專利名稱：透射式無損檢測植物葉片含水量的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)技術(shù)中農(nóng)作物含水量檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種透射式無損檢 測植物葉片含水量的裝置和方法。
背景技術(shù)：
在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，含水量條件是一個極其重要的自然條件。含水量是控制植物光合 作用、呼吸作用和生物量的主要因素之一，水分虧缺直接影響植物的生理生化過程和形態(tài) 結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響植物的生長、產(chǎn)量和品質(zhì)。含水量測量的標(biāo)準(zhǔn)方法是烘干法，但烘干法是有損測量，需破壞樣品，且測量時間 很長，步驟繁瑣。于是出現(xiàn)了含水量的儀器測量法，有微波水分法、電容水分法、中子水分 法、電極水分法等等。對植物葉片含水量測量的一般方法是烘干法、電容法、電磁波法等，但 是這些方法一般都有破壞性、非連續(xù)性，并且很費(fèi)時間。隨著光譜技術(shù)的發(fā)展，用光譜法測 量葉片含水量成為一個研究的熱點(diǎn)。但用連續(xù)光譜(具有多個波長點(diǎn))來分析葉片含水量， 所用儀器體積大、重量重、價格昂貴，只適合在實(shí)驗(yàn)室使用。

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)問題是如何提供一種體積小重量輕，而且攜帶方便的透射 式無損檢測植物葉片含水量的裝置，以快速、無損地檢測植物葉片的含水量。( 二 )技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種透射式無損檢測植物葉片含水量的裝 置，包括單片機(jī)、與單片機(jī)相連接的信號采集模塊、人機(jī)交互模塊、存儲器和串口通訊模 塊；其中，所述信號采集模塊用于分別將波長為980nm和890nm的單色光照射葉片前和透過 葉片后的光信號轉(zhuǎn)換為頻率分別與波長為980nm和890nm的單色光的光強(qiáng)成正比關(guān)系的采 集信號，然后將該采集信號發(fā)送到單片機(jī)；所述單片機(jī)用于根據(jù)采集信號計算葉片在波長為980nm和890nm處的吸光度，并 根據(jù)葉片的吸光度計算葉片的含水量；所述人機(jī)交互模塊用于完成信息的輸入、輸出和顯示；所述串口通訊模塊用于實(shí)現(xiàn)所述單片機(jī)與外部設(shè)備之間的通訊，所述外部設(shè)備為 個人計算機(jī)PC;所述存儲器用于存儲樣本葉片在波長為980nm和890nm處的吸光度。優(yōu)選地，所述信號采集模塊包括依次連接的光源、窄帶濾光片、樣品室和檢測器； 其中，所述窄帶濾光片用于將光源所產(chǎn)生的光分別過濾成波長為890nm和980nm的單色 光，以所述單色光作為穿透樣品室中的樣品的作用光，所述單色光穿透樣品的透射光作為承載樣品信息的分析光；所述樣品室用于放置待測葉片樣品；所述檢測器用于檢測作用光或分析光的光強(qiáng)，并將檢測到的作用光或分析光轉(zhuǎn)換 為頻率與作用光或分析光的光強(qiáng)成正比關(guān)系的采集信號發(fā)送到單片機(jī)。優(yōu)選地，所述光源包括兩個波長為940nm的發(fā)光二極管LED ；所述窄帶濾光片包括 一個中心波長為890nm的窄帶濾光片和一個中心波長為980nm的窄帶濾光片。優(yōu)選地，所述單片機(jī)還用于將樣本葉片在波長為980nm和890nm處的吸光度信息 保存在存儲器中，并通過串口通訊模塊將所述保存在存儲器中的樣本葉片在波長為980nm 和890nm處的吸光度信息上傳到PC上。優(yōu)選地，所述單片機(jī)進(jìn)一步包括計數(shù)器TO和定時器Tl ；其中，TO用于對光強(qiáng)轉(zhuǎn)換 成的采集信號頻率進(jìn)行計數(shù)；Tl用于設(shè)定TO的計數(shù)時間。