所述，建立虚拟仪器测控方案的关键是软件虚拟仪器的软件系统主 要分为4 层结构：系统管理层、测控程序层、仪器驱动层和i o 接口层。虚拟 仪器测试系统软件结构如图2 3 所示。 璺! ! 戛苎竺戛塑垄苎曼芝壁苎堡圭兰燮 图2 3 虚拟仪器测试系统软件结构 目前，虚拟仪器的软件标准要求这些软件层的设计以“即调即用”为特征， i 0 接口软件与仪器驱动程序实现了工业标准化，且由仪器供应商随仪器配套提 供因此，本系统软件需要完成的就是测控程序层和系统管理层的设计。实现环 境因子数据采集、植物生理指标串口通讯、数据存储、数据分析、显示、输出等 功能。 2 3 3 系统的总体功能 本课题以p c 机为核心，在传感器、带串口测量仪器、数据采集板等硬件基 础上，利用虚拟仪器开发平台l a b w i n d o w s c v l 强有力的测试功能和良好的图形 化用户操作界面，综合国内外作物水胁迫测试仪以及生物环境监测仪的使用特点 和功能特点，开发了作物水胁迫声发射监测与视情灌溉控制系统。系统具有如下 功能： ( 1 ) 信息采集与数据传输功能 系统可实时多通道采集环境参数，并与下位机进行实时串口通讯，接收监 河北农业大学硕士学位论文 第1 7 页共6 5 页 测仪器采集的植物生理信息这是本系统的重要任务，也是系统实施控制 和管理的基础 ( 2 ) 数据处理功能 系统具有数字滤波、异常信号剔除、数据标度变换等处理功能 ( 3 ) 数据存储与查询功能 系统具有较强的数据存储能力，可按日期和参数分类存储监测数据，同时 用户可方便地进行历史数据查询，并生成图文并茂的报表 ( 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、历 史数据的图形显示、报表打印、硬拷贝等。 ( 5 ) 控制功能 本课题在作物水胁迫监测系统的基础上，扩展了灌溉自动控制功能，可实 现按植物声发射信息控制温室滴灌系统，也可进行定时灌溉从而促进农 业生产管理的自动化 3 系统硬件设计 硬件系统是整个测控系统的物理基础。针对系统功能要求，同时考虑系统精 度、分辨率、传输速率等技术指标，对硬件系统进行了搭建与优化设计。 3 1 传感器及变送器 3 1 1 温度传感器 采用的是j w s l 型热电阻温度传感变送器，其感温元件为灵敏度高、线性好 的”1 0 0 0 铂电阻铂电阻具有电阻率高，在使用的温度范围内。材料的物理和化 学性质稳定等优点8 1 。 j w s l 温度变送器的性能指标如下： 测量范围：o c 5 0 c ；测量精度：0 5 c ； 工作电压：1 2 v d c ：输出信号范围：o s v d c 。 第1 8 页共6 5 页 河北农业大学硕士学位论文 3 1 2 湿度传感器 湿度是表示空气中所含水汽多少的物理量，一般用绝对湿度和相对湿度表示。 本系统中，我们采用相对湿度的概念，所谓相对湿度是指在相同温度下空气实际 水蒸汽压( e ) 与气体的饱和水蒸汽压( e s ) 之比，用百分数表示，即； r b = e e s x l 0 0 ( 式3 - 1 ) ： 在湿度的测量方面，以往用的毛发湿度计、千湿球湿度计显得很落后，稍后 发展起来的氯化锂电阻式湿度仪、露点仪和氯化铝电容湿度计，前者反应速度慢， 后者又不便校准”3 。因此，本系统中湿度传感器采用的是j w s l 型高分子湿敏电 容式湿度传感变送器它具有线性好、精度高、响应时间快、使用温度范围宽、 寿命长等优点。其湿敏元件为r s l 5 型日产高分子感湿探头，可连续高湿使用，抗 结霸，常温下使用不需温度补偿。 湿度传感器的主要技术指标如下： 测量范围：2 0 1 0 0 r h ，抗结嚣；测量精度：3 ( 5 9 0 ，2 5 ) ； 工作电压：1 2 v d c ：输出信号范围：o s v d c ： 工作温度：0 5 0 。 3 1 。3 照度传感器 在各种辐射与光的应用技术中，为了对辐射与光进行定量测量与研究，规定 了一些关于辐射与光的度量及单位，如辐射照度和光照度，在本系统中我们采用 光照度作为光强的测量单位。所谓光照度，国际单位制是这样规定的：在标准空 气中，单位立体角通过1 6 8 3 瓦的波长为5 5 5 n m 的单色辐射作为光通量的计量单 位，单位为流明( i m ) 。到达或通过单位面积的光通量称为光照度，每平方米面 积通过l 流明的光通量时，光照度为l 勒克斯( 1 x ) 口q 。 本系统选择了北京昆仑海岸传感技术中心生产的z i ) - v b 型照度变送器对光照 进行测量。其工作原理是：采用光电二极管将光照强度转换为电流信号。再经运 算放大器转换为电压信号输出。 其主要技术指标如下： 供电电压：1 2 v d c ；操作温湿度：o c 4 0 、o 8 0 p j - i ： 准确度：5 或7 ；重复测试：5 ； 温度特性：0 5 ；波长范围：3 8 0 n m 7 3 0 胁： 测量范围：0 o l 5 0 0 0 0 1 x ；输出形式：电压输出o 5 v d c 。 河北农业大学硕士学位论文 第1 9 页共6 5 页 3 1 4c 0 2 浓度传感器 目前常用的c 0 2 传感变送器有两种类型，一种是基于二氧化碳气体在4 2 8 “ m 波段对红外光有强烈的吸收。而对3 9 i jm 的红外光基本不吸收的原理而设计 的红外式，优点是精度高，工作稳定可靠。使用方便，缺点是价格较高；另一种 是热导池式，优点是价格较低。缺点是需要经常更换感受元件和定期用标准气体 标定传感变送器，使用不方便，且可靠性与感受元件有关p 。- 5 1 因此，从精度、 可靠性和使用方便等方面考虑，本系统选用芬兰v a i s a l a 公司生产的g m w 2 2 型红外c 0 2 气敏传感器 其主要技术指标如下： 测量范围：o 2 0 0 0 p p m ； 输出信号范围：4 2 0 m a 温度系数： l p p m ； 响应时间： 6 0 s 测量精度： - l - 2 0 p p m 。 3 1 5a e 传感器与4 6 1 5 干旱胁迫监测仪 使用温度： 供电电压： 负载电阻： 预热时间： 一5 4 5 2 4 v d g 5 0 0 q ： 5m i m a e 是a c o u s t i ce m i s s i o n 的简称，它是材料受外力或内力作用产生变形或裂 纹时，以弹性波的形式释放出应交能的现象。其中一部分应变能以声发射波的形 式释放a e 传感器就是把这个声发射应力波转换为电信号的一种检测器p 。 本系统采用美国物理声学公司( p a c ) 生产的1 1 5 1 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：利用压电陶瓷材料镐钛酸铅( p z t 一5 ) 在机械外力作用下的正压电效应，把机械能转换为电信号在结构上，1 1 5 1 型声 发射传感器属于单端输出式，利用压电晶体的共振点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，1 1 5 1 将2 0 d b 的前 置放大器内置 a e 传感器的主要性能指标如下： 尺寸( 直径高度) ：2 0 x 2 2 r a m ；工作温度范围：- 4 5 + 8 5 ； 外壳材料：不锈钢；工作面材料：陶瓷； 连接件类型：同轴电缆：连接件位置：侧面； 最大灵敏度( r e f v ( m s ) ) ：9 2 5 ：频响范围：1 0 k h z 7 0 0 k h z ； 共振频率：9 0 1 5 5 k h z ；动态范围：8 8 d b ； 接地方法：外壳接地，并与安装面绝缘。 苎! ! 蔓苎竺蔓 塑! ! 壅些查兰堡主兰垡! ! 兰 4 6 1 5 干旱胁迫监测仪( d r o u g h ts t r e s sm o n i t o r 。简称d s m ) 是