【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及农业检测，尤其是一种基于频域法的非入侵式多功能茎秆传感器及方法。
技术介绍
1、在现代农业生产中，监测农作物的生长状况能够有效的控制灌溉、施肥、病虫害防治等。水分的调节对作物的生长和发育至关重要，水分不足会导致作物枯萎甚至死亡，而水分过多也会导致土壤缺氧和根系腐烂等问题。适宜的温度也是保障作物健康的关键因素，温度过高会导致土壤干旱，水分过度蒸发，温度过低也会让作物冻死。因此，监测农作物的水分和温度有助于实现农业生产中的精确灌溉和调温，从而保障作物产量和质量。
2、现有技术在水分和温度监测方面主要针对大棚等环境设施的温湿度监控，通过定点的环境温湿度反馈整体大棚作物的温湿度，从而进行灌溉和调温，这样得到的数据准确性与实际作物的含水量和温度会有较大偏差。近年来，智慧农业的发展需要对作物的实际生长状况，包括作物含水量和实际温度，进行精准测量。因此，对植物茎秆含水量和温度的实时监测则至关重要。茎秆传感器作为专门针对植物茎秆生长状况进行监测的一类传感器近年来发展迅速。然而，目前针对个体植株的茎秆含水量传感器往往是入侵式的，传统的水分传感器由于测量原理需要插入茎秆内部进行测量，对植株具有一定的伤害。因此，迫切需要一种准确、快速、简单、稳定的非入侵式多功能茎秆传感器及其监测方法，来实现茎秆含水量和温度的原位在线监测。
技术实现思路
1、为解决现有技术中尚无非入侵式多功能茎秆传感器的缺陷，本专利技术的首要目的在于提供一种实现无损化茎秆含水量的原位监测、对植物没有危害、可同时
2、为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种基于频域法的非入侵式多功能茎秆传感器，包括贴附在茎秆两侧的用于反映茎秆含水量的变化量的两个柔性电极，两个柔性电极的输出端均与电容测量模块的输入端相连，电容测量模块的输出端与数据处理模块的输入端相连，数据处理模块的第一输出端与pc机有线连接，数据处理模块的第二输出端通过蓝牙模块与手机无线连接，电池模块分别向电容测量模块、数据处理模块和蓝牙模块供电。
3、所述两个柔性电极包括第一柔性电极和第二柔性电极，二者的结构相同；所述第一柔性电极包括膜电极，膜电极为长方形的薄膜状，膜电极的侧面设置用于消除薄膜表面电势的银电极，膜电极的上端沿其长度方向涂敷导热硅脂，导热硅脂的一侧上边沿处粘贴热敏电阻，热敏电阻与用于传输热敏电阻读取的温度数据的银导线的一端相连，混合导线的一端分别与银导线、银电极相连，混合导线的另一端作为第一柔性电极的输出端与电容测量模块的输入端相连。
4、所述电容测量模块包括谐振电路驱动器、参考电容c0、参考电感l0和用于测量谐振频率f的数字测频模块，所述参考电容c0跨接在谐振电路驱动器的输入端上，参考电感l0与参考电容c0并联，参考电感l0的两端接两个柔性电极的输出端，参考电容c0、参考电感l0与两个柔性电极组成谐振电路，谐振电路驱动器的输出端输出输出电容c，所述数字测频模块采用外部参考时钟，所述外部参考时钟采用的中心频点为40mhz。
5、所述数据处理模块采用stm32单片机，所述电池模块采用太阳能电池。
6、所述混合导线采用银和氯化银制成，所述热敏电阻为ntc热敏电阻，所述导热硅脂用于粘连膜电极和热敏电阻，以及膜电极和植物表面；所述混合导线用于传输茎秆电容变化值和植表温度数据。
7、所述膜电极采用石墨烯和聚二甲基硅氧烷制成，在制备膜电极时，首先将石墨烯和聚二甲基硅氧烷按照一定的质量比倒入烧杯内，充分搅拌混合均匀，再将混合溶液放于真空干燥箱中，并抽真空三次，用于去除溶液中的气泡，之后将溶液均匀涂在已超声清洗干净的玻璃片上，并于真空干燥箱50℃固化8小时后，揭下薄膜获得膜电极。
8、所述参考电容c0的电容值为33pf，所述参考电感l0的电感值为18μh。
9、本专利技术的另一目的在于提供一种基于频域法的非入侵式多功能茎秆传感器的监测方法，该方法包括下列顺序的步骤：
10、(1)输出电容c与茎秆含水量ε关系分析：茎秆内部的含水量发生变化会引起等效介电常数改变，导致电容随之变化，所以两个柔性电极之间的输出电容c在电极不变的条件下只与茎秆含水量ε成正比关系：
11、c＝k·ε (1)
12、式中，k为常数；
13、两个柔性电极之间的输出电容c的变化量δc与茎秆含水量ε的变化量δε也呈正比：
14、δc＝k·δε； (2)
15、(3)基于频域法的输出电容c测量：根据电容测量模块测量原理，由于参考电容c0和参考电感l0的数值已知，输出电容c发生变化时，谐振电路驱动器的谐振频率f就会相应地改变；谐振频率f通过使用外部参考时钟的数字测频模块进行测量与计算：
16、
17、(3)模拟茎秆含水量变化分析：将植物茎秆两侧固定两个柔性电极，监测其输出电容c的变化量δc，之后放在烘箱中干燥，通过失重法获得植物茎秆含水量ε的变化量δε；再根据式(2)，获得该植物的特定的k值；
18、(4)实际植物茎秆含水量监测：实时监测茎秆的输出电容c的变化量δc，根据式(2)获得实际植物的茎秆含水量变化δε。