優(yōu)選地，所述人機(jī)交互模塊包括鍵盤和顯示器；其中，所述鍵盤用于控制單片機(jī)實(shí) 現(xiàn)對采集信號的測量、存儲和顯示；所述顯示器用于實(shí)現(xiàn)對采集信號檢測結(jié)果的顯示。本發(fā)明還提供了一種利用上述裝置進(jìn)行無損檢測的方法，該方法包括步驟A、信號采集模塊分別將波長為980nm和890nm的單色光照射葉片前和透過葉 片后的光信號轉(zhuǎn)換為頻率分別與波長為980nm和890nm的單色光的光強(qiáng)成正比關(guān)系的采集 信號，并將該采集信號發(fā)送到單片機(jī)；步驟B、單片機(jī)根據(jù)所述采集信號分別計算葉片在波長為980nm和890nm處的吸光 度；步驟C、單片機(jī)根據(jù)葉片的吸光度計算葉片的含水量。優(yōu)選地，在所述步驟B中，所述計算葉片在波長為980nm和890nm處的吸光度的公式為A = -log(I/I0) = -log(f/f0)其中，A為吸光度，I為波長為980nm和890nm的單色光透過葉片的光強(qiáng)，Itl為波 長為980nm和890nm的單色光照射葉片前的光強(qiáng)；f為與I成正比的采集信號頻率；fQ為與 Itl成正比的采集信號頻率。優(yōu)選地，在所述步驟B中，所述計算葉片在波長為980nm和890nm處的吸光度的公式為A = -log(n/n0)其中，η和Iitl分別為f和&在同一時間內(nèi)的計數(shù)值。優(yōu)選地，在所述步驟C中，所述根據(jù)葉片的吸光度計算葉片的含水量的公式為、W = aiA9B0+a2AB90+a3其中，W為葉片的含水量，A980為葉片在波長為980nm處的吸光度，A890為葉片在波 長為890nm處的吸光度，a3為常數(shù)項(xiàng)， 、a2為待定系數(shù)，通過下述方法確定&1、a2和a3 測 量多個已知葉片含水量W的樣本在波長為980nm和890nm處的吸光度A98tl和A89tl,并保存在 存儲器中，測量完畢后，將所述多個已知葉片含水量的樣本的含水量W、吸光度A98tl和A89tl數(shù) 據(jù)通過串口通訊模塊發(fā)送到PC上，在PC上利用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，建立含水量W與 吸光度A98tl和A89tl的數(shù)學(xué)模型，得出參數(shù)ai、a2和a3。
(三)有益效果本發(fā)明采用透射法，基于光源為近紅外LED，采用單片機(jī)及光頻轉(zhuǎn)換器組成透射式 無損檢測植物葉片含水量的裝置，在葉片水分吸收的特征波長980nm和參比波長890nm處， 測量植物葉片在此兩個波長處的吸光度，利用最小二乘法建立數(shù)學(xué)模型確定植物葉片含水 量與吸光度的定量關(guān)系，無損地檢測植物葉片的含水量。該裝置具有體積小、重量輕、攜帶 方便，能快速、無損地檢測植物葉片的含水量的特點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的透射式無損檢測植物葉片含水量的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的透射式無損檢測植物葉片含水量的方法流程圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例中利用最小二乘法對校正集含水量計算值與含水量標(biāo)準(zhǔn)值 進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合的示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例中利用最小二乘法對預(yù)測集含水量計算值與含水量標(biāo)準(zhǔn)值 進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施 例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的核心思想是采用透射法，基于光源為近紅外LED，采用單片機(jī)及光頻轉(zhuǎn)換 器組成透射式無損檢測植物葉片含水量的裝置，在葉片水分吸收的特征波長980nm和參比 波長890nm處，測量植物葉片在此兩個波長處的吸光度，利用最小二乘法建立數(shù)學(xué)模型確 定植物葉片含水量與吸光度的定量關(guān)系，無損地檢測植物葉片的含水量。圖1是本發(fā)明實(shí)施例的透射式無損檢測植物葉片含水量的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；參見 圖1，所述裝置包括單片機(jī)、分別與單片機(jī)相連接的信號采集模塊、人機(jī)交互模塊、存儲器 和串口通訊模塊。所述信號采集模塊用于分別將波長為980nm和890nm的單色光照射葉片前和透過 葉片后的光信號轉(zhuǎn)換為頻率分別與波長為980nm和890nm的單色光的光強(qiáng)成正比關(guān)系的采 集信號(例如，方波或脈沖)，然后將該采集信號發(fā)送到單片機(jī)。所述信號采集模塊包括依次連接的光源、窄帶濾光片、樣品室和檢測器；所述窄帶濾光片用于將光源所產(chǎn)生的光分別過濾成波長為890nm和980nm的單色 光，以所述單色光作為穿透樣品室中的樣品的作用光，穿透樣品的透射光作為承載樣品信 息的分析光；本發(fā)明可以采用兩個波長為940nm的LED (Light Emitting Diode，發(fā)光二極管) 作為光源，分別通過中心波長為890nm和980nm的兩個窄帶濾光片產(chǎn)生單色光。每個LED 具有單獨(dú)的可調(diào)節(jié)的恒流電路，保證光源的穩(wěn)定。所述樣品室用于放置待測葉片樣品，其為不受外界光干擾的黑箱，從而提高了測
量精度；所述檢測器用于檢測作用光或分析光的光強(qiáng)，并將檢測到的作用光或分析光轉(zhuǎn)換 為頻率與作用光或分析光的光強(qiáng)成正比關(guān)系的采集信號(例如，方波或脈沖)發(fā)送到單片機(jī)，其可以為光頻轉(zhuǎn)換器TSL230。所述單片機(jī)用于根據(jù)采集信號計算葉片在波長為980nm和890nm處的吸光度，并 根據(jù)葉片的吸光度計算葉片的含水量。其可以為MSP430F149。所述單片機(jī)還用于將樣本葉片在波長為980nm和890nm處的吸光度等信息保存 在存儲器中，并通過串口通訊模塊將所述保存在存儲器中的樣本葉片在波長為980nm和 890nm處的吸光度等信息上傳到PC (personal computer，個人計算機(jī))，所述PC利用最小二 乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，建立吸光度與含水量之間的數(shù)學(xué)模型。所述單片機(jī)進(jìn)一步包括計數(shù)器TO和定時器Tl，其中TO用于對光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成的采集 信號頻率進(jìn)行計數(shù)；Tl用于設(shè)定TO的計數(shù)時間。所述人機(jī)交互模塊用于完成信息的輸入、輸出和顯示。所述人機(jī)交互模塊包括鍵盤和顯示器；所述鍵盤用于控制單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對采集信號 的測量、存儲和顯示；所述顯示器用于實(shí)現(xiàn)對采集信號檢測結(jié)果的顯示。所述串口通訊模塊用于實(shí)現(xiàn)所述單片機(jī)與外部設(shè)備之間的通訊，其可以為RS232 串行接口，所述外部設(shè)備可以為PC ；所述存儲器用于存儲樣本葉片在波長為980nm和890nm處的吸光度等信息。圖2是本發(fā)明實(shí)施例的透射式無損檢測植物葉片含水量的方法流程圖。參見圖2， 所述方法包括步驟A、信號采集模塊分別將波長為980nm和890nm的單色光照射葉片前和透過葉 片后的光信號轉(zhuǎn)換為頻率分別與波長為980nm和890nm的單色光的光強(qiáng)成正比關(guān)系的采集 信號(例如，方波或脈沖)，并將該采集信號發(fā)送到單片機(jī)；植被在970nm、1450nm和1940nