專利名稱：作物電阻抗譜檢測系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)信息技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種作物電阻抗譜檢測系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
通常阻抗技術(shù)有兩種分析方法生物阻抗分析(BIA)和生物阻抗頻譜分析(BIS)。 測定作物組織和器官的電阻抗圖譜的方法稱作EIS法。作物細(xì)胞由細(xì)胞壁和原生質(zhì)體兩部 分組成。原生質(zhì)體是由生命物質(zhì)——原生質(zhì)所構(gòu)成，兩個主要的電解內(nèi)含物液泡和細(xì)胞質(zhì) 分別被液泡膜和原生質(zhì)膜包圍。細(xì)胞質(zhì)含有大量由特定膜包圍的細(xì)胞器。液泡內(nèi)的水溶性 溶液主要含有無機離子和有機酸。電流通過細(xì)胞膜時產(chǎn)生電勢差，電勢差由細(xì)胞膜的有效 運輸系統(tǒng)和可選擇的滲透特性來保持。細(xì)胞器具有不同的電學(xué)特性(Smith 1983 ；Zhang和 Willison 1992)；液泡和細(xì)胞質(zhì)類似于電阻器，而細(xì)胞膜具有電容特性。當(dāng)交變電流(AC) 通過作物組織時，通過胞外間隙和胞內(nèi)的比例取決于AC頻率和組織特性(Glerum 1980)。 該組織的特性(結(jié)構(gòu)特性和生理特性)可用等效電路分析進(jìn)行量化。分析測定不同AC頻 率下阻抗數(shù)據(jù)的方法，被稱為EIS法(Macdonald 1987)[1]。根據(jù)Cole-Cole理論，建立了生物組織的R、C三元件電路等效模型[2]，如圖1所 示，由此會表現(xiàn)出阻抗特性。我國的農(nóng)業(yè)灌溉在技術(shù)和設(shè)備上都存在一定的問題，灌溉水的總利用率相對較 低。我國現(xiàn)今多為依靠環(huán)境參數(shù)的采集、分析，進(jìn)行環(huán)境調(diào)控和過程管理，忽視了農(nóng)作物本 身的生理信息的精細(xì)監(jiān)測。其實根據(jù)作物的生理水分的變化信息來實施精細(xì)灌溉是實現(xiàn)農(nóng) 業(yè)節(jié)水高產(chǎn)的一個重要手段。目前國內(nèi)外常用的反映作物水分狀況的信息，主要有葉水勢、氣孔導(dǎo)度、細(xì)胞液濃 度、組織相對含水量、植株蒸騰速率、冠層溫度、冠層光譜信息和莖桿直徑變化等作物生理 生態(tài)指標(biāo)。從已有研究結(jié)果和應(yīng)用實踐看，莖直徑變化、植株蒸騰速率、冠層溫度是幾個較 適合于連續(xù)自動監(jiān)測的作物水分狀況表征信號，但是間接的反映植物體內(nèi)水分狀態(tài)。作為現(xiàn)有技術(shù)，電阻抗可用于估測植物活力、果實受損程度、抗寒性、對含鹽量敏 感度、根系生長情況、養(yǎng)分狀況(Greenham等1978)。目前利用阻抗特性研究植物的生理指 標(biāo)的技術(shù)有(I)Kato (1987)在IOOHz IOOkHz研究蘋果阻抗特性，發(fā)現(xiàn)蘋果從新鮮到未腐爛 時果肉阻抗趨于增加。(2)宋蜇存等(1995)提出用測量阻抗的方法，間接的對樹木細(xì)胞活力進(jìn)行定性和 定量的分析測定[3]。(3)張立彬等(1996)利用平板電極研究了金帥蘋果切片組織的介電特性與新鮮 度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在IOOHz IOOkHz的測試頻段內(nèi)，隨蘋果的儲藏時間越長，其果肉組織的阻 抗值越大M。(4)胥芳等(1997)對桃子貯藏過程中電特性變化測試發(fā)現(xiàn)，頻率為15kHz以下 為桃子最佳測試段，桃子隨貯藏時間的增加其等效阻抗增大，相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因子減小，當(dāng)桃子開始腐爛后，電特性會出現(xiàn)一個大的反復(fù)，可根據(jù)這一現(xiàn)象判定桃子是否腐 爛。以上研究表明，采用阻抗法研究果蔬采摘后的電特性，可以實現(xiàn)果蔬品質(zhì)無損檢測[5]。(5)張立彬等(2000)又一次試驗表明，在5 IOOkHz的頻率范圍內(nèi)，有腐爛或損 傷的蘋果的阻抗比完好的要小，但測試結(jié)果受頻率漂移影響較大；在33 IOOkHz頻率范圍 內(nèi)，有腐爛或損傷的蘋果的相對介電常數(shù)比完好的要大，測試頻率的變化對相對介電常數(shù) 基本無影響；損耗因數(shù)的變化則無一定的規(guī)律性。因此，用相對介電常數(shù)來進(jìn)行水果內(nèi)部品 質(zhì)的判別是可行的[6]。