一种实时测定树木蒸腾速率的传感器制造技术

本实用新型专利技术涉及传感器技术领域，具体涉及一种实时测定树木蒸腾速率的传感器。本实用新型专利技术要克服现有技术存在的整机成本高和测量精度较低的问题。本实用新型专利技术的技术方案是：包括温差检测器１、脉冲加热源６和中央处理单元３，所述温差检测器１和中央处理单元３之间设置有变送单元电路，该变送单元电路由两个差分双极性模数转换电路２、７，一个双极性数模转换电路３和差动放大电路５构成，所述温差检测器１与差动放大电路５的正输入端相接，温差检测器１还经由模数转换电路２与中央处理单元３相接，中央处理单元３经由双极性数模转换电路４与差动放大电路５的负输入端相接，差动放大电路５的输出经模数转换电路７后与中央处理单元３相接。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及传感器
，具体涉及一种实时测定树木蒸腾速率的传感器。
技术介绍
蒸腾速率是反映树木需水和缺水状况的一个基本信息，对其准确实时监测，对确定树木水分供需状况，指导林果灌溉具有十分重要的作用。目前发达国家已开始将植物蒸腾、茎直径变差作为指标来监测作物水分状况，将其与灌溉自动控制系统相联结，研究并试用于先进的灌溉管理系统之中。如以色列开发的植物生理监控系统就应用了这一技术，并开始试用研究推广部门，显示了良好的发展与应用前景。目前国外对树木蒸腾速率监测技术和仪器方面进行了大量的研究，提出了包括热学法、称重法、气孔计法、风调室法、染色法、同位素示踪法、核磁共振光谱法、磁流体动力学法、激光脉冲法等多种方法。其中热学法是实时监测方法，它是利用安装在植株根、茎部的热源及探测器，通过热信号变化测定茎流的方法，热学测定法又可分为热平衡法、热扩散法和热脉冲法三类。其中以热脉冲(heatprobe)法的研究较为深入，该法是在树木茎枝部安装热脉冲发射器(热源)，定时发射短时热脉冲，加热汁液，随树木茎杆向上液流，热脉冲向上运动，由在热源的上方一定距离处安装的热敏探针T1探测其温度峰值，确定热脉冲到达时间，测定植物液流速度的。它的理论分析过程是对于热脉冲发射后，在t时间后距热源x(mm)处的温升T(℃)为T=H4πρcktexp[-(x-Vt)24kt]---(1)]]>其中H为单位长度热源发出的热能量(J/mm)；ρ、c、k分别为树木茎枝部的密度(mg/mm3)、比热(mJ/mg℃)、热扩散率(mm2/s)，V为植物茎枝部的液流速度(mm/s)。对上式分析可以得出当x处的最大温差出现的时间为tm时，可有下式V＝(x2-4ktm)1/2/tm(2)由上式可计算沿树木茎枝的热脉冲速率V式中X为加热源与探测器之间的距离，tm为加热源处热脉冲发射后到热敏探针处热脉冲峰值出现的时间。k为树木茎枝的热脉冲扩散率(mm2/s)，它随树木茎枝体的特性而变，k可在深夜树木茎枝体热脉冲速率近似为零时，即V＝0时测定k＝r2/4tm(3)利用热脉冲传输速度V可以计算树木茎枝体的液流传输速度VsVs＝ρcV/(ρ1c1) (4)式中ρ、ρ1分别为树木茎枝体与其液相的密度，(g/mm3)，c，c1分别为植株体与其液相的比热(Jmg-1℃-1)。它们分别由水和木质部的比热及植株中液相水的密度等确定树木茎枝体的总的蒸腾速率(ET)可由树木茎枝体横向不同部位的液流传输速度Vs积分确定ET=∫0RVs(2πr)dr---(5)]]>式中Vs为树木茎枝体横向不同部位的液流传输速度，r为距树木茎枝体中心的距离，R为树木茎枝体的半径。综上所述通过测定热脉冲发射后距热源距离为x处的最大温差出现的时间tm时可测定树木茎枝的热脉冲速度，进而确定树木茎枝蒸腾量。因此tm测定的准确性对整个测定的准确性密切相关。要准确测定tm值，就应使热源的热脉冲热能大，距热源处的距离小，这样检测处的升温温差大，检测准确。但热源的热脉冲热能过大时，又会对树木茎枝造成损伤，甚至烧坏植株，同时距热源处的距离过小时，也会由于插入树木茎枝时热源与热检测器的距离的误差而使得由式(2)计算的热脉冲速度V值产生较大误差。经过大量的理论分析和实验，得出对树木茎枝直径大于100mm时，热源与热检测器的距离x为15mm最好，热脉冲发射器的热能量也应控制在1000mJ/mm左右。根据文献资料树木茎枝的热脉冲传输速度在0-0.2mm/s之间变化，且大多数条件下在0-0.1mm/s之间变化，(龚道枝等，不同水分状况下桃树根茎液流变化规律研究，农业工程学报，2001(4))，树木茎枝部的密度、比热、热扩散率，ρ、C、k分别在0.6-1.2(mg/mm3)、2.0-2.8(mJ/mg℃)、0.19-0.27(mm2/s)之间变化(Y.Cohen，Determination of sap flow in Douglas-fir treesusing the heat pulsetechnique，Can.J.For.Ree，1985，vol，15)为此由式(1)模拟在，H＝1000mJ/mm，ρ＝0.9(mg/mm3)，C＝2.4(mJ/mg℃)，k＝0.23(mm2/s)时距热源x＝15m处不同热脉冲传输速度的升温温差见图1。这时热检测器处的升温温差在0.3-2.5℃变化。经过计算，对上述热源与热检测器配置下，整个热脉冲最大传输时间为8分钟，但在这一热脉冲测定过程中，由于外界环境温度的变化，树木茎枝的温度变化在0-0.08℃，这对热脉冲传输峰值和热脉冲速率的测定有相当大的影响，为此，在树木茎枝体下方不受热源影响的地方，安装另一个热敏探针T2，通过探测温差(T1-T2)峰值，出现峰值的时差作为tm值。另外根据大量的理论分析和实验得出，要准确测定树木茎枝部的热脉冲传输速度，由上述热检测器处的升温温差的检测的分辩率应在0.02％(8分钟)，(见Y.cohen，Calibrated Heat pulse methed fordetermining water uptake in cotton，Agron.J.，1988，80398-402)，显然这对热检测器的要求很高。现有的利用热脉冲法原理所制备的传感器由温差检测器和数据采集器组成，温差检测器用来采集数据，送入数据采集器后再进行数据的处理，因微型热敏电阻具有灵敏度高、对后续采集电路要求低的优点，温差检测器中用灵敏度高微型热敏电阻制成，由两个热敏电阻分别安置在距热源15mm左右和在树木茎枝下方不受热源影响的地方，并用一桥式电路作为采集数据的电路，当其温差变化时而产生不平衡压差变化，该数据即被作为采集到的数据送入数据采集器，但在这个过程中，由于微型热敏电阻受其制造工艺的限制，同一批制造的热敏电阻的阻值及温度敏感系数很难做到完全一致，就算经过筛选也只能使其在某一基准温度变化时阻值一致，在其它温度时仍不一致，这样就会造成在果树体两个微型热敏电阻处无温差时，因其电阻值的差异，从而使测量电桥产生较大的电压输出；(热敏电阻的阻值与温度呈下式，Rt=R0eB((1/t-1/t0),]]>式中R0为基准温度T0时的热敏电阻阻值，T为温度，B为反映热敏电阻温度敏感特性的常数，按照有关标准，热敏电阻的R0的允许误差在±5％，±10％，±20％，B值一般在2000-6000之间取值，对B＝4000的热敏电阻进行分析得出R0的允许误差在±10％时，电桥输出最大偏差相当于5℃左右的温差变化，在对25℃时筛选的R0一致B值的允许偏差为±5％的热敏电阻，工作在-10℃时产生的电桥输出的最大偏差相当于4℃左右的温差变化，而热脉冲信号发出后，在树木茎枝体传播过程中，所产生的温差较小，最不利情况下温差峰值为0.3℃，且要求温差峰值的分辨率为0.02％，其在两个微型热敏电阻上造成的阻值变化很小，故而引起的电桥输出变化也很小，它与未发出热脉冲信号的电桥输出信号相比要小得多，由于这一信号与热脉冲信号发出前的电桥输出信号叠加在一起，使得要确定热脉冲信号在树木茎枝体中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实时测定树木蒸腾速率的传感器，包括温差检测器（１）、脉冲加热源（６）和中央处理单元（３），其特征在于：所述温差检测器（１）和中央处理单元（３）之间设置有变送单元电路，该变送单元电路由两个差分双极性模数转换电路（２、７），一个双极性数模转换电路（３）和差动放大电路（５）构成，所述温差检测器（１）与差动放大电路（５）的正输入端相接，温差检测器（１）还经由模数转换电路（２）与中央处理单元（３）相接，中央处理单元（３）经由双极性数模转换电路（４）与差动放大电路（５）的负输入端相接，差动放大电路（５）的输出经模数转换电路（７）后与中央处理单元（３）相接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：马孝义，王君勤，何自立，李卫起，
申请(专利权)人：马孝义，王君勤，何自立，李卫起，
类型：实用新型
国别省市：61[中国|陕西]