作物电阻抗谱检测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种作物电阻抗谱检测系统，包括：电阻抗谱检测单元、阻抗分析单元、微控制单元和上位机，微控制单元连接上位机，用于接收上位机设置的阻抗分析单元的工作参数并传输给阻抗分析单元；阻抗分析单元用于根据工作参数产生第一单极性正弦信号，并将第一单极性正弦信号输出到电阻抗谱检测单元；电阻抗谱检测单元用于将第一单极性正弦信号转换为恒定电流加载到作物上，获取作物的电压信号，并将电压信号转换为第二单极性正弦信号输入到阻抗分析单元；上位机用于处理通过微控制单元获取的第二单极性正弦信号，并显示作物电阻抗谱图。还公开了一种作物电阻抗谱检测方法。本发明专利技术可以方便、长期地在温室中对活体作物进行无损电阻抗谱的检测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及农业信息
，特别涉及一种。
技术介绍
通常阻抗技术有两种分析方法生物阻抗分析(BIA)和生物阻抗频谱分析(BIS)。 测定作物组织和器官的电阻抗图谱的方法称作EIS法。作物细胞由细胞壁和原生质体两部 分组成。原生质体是由生命物质——原生质所构成，两个主要的电解内含物液泡和细胞质 分别被液泡膜和原生质膜包围。细胞质含有大量由特定膜包围的细胞器。液泡内的水溶性 溶液主要含有无机离子和有机酸。电流通过细胞膜时产生电势差，电势差由细胞膜的有效 运输系统和可选择的渗透特性来保持。细胞器具有不同的电学特性(Smith 1983 ；Zhang和 Willison 1992)；液泡和细胞质类似于电阻器，而细胞膜具有电容特性。当交变电流(AC) 通过作物组织时，通过胞外间隙和胞内的比例取决于AC频率和组织特性(Glerum 1980)。 该组织的特性(结构特性和生理特性)可用等效电路分析进行量化。分析测定不同AC频 率下阻抗数据的方法，被称为EIS法(Macdonald 1987)[1]。根据Cole-Cole理论，建立了生物组织的R、C三元件电路等效模型[2]，如图1所 示，由此会表现出阻抗特性。我国的农业灌溉在技术和设备上都存在一定的问题，灌溉水的总利用率相对较 低。我国现今多为依靠环境参数的采集、分析，进行环境调控和过程管理，忽视了农作物本 身的生理信息的精细监测。其实根据作物的生理水分的变化信息来实施精细灌溉是实现农 业节水高产的一个重要手段。目前国内外常用的反映作物水分状况的信息，主要有叶水势、气孔导度、细胞液浓 度、组织相对含水量、植株蒸腾速率、冠层温度、冠层光谱信息和茎杆直径变化等作物生理 生态指标。从已有研究结果和应用实践看，茎直径变化、植株蒸腾速率、冠层温度是几个较 适合于连续自动监测的作物水分状况表征信号，但是间接的反映植物体内水分状态。作为现有技术，电阻抗可用于估测植物活力、果实受损程度、抗寒性、对含盐量敏 感度、根系生长情况、养分状况(Greenham等1978)。目前利用阻抗特性研究植物的生理指 标的技术有(I)Kato (1987)在IOOHz IOOkHz研究苹果阻抗特性，发现苹果从新鲜到未腐烂 时果肉阻抗趋于增加。(2)宋蜇存等(1995)提出用测量阻抗的方法，间接的对树木细胞活力进行定性和 定量的分析测定[3]。(3)张立彬等(1996)利用平板电极研究了金帅苹果切片组织的介电特性与新鲜 度的关系，发现在IOOHz IOOkHz的测试频段内，随苹果的储藏时间越长，其果肉组织的阻 抗值越大M。(4)胥芳等(1997)对桃子贮藏过程中电特性变化测试发现，频率为15kHz以下 为桃子最佳测试段，桃子随贮藏时间的增加其等效阻抗增大，相对介电常数和介质损耗因子减小，当桃子开始腐烂后，电特性会出现一个大的反复，可根据这一现象判定桃子是否腐 烂。以上研究表明，采用阻抗法研究果蔬采摘后的电特性，可以实现果蔬品质无损检测[5]。(5)张立彬等(2000)又一次试验表明，在5 IOOkHz的频率范围内，有腐烂或损 伤的苹果的阻抗比完好的要小，但测试结果受频率漂移影响较大；在33 IOOkHz频率范围 内，有腐烂或损伤的苹果的相对介电常数比完好的要大，测试频率的变化对相对介电常数 基本无影响；损耗因数的变化则无一定的规律性。因此，用相对介电常数来进行水果内部品 质的判别是可行的[6]。(6)董玉娟等(2003)采用生物电阻抗和H202酶活性方法对比了梭梭、柠条的抗旱 性和抗盐性[7](7) STEFANO MANCUS0 (1997年)用了 18个月的时间测量了洋橄榄树根和叶的阻抗 参数，以确定它的胞内电阻、胞外电阻以及细胞膜电容随季节的变化。选择ZARC模型用作 根和叶的等效电路。这些参数与根的活力有关[8]。(8)T. Repo等(2000年)用EIS方法研究欧洲赤松的抗寒性。并与等效电路模型 进行比较[9]。(9)Mancuso等(2004)用生物阻抗法和电解液渗透法测定4种Callistemon属和 2种Grevillea属植物的抗寒性，两种方法求出的抗寒性结果非常类似。根据植物电特性变 化，还可以用于抗寒旱研究_。(10) Tapani Repo等(2005年)利用EIS方法对杨柳的根生长过程中进行无损检 测。实验材料一段带有根的茎杆放在培养液，它的等效模型包括两个ZARC_Cole参数，一个 恒定的相位参数和一个电阻参数[11]。(Il)Harry Ozier-Lafontaine等(2005年)利用EIS方法对番茄的根生长过程中 进行无损检测，在考虑土壤和电极位置影响下实验测量根的重量和根的电容之间的关系， 用EIS分析番茄根部的生长[12]。综上所述，目前测量作物电阻抗谱的方法多为有损的、短时的，不适于在温室中对 作物电阻抗谱长期监测；使用的测量仪器也多为现有的大型阻抗议，无法做到在温室中便 携的方法测量；而对于作物活体电阻抗谱与水分状态变化关系也应进行深入研究。由于利 用现有技术进行检测时的困境，因此就需要建立一种新的适用于温室中的作物电阻抗谱检 测方法和研制一种无损长期监测装置，以弥补当前检测方法的不足，使得对作物电阻抗谱 检测方便、准确、客观，使作物电阻抗谱的检测从实验室研究转变为生产应用服务。以上提到的现有技术的参考文献如下[1]张钢，肖建忠，陈段芬。测定植物抗寒性的电阻抗图谱法。植物生理与分子生 物学学报。2005，31(1) ； 19-26.[2]唐敏，生物阻抗测量原理与测量技术，生物医学工程杂志，1997，14(2)， 152-155.[3]宋蜇存，王克奇.阻抗法测定树木细胞活力的研究.林业科学，1995. 31(1) 92-94.[4]张立彬，胥芳，周国君等.苹果的介电特性与新鲜度的关系研究.农业工程学 报，1996. 12(3) 186-190.[5],胥芳，张立彬，周国君等.无损检测桃子电特性的试验研究.农业工程学报，1997. 13(1) 202-205.[6]张立彬，胥芳，贾灿纯等.苹果内部品质的电特性无损检测研究.农业工程学 报，2000. 16(3) 104-106.[7]董玉娟，李富英，王秀美.梭梭、柠条抗逆性的比较分析.内蒙古民族大学学 报，2003. 18(5) 425-428.[8] Stefano Mancuso. Seasonal dynamics of electrical impedance parameters in shoots and leaves relate to rooting ability of olive cuttings，，· Tree Physiology,19,1998,95-101.[9]T. Repo, G. Zhang, A. Ryyppo and R. Rikala. “The electrical impedance spectroscopy of Scots pin shoots in relation to cold acclimation，，· Journal of Experimental Botany. 51 (353)，2000，2095—2107.[10]Ma本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种作物电阻抗谱检测系统，其特征在于，包括：电阻抗谱检测单元、阻抗分析单元、微控制单元和上位机，所述微控制单元连接上位机，用于接收上位机设置的所述阻抗分析单元的工作参数并传输给所述阻抗分析单元；阻抗分析单元用于根据所述工作参数产生第一单极性正弦信号，并将所述第一单极性正弦信号输出到所述电阻抗谱检测单元，并从所述电阻抗谱检测单元得到的第二单极性正弦信号中计算得到的实部Ｒ和虚部Ｉ，并将所述实部Ｒ和虚部Ｉ输出给微控制单元；所述电阻抗谱检测单元用于将所述第一单极性正弦信号转换为恒定电流加载到作物上，获取作物的电压信号，并将所述电压信号转换为第二单极性正弦信号输入到所述阻抗分析单元；上位机用于处理通过微控制单元获取的所述第二单极性正弦信号的实部Ｒ和虚部Ｉ，计算得到幅度和相位并显示幅度频谱图和相位频谱图。

【技术特征摘要】
一种作物电阻抗谱检测系统，其特征在于，包括电阻抗谱检测单元、阻抗分析单元、微控制单元和上位机，所述微控制单元连接上位机，用于接收上位机设置的所述阻抗分析单元的工作参数并传输给所述阻抗分析单元；阻抗分析单元用于根据所述工作参数产生第一单极性正弦信号，并将所述第一单极性正弦信号输出到所述电阻抗谱检测单元，并从所述电阻抗谱检测单元得到的第二单极性正弦信号中计算得到的实部R和虚部I，并将所述实部R和虚部I输出给微控制单元；所述电阻抗谱检测单元用于将所述第一单极性正弦信号转换为恒定电流加载到作物上，获取作物的电压信号，并将所述电压信号转换为第二单极性正弦信号输入到所述阻抗分析单元；上位机用于处理通过微控制单元获取的所述第二单极性正弦信号的实部R和虚部I，计算得到幅度和相位并显示幅度频谱图和相位频谱图。2.如权利要求1所述的作物电阻抗谱检测系统，其特征在于，所述电阻抗谱检测单元 包括作物电压探测器、单极性双极性转换器、电压电流转换器和双极性单极性转换器，所 述单极性双极性转换器分别与阻抗分析单元的输出端和所述电压电流转换器连接，用于将 所述第一单极性正弦信号转换为双极性正弦信号，所述电压电流转换器分别与作物电压探 测器和双极性单极性转换器连接，用于将双极性正弦信号转化为恒定电流并通过作物电压 探测器加载到作物上，得到作物的电压信号，所述双极性单极性转换器连接阻抗分析单元 的输入端，用于将所述作物的电压信号转换成第二单极性正弦信号。3.如权利要求2所述的作物电阻抗谱检测系统，其特征在于，所述作物电压探测器为 至少两个非极化电极，第一非极化电极一端连接所述电压电流转换器，另一端用于插入作 物的茎杆，第二非极化电极一端接地，另一端用于插入作物的茎杆。4.如权利要求3所述的作物电阻抗谱检测系统，其特征在于，所述非极化电极为钼丝 电极。5.如权利要求2所述的作物电阻抗谱检测系统，其特征在于，所述作物电压探测器包 括至少两个电极夹和用导电膏浸透的棉片，第一电极夹一端连接所述电...

【专利技术属性】
技术研发人员：王忠义，何建昕，丁强，黄岚，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]