(6)董玉娟等(2003)采用生物電阻抗和H202酶活性方法對比了梭梭、檸條的抗旱 性和抗鹽性[7](7) STEFANO MANCUS0 (1997年)用了 18個月的時間測量了洋橄欖樹根和葉的阻抗 參數(shù)，以確定它的胞內(nèi)電阻、胞外電阻以及細(xì)胞膜電容隨季節(jié)的變化。選擇ZARC模型用作 根和葉的等效電路。這些參數(shù)與根的活力有關(guān)[8]。(8)T. Repo等(2000年)用EIS方法研究歐洲赤松的抗寒性。并與等效電路模型 進(jìn)行比較[9]。(9)Mancuso等(2004)用生物阻抗法和電解液滲透法測定4種Callistemon屬和 2種Grevillea屬植物的抗寒性，兩種方法求出的抗寒性結(jié)果非常類似。根據(jù)植物電特性變 化，還可以用于抗寒旱研究_。(10) Tapani Repo等(2005年)利用EIS方法對楊柳的根生長過程中進(jìn)行無損檢 測。實驗材料一段帶有根的莖桿放在培養(yǎng)液，它的等效模型包括兩個ZARC_Cole參數(shù)，一個 恒定的相位參數(shù)和一個電阻參數(shù)[11]。(Il)Harry Ozier-Lafontaine等(2005年)利用EIS方法對番茄的根生長過程中 進(jìn)行無損檢測，在考慮土壤和電極位置影響下實驗測量根的重量和根的電容之間的關(guān)系， 用EIS分析番茄根部的生長[12]。綜上所述，目前測量作物電阻抗譜的方法多為有損的、短時的，不適于在溫室中對 作物電阻抗譜長期監(jiān)測；使用的測量儀器也多為現(xiàn)有的大型阻抗議，無法做到在溫室中便 攜的方法測量；而對于作物活體電阻抗譜與水分狀態(tài)變化關(guān)系也應(yīng)進(jìn)行深入研究。由于利 用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行檢測時的困境，因此就需要建立一種新的適用于溫室中的作物電阻抗譜檢 測方法和研制一種無損長期監(jiān)測裝置，以彌補當(dāng)前檢測方法的不足，使得對作物電阻抗譜 檢測方便、準(zhǔn)確、客觀，使作物電阻抗譜的檢測從實驗室研究轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)應(yīng)用服務(wù)。以上提到的現(xiàn)有技術(shù)的參考文獻(xiàn)如下[1]張鋼，肖建忠，陳段芬。測定植物抗寒性的電阻抗圖譜法。植物生理與分子生 物學(xué)學(xué)報。2005，31(1) ； 19-26.[2]唐敏，生物阻抗測量原理與測量技術(shù)，生物醫(yī)學(xué)工程雜志，1997，14(2)， 152-155.[3]宋蜇存，王克奇.阻抗法測定樹木細(xì)胞活力的研究.林業(yè)科學(xué)，1995. 31(1) 92-94.[4]張立彬，胥芳，周國君等.蘋果的介電特性與新鮮度的關(guān)系研究.農(nóng)業(yè)工程學(xué) 報，1996. 12(3) 186-190.[5],胥芳，張立彬，周國君等.無損檢測桃子電特性的試驗研究.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1997. 13(1) 202-205.[6]張立彬，胥芳，賈燦純等.蘋果內(nèi)部品質(zhì)的電特性無損檢測研究.農(nóng)業(yè)工程學(xué) 報，2000. 16(3) 104-106.[7]董玉娟，李富英，王秀美.梭梭、檸條抗逆性的比較分析.內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué) 報，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]Mancuso, S. , F. Nicese, E. Masi, et al. comparing fractal analysis, electrical impedance and electrolyte leakage for the assessment of cold tolerance in Callistemon and Grevilea spp.J Hortic Scf Biotech,2004(79) 627-632.[11]Tapani Repo,Janne Laukkanen and Raimo Silvennoinen. "Measurement of Tree Root Growth Using Electrical Ipedance Spectroscopy". Silva Fennica. 39 (2), 2005，159-166.[12]Harry Oxier-Lafontaine and Thierry Bajazet."Analysis of root growth by impedance spectroscopy (EIS)，，· Plant and Soil. 277, 2005, 299-313.