19、由上述技术方案可知，本专利技术的有益效果为：第一，本专利技术采用频域法电容器，通过电容变化值反馈茎秆含水量变化，实现了无损化茎秆含水量的原位监测，弥补了现有技术中尚无非入侵式茎秆含水量传感器的缺陷；第二，本专利技术中的柔性电极采用植物亲和材料pdms为主进行制备，对植物没有危害，该柔性电极厚度较薄，可任意弯曲，拉伸和扭曲，形变量大，与复杂的植物表面贴合程度高，可同时监测茎秆水分和温度，集成化程度高，具有多功能性；第三，本专利技术采用太阳能电池和蓝牙模块，方便野外工作，避免因接电源导致的复杂电路，节省了因供电导致的监测时间问题，蓝牙功能可以方便直接在手机端进行软件操控，更加实用便捷化。
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1.一种基于频域法的非入侵式多功能茎秆传感器，其特征在于：包括贴附在茎秆两侧的用于反映茎秆含水量的变化量的两个柔性电极，两个柔性电极的输出端均与电容测量模块的输入端相连，电容测量模块的输出端与数据处理模块的输入端相连，数据处理模块的第一输出端与PC机有线连接，数据处理模块的第二输出端通过蓝牙模块与手机无线连接，电池模块分别向电容测量模块、数据处理模块和蓝牙模块供电。
2.根据权利要求1所述的基于频域法的非入侵式多功能茎秆传感器，其特征在于：所述两个柔性电极包括第一柔性电极和第二柔性电极，二者的结构相同；所述第一柔性电极包括膜电极，膜电极为长方形的薄膜状，膜电极的侧面设置用于消除薄膜表面电势的银电极，膜电极的上端沿其长度方向涂敷导热硅脂，导热硅脂的一侧上边沿处粘贴热敏电阻，热敏电阻与用于传输热敏电阻读取的温度数据的银导线的一端相连，混合导线的一端分别与银导线、银电极相连，混合导线的另一端作为第一柔性电极的输出端与电容测量模块的输入端相连。
3.根据权利要求1所述的基于频域法的非入侵式多功能茎秆传感器，其特征在于：所述电容测量模块包括谐振电路驱动器、参考电容C
4.根据权利要求1所述的基于频域法的非入侵式多功能茎秆传感器，其特征在于：所述数据处理模块采用STM32单片机，所述电池模块采用太阳能电池。
5.根据权利要求2所述的基于频域法的非入侵式多功能茎秆传感器，其特征在于：所述混合导线采用银和氯化银制成，所述热敏电阻为NTC热敏电阻，所述导热硅脂用于粘连膜电极和热敏电阻，以及膜电极和植物表面；所述混合导线用于传输茎秆电容变化值和植表温度数据。
6.根据权利要求2所述的基于频域法的非入侵式多功能茎秆传感器，其特征在于：所述膜电极采用石墨烯和聚二甲基硅氧烷制成，在制备膜电极时，首先将石墨烯和聚二甲基硅氧烷按照一定的质量比倒入烧杯内，充分搅拌混合均匀，再将混合溶液放于真空干燥箱中，并抽真空三次，用于去除溶液中的气泡，之后将溶液均匀涂在已超声清洗干净的玻璃片上，并于真空干燥箱50℃固化8小时后，揭下薄膜获得膜电极。
7.根据权利要求3所述的基于频域法的非入侵式多功能茎秆传感器，其特征在于：所述参考电容C0的电容值为33pF，所述参考电感L0的电感值为18μH。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的基于频域法的非入侵式多功能茎秆传感器的监测方法，其特征在于：该方法包括下列顺序的步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于频域法的非入侵式多功能茎秆传感器，其特征在于：包括贴附在茎秆两侧的用于反映茎秆含水量的变化量的两个柔性电极，两个柔性电极的输出端均与电容测量模块的输入端相连，电容测量模块的输出端与数据处理模块的输入端相连，数据处理模块的第一输出端与pc机有线连接，数据处理模块的第二输出端通过蓝牙模块与手机无线连接，电池模块分别向电容测量模块、数据处理模块和蓝牙模块供电。
2.根据权利要求1所述的基于频域法的非入侵式多功能茎秆传感器，其特征在于：所述两个柔性电极包括第一柔性电极和第二柔性电极，二者的结构相同；所述第一柔性电极包括膜电极，膜电极为长方形的薄膜状，膜电极的侧面设置用于消除薄膜表面电势的银电极，膜电极的上端沿其长度方向涂敷导热硅脂，导热硅脂的一侧上边沿处粘贴热敏电阻，热敏电阻与用于传输热敏电阻读取的温度数据的银导线的一端相连，混合导线的一端分别与银导线、银电极相连，混合导线的另一端作为第一柔性电极的输出端与电容测量模块的输入端相连。
3.根据权利要求1所述的基于频域法的非入侵式多功能茎秆传感器，其特征在于：所述电容测量模块包括谐振电路驱动器、参考电容c0、参考电感l0和用于测量谐振频率f的数字测频模块，所述参考电容c0跨接在谐振电路驱动器的输入端上，参考电感l0与参考电容c0并联，参考电感l0的两端接两个柔性电极的输出端，参考电容c0、参考电感l0与两个柔性电极组成谐振...
【专利技术属性】
技术研发人员：陆勤雯，王儒敬，陈翔宇，常永嘉，曹巧，刘洋，王大朋，陈江宁，张晓宇，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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