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何對活體植物進(jìn)行長期、無損、便攜、準(zhǔn)確地檢測 電阻抗譜的變化。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種作物電阻抗譜檢測系統(tǒng)，包括電阻抗譜檢測 單元、阻抗分析單元、微控制單元和上位機，所述微控制單元連接上位機，用于接收上位機設(shè)置的所述阻抗分析單元的工作參 數(shù)并傳輸給所述阻抗分析單元；阻抗分析單元用于根據(jù)所述工作參數(shù)產(chǎn)生第一單極性正弦信號，并將所述第一單 極性正弦信號輸出到所述電阻抗譜檢測單元，并從所述電阻抗譜檢測單元得到的第二單極 性正弦信號中計算得到的實部R和虛部I，并將所述實部R和虛部I輸出給微控制單元；所述電阻抗譜檢測單元用于將所述第一單極性正弦信號轉(zhuǎn)換為恒定電流加載到 作物上，獲取作物的電壓信號，并將所述電壓信號轉(zhuǎn)換為第二單極性正弦信號輸入到所述 阻抗分析單元；上位機用于處理通過微控制單元獲取的所述第二單極性正弦信號的實部R和虛 部I，計算得到幅度和相位并顯示幅度頻譜圖和相位頻譜圖。其中，所述電阻抗譜檢測單元包括作物電壓探測器、單極性雙極性轉(zhuǎn)換器、電壓電流轉(zhuǎn)換器和雙極性單極性轉(zhuǎn)換器，所述單極性雙極性轉(zhuǎn)換器分別與阻抗分析單元的輸出 端和所述電壓電流轉(zhuǎn)換器連接，用于將所述第一單極性正弦信號轉(zhuǎn)換為雙極性正弦信號， 所述電壓電流轉(zhuǎn)換器分別與作物電壓探測器和雙極性單極性轉(zhuǎn)換器連接，用于將雙極性正 弦信號轉(zhuǎn)化為恒定電流并通過作物電壓探測器加載到作物上，得到作物的電壓信號，所述 雙極性單極性轉(zhuǎn)換器連接阻抗分析單元的輸入端，用于將所述作物的電壓信號轉(zhuǎn)換成第二 單極性正弦信號。其中，所述作物電壓探測器為至少兩個非極化電極，第一非極化電極一端連接所 述電壓電流轉(zhuǎn)換器，另一端用于插入作物的莖桿，第二非極化電極一端接地，另一端用于插 入作物的莖桿。其中，所述非極化電極為鉬絲電極。其中，所述作物電壓探測器包括至少兩個電極夾和用導(dǎo)電膏浸透的棉片，第一電 極夾一端連接所述電壓電流轉(zhuǎn)換器，另一端用于通過所述棉片夾住作物的莖桿，第二電極 夾一端接地，另一端用于通過所述棉片夾住作物的莖桿。其中，所述阻抗分析單元包括控制端、分別與控制端連接的輸入端和輸出端，所 述控制端用于產(chǎn)生第一單極性正弦信號，并通過輸出端傳輸?shù)剿鲭娮杩棺V檢測單元，所 述輸入端用于接收所述第二單極性正弦信號并傳輸給所述控制端。其中，所述微控制單元包括微控制器和與其連接的傳輸單元，所述微控制器連接 阻抗分析單元，用于傳輸工作參數(shù)給所述阻抗分析單元，并獲取第二單極性正弦信號，傳輸 單元用于將所述第二單極性正弦信號傳輸?shù)缴衔粰C。其中，所述傳輸單元包括USB接口和無線傳輸接口，或二者之一。其中，所述系統(tǒng)還包括電源，用于為電阻抗譜檢測單元、阻抗分析單元和微控制單 元供電。一種利用上述的系統(tǒng)進(jìn)行作物電阻抗譜檢測的方法，包括以下步驟Sl 根據(jù)所述工作參數(shù)產(chǎn)生第一單極性正弦信號；S2 將所述第一單極性正弦信號轉(zhuǎn)換為雙極性正弦信號；S3 將所述雙極性正弦信號轉(zhuǎn)換為恒定電流；S4 將所述恒定電流加載到作物上，得到作物的電壓信號；S5 將所述電壓信號轉(zhuǎn)換為第二單極性正弦信號；S6 將所述第二單極性正弦信號接入到所述阻抗分析單元，經(jīng)過所述阻抗分析單 元的處理得到作物電阻抗的實部R和虛部I ；S7 將所述電阻抗的實部R和虛部I發(fā)送給微控制單元；S8 將所述電阻抗的實部R和虛部I通過USB接口或者無線方式發(fā)送給所述上位 機；S9 利用所述電阻抗的實部R和虛部I生成作物的電阻抗譜圖，具體包括由以下公式得到所述二單極性正弦信號的幅度A和相位P A 二 V/ 2+/2、P = TarT1 (I/R)并根據(jù)幅度A和相位P生成作物的電阻抗譜圖，包括幅度頻譜圖和相位頻譜圖。(三)有益效果本發(fā)明的系統(tǒng)采用單片機來實現(xiàn)系統(tǒng)中的各單元AD5933實現(xiàn)阻抗分析單元，CC2430實現(xiàn)具有無線通信功能的微控制單元，使得本發(fā)明系統(tǒng)的便攜性強，可以方便、長期 地在溫室中對活體作物進(jìn)行電阻抗譜的檢測，并可以實現(xiàn)長距離無線傳輸，采用非極性電 極或電極夾作用于活體作物，能夠?qū)崿F(xiàn)對活體作物的無損檢測。


圖1是本發(fā)明的作物電阻抗譜檢測系統(tǒng)及方法的檢測原理圖；圖2是本發(fā)明實施例的一種作物電阻抗譜檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2中電阻抗譜檢測單元的作物電壓探測器及與作物連接示意圖，(a)為 非極性電極示意圖，(b)為電極夾示意圖；圖4是本發(fā)明實施例的一種作物電阻抗譜檢測方法流程圖；圖5是利用本發(fā)明的系統(tǒng)測量得到的番茄莖桿電阻抗的相位頻譜圖；圖6是利用本發(fā)明的系統(tǒng)測量得到的番茄莖桿電阻抗的幅度頻譜圖；圖7是PEG6000實驗中相位頻譜圖隨加入時間的變化相位頻譜圖的變化。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實施 例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。如圖2所示，為本發(fā)明實施例的一種作物電阻抗譜檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，包括電阻抗譜檢測單元100、阻抗分析單元200、微控制單元300和上位機400。本實施例中，微控制單元300優(yōu)選采用CC2430芯片，連接上位機400，用于接收上 位機400設(shè)置的阻抗分析單元200的工作參數(shù)并傳輸給阻抗分析單元200。微控制單元300 包括微控制器303和與其連接的傳輸單元，傳輸單元包括USB接口 301和無線傳輸接口 302，或二者之一。阻抗分析單元200優(yōu)選為高精度的阻抗轉(zhuǎn)換設(shè)備AD5933芯片，包括控制端 203 (包括AD5933的SDA和SCL引腳及與兩引腳相連的DSP處理器)及分別與控制端203 連接的輸出端201 (AD5933的Vout引腳)和輸入端202 (AD5933的Vin引腳)，控制端203 通過SDA和SCL管腳連接微控制器303，微控制器303通過控制端203控制AD5933的讀寫 狀態(tài)，并將上位機400設(shè)置的阻抗分析單元200的工作參數(shù)傳輸給阻抗分析單元200，及傳 遞給控制端203，使AD5933輸出一定頻率范圍內(nèi)的正弦信號，該正弦信號為單極性的，本實 施例中稱為第一單極性正弦信號，該第一單極性正弦信號通過輸出端201輸出到所述電阻 抗譜檢測單元100，其中，工作參數(shù)為芯片AD5933的初始頻率、掃頻間隔和掃頻點數(shù)。電阻抗譜檢測單元100包括作物電壓探測器101、單極性雙極性轉(zhuǎn)換器106、電壓 電流轉(zhuǎn)換器105和雙極性單極性轉(zhuǎn)換器104，單極性雙極性轉(zhuǎn)換器106與阻抗分析單元200 的輸出端201和所述電壓電流轉(zhuǎn)換器105均連接，電壓電流轉(zhuǎn)換器105與作物電壓探測器 101和雙極性單極性轉(zhuǎn)換器104均連接，雙極性單極性轉(zhuǎn)換器104連接阻抗分析單元的輸入 端202。由于AD5933輸出的正弦信號和需要進(jìn)入輸入端的正弦信號均為0以上的單極性的 信號，而加在作物植株上的信號應(yīng)為雙極性的，因此，單極性雙極性轉(zhuǎn)換器106將所述第一 單極性正弦信號轉(zhuǎn)換為雙極性正弦信號，電壓電流轉(zhuǎn)換器105將雙極性正弦信號轉(zhuǎn)化為恒 定電流并通過作物電壓探測器101加載到作物上，得到作物電壓信號，雙極性單極性轉(zhuǎn)換器104將作物電壓信號轉(zhuǎn)換成第二單極性正弦信號。雙極性單極性轉(zhuǎn)換器104、單極性雙機 性轉(zhuǎn)換器106優(yōu)選采用AD620，電壓電流轉(zhuǎn)換器優(yōu)選采用AD711。第二單極性正弦信號通過阻抗分析單元200的輸入端202傳輸?shù)娇刂贫?03，控制 端203中的DSP利用離散傅里葉變換計算得到第二單極性正弦信號的實部R和虛部I。微 控制器303通過控制端203控制AD5933的讀寫狀態(tài)，得到控制端203輸出的第二單極性正 弦信號的實部R和虛部I。該實部R和虛部I可通過USB接口 301發(fā)送給上位機400，或通 過無線傳輸接口 302發(fā)送的上位機或發(fā)送到具有處理該結(jié)果能力的其它計算機。實部R和 虛部I經(jīng)過上位機或其它計算機處理后，最終繪制出電阻抗譜圖(包括幅度頻譜圖和相位 頻譜圖)，并顯示和存儲該電阻抗譜圖。如圖3中(a)所示，作物電壓探測器101為至少兩個非極化電極1011和1012，第 一非極化電極1011 —端連接所述電壓電流轉(zhuǎn)換器105，另一端用于插入作物莖桿，第二非 極化電極1012 —端接地，另一端用于插入作物莖桿。所述非極化電極1011和1012優(yōu)選為 Icm長、0.5mm直徑的鉬絲電極。電極插入作物莖稈時并不穿透，而是以一定角度埋進(jìn)作物 莖桿內(nèi)，且埋進(jìn)的長度和插入角度保持一致，因此不對活體作物造成損害。兩電極之間的距 離優(yōu)選為1. 5cm。如圖3中(b)所示，另一種作物電壓探測器101包括至少兩個電極夾1013、1014 和用導(dǎo)電膏浸透的棉片1015，第一電極夾1013 —端連接所述電壓電流轉(zhuǎn)換器105，另一端 用于通過所述棉片1015夾住作物莖桿，第二電極夾1014—端接地，另一端用于通過所述棉 片1015夾住作物莖桿。本發(fā)明的系統(tǒng)還包括電源500，用于為電阻抗譜檢測單元、阻抗分析單元和微控制 單元供電。有兩種供電方式通過交流電源501或通過電池502供電。本發(fā)明實施例提供的一種利用圖2所示的系統(tǒng)檢測作物電阻抗譜的方法，如圖4 所示，包括以下步驟步驟S401，根據(jù)設(shè)置的工作參數(shù)產(chǎn)生第一單極性正弦信號；步驟S402，將所述第一單極性正弦信號轉(zhuǎn)換為雙極性正弦信號；步驟S403，將所述雙極性正弦信號轉(zhuǎn)換為恒定電流；步驟S404，將所述恒定電流加載到作物上，得到作物的電壓信號；步驟S405，將所述電壓信號轉(zhuǎn)換為第二單極性正弦信號；步驟S406 將所述第二單極性正弦信號接入到所述阻抗分析單元，經(jīng)過所述阻抗 分析單元的處理得到作物電阻抗的實部R和虛部I ；步驟S407 將所述電阻抗的實部R和虛部I發(fā)送給微控制單元，對于AD5933是通 過I2C的方式將實部R和虛部I發(fā)送給微控制單元。步驟S408 將所述電阻抗的實部R和虛部I通過USB接口或者無線方式發(fā)送給所 述上位機；步驟S409 利用所述電阻抗的實部R和虛部I生成作物的電阻抗譜圖，具體包括由以下公式得到所述二單極性正弦信號的幅度A和相位P
A = VF+71、P = TarT1 (I/R)并根據(jù)幅度A和相位P生成作物的電阻抗譜圖，包括幅度頻譜圖和相位頻譜圖。使用上述系統(tǒng)及方法檢測作物電阻抗譜時，將作物用屏蔽網(wǎng)隔離，并將屏蔽網(wǎng)接地。如圖5和圖6所示，采用本發(fā)明的系統(tǒng)和方法一次測量后得到相位頻譜圖和幅度 頻譜圖，其橫坐標(biāo)的頻率按阻抗分析單元的初始頻率和掃面間隔遞增。作物的電阻抗譜圖可用于分析作物的水分含量。以番茄莖桿為例，分析番茄莖桿 電阻抗的幅度頻譜圖和相位頻譜圖與水分含量之間的關(guān)系。需要將一定濃度的PEG6000加 入到培養(yǎng)液中，PEG6000是一種干旱脅迫劑，它可以使作物逐步缺水，隨著放入的時間的延 長，作物的水分含量肯定逐漸減少，而如果作物的電阻抗中幅度頻譜圖或者相位頻譜圖也 呈現(xiàn)一種單調(diào)的變化，則可利用以上二者或其一來定性的判斷作物是否缺水。加入300g/L 的PEG6000連續(xù)測試了 10小時番茄莖桿的阻抗譜圖，如圖7所示，相位頻譜圖隨著時間的 增加表現(xiàn)為整體上移，且峰值點所在的頻率點越來越?。欢阮l譜圖的變化規(guī)律并不是 單調(diào)的，故可以以相位這個指標(biāo)來定性的分析作物的水分含量，從而指導(dǎo)灌溉。以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有 等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
一種作物電阻抗譜檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括電阻抗譜檢測單元、阻抗分析單元、微控制單元和上位機，所述微控制單元連接上位機，用于接收上位機設(shè)置的所述阻抗分析單元的工作參數(shù)并傳輸給所述阻抗分析單元；阻抗分析單元用于根據(jù)所述工作參數(shù)產(chǎn)生第一單極性正弦信號，并將所述第一單極性正弦信號輸出到所述電阻抗譜檢測單元，并從所述電阻抗譜檢測單元得到的第二單極性正弦信號中計算得到的實部R和虛部I，并將所述實部R和虛部I輸出給微控制單元；所述電阻抗譜檢測單元用于將所述第一單極性正弦信號轉(zhuǎn)換為恒定電流加載到作物上，獲取作物的電壓信號，并將所述電壓信號轉(zhuǎn)換為第二單極性正弦信號輸入到所述阻抗分析單元；上位機用于處理通過微控制單元獲取的所述第二單極性正弦信號的實部R和虛部I，計算得到幅度和相位并顯示幅度頻譜圖和相位頻譜圖。
2.如權(quán)利要求1所述的作物電阻抗譜檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述電阻抗譜檢測單元 包括作物電壓探測器、單極性雙極性轉(zhuǎn)換器、電壓電流轉(zhuǎn)換器和雙極性單極性轉(zhuǎn)換器，所 述單極性雙極性轉(zhuǎn)換器分別與阻抗分析單元的輸出端和所述電壓電流轉(zhuǎn)換器連接，用于將 所述第一單極性正弦信號轉(zhuǎn)換為雙極性正弦信號，所述電壓電流轉(zhuǎn)換器分別與作物電壓探 測器和雙極性單極性轉(zhuǎn)換器連接，用于將雙極性正弦信號轉(zhuǎn)化為恒定電流并通過作物電壓 探測器加載到作物上，得到作物的電壓信號，所述雙極性單極性轉(zhuǎn)換器連接阻抗分析單元 的輸入端，用于將所述作物的電壓信號轉(zhuǎn)換成第二單極性正弦信號。
3.如權(quán)利要求2所述的作物電阻抗譜檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述作物電壓探測器為 至少兩個非極化電極，第一非極化電極一端連接所述電壓電流轉(zhuǎn)換器，另一端用于插入作 物的莖桿，第二非極化電極一端接地，另一端用于插入作物的莖桿。
4.如權(quán)利要求3所述的作物電阻抗譜檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述非極化電極為鉬絲 電極。
5.如權(quán)利要求2所述的作物電阻抗譜檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述作物電壓探測器包 括至少兩個電極夾和用導(dǎo)電膏浸透的棉片，第一電極夾一端連接所述電壓電流轉(zhuǎn)換器，另 一端用于通過所述棉片夾住作物的莖桿，第二電極夾一端接地，另一端用于通過所述棉片 夾住作物的莖桿。
6.如權(quán)利要求1所述的作物電阻抗譜檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述阻抗分析單元包括 控制端、分別與控制端連接的輸入端和輸出端，所述控制端用于產(chǎn)生第一單極性正弦信號， 并通過輸出端傳輸?shù)剿鲭娮杩棺V檢測單元，所述輸入端用于接收所述第二單極性正弦信 號并傳輸給所述控制端。
7.如權(quán)利要求1所述的作物電阻抗譜檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述微控制單元包括微 控制器和與其連接的傳輸單元，所述微控制器連接阻抗分析單元，用于傳輸工作參數(shù)給所 述阻抗分析單元，并獲取第二單極性正弦信號，傳輸單元用于將所述第二單極性正弦信號 傳輸?shù)缴衔粰C。
8.如權(quán)利要求7所述的作物電阻抗譜檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述傳輸單元包括USB 接口和無線傳輸接口，或二者之一。
9.如權(quán)利要求1 8中任一項所述的作物電阻抗譜檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括電源，用于為電阻抗譜檢測單元、阻抗分析單元和微控制單元供電。
10. 一種利用權(quán)利要求1 8任一項所述的系統(tǒng)進(jìn)行作物電阻抗譜檢測的方法，其特征 在于，包括以下步驟51根據(jù)所述工作參數(shù)產(chǎn)生第一單極性正弦信號；52將所述第一單極性正弦信號轉(zhuǎn)換為雙極性正弦信號；53將所述雙極性正弦信號轉(zhuǎn)換為恒定電流；54將所述恒定電流加載到作物上，得到作物的電壓信號；55將所述電壓信號轉(zhuǎn)換為第二單極性正弦信號；56將所述第二單極性正弦信號接入到所述阻抗分析單元，經(jīng)過所述阻抗分析單元的 處理得到作物電阻抗的實部R和虛部I ；57將所述電阻抗的實部R和虛部I發(fā)送給微控制單元；58將所述電阻抗的實部R和虛部I通過USB接口或者無線方式發(fā)送給所述上位機；59利用所述電阻抗的實部R和虛部I生成作物的電阻抗譜圖，具體包括 由以下公式得到所述二單極性正弦信號的幅度A和相位P J = VF^P = TarT1(VR)并根據(jù)幅度A和相位P生成作物的電阻抗譜圖，包括幅度頻譜圖和相位頻譜圖。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種作物電阻抗譜檢測系統(tǒng)，包括電阻抗譜檢測單元、阻抗分析單元、微控制單元和上位機，微控制單元連接上位機，用于接收上位機設(shè)置的阻抗分析單元的工作參數(shù)并傳輸給阻抗分析單元；阻抗分析單元用于根據(jù)工作參數(shù)產(chǎn)生第一單極性正弦信號，并將第一單極性正弦信號輸出到電阻抗譜檢測單元；電阻抗譜檢測單元用于將第一單極性正弦信號轉(zhuǎn)換為恒定電流加載到作物上，獲取作物的電壓信號，并將電壓信號轉(zhuǎn)換為第二單極性正弦信號輸入到阻抗分析單元；上位機用于處理通過微控制單元獲取的第二單極性正弦信號，并顯示作物電阻抗譜圖。還公開了一種作物電阻抗譜檢測方法。本發(fā)明可以方便、長期地在溫室中對活體作物進(jìn)行無損電阻抗譜的檢測。
文檔編號G01N27/02GK101943672SQ20101026248
公開日2011年1月12日 申請日期2010年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月25日
發(fā)明者丁強, 何建昕, 王忠義, 黃嵐 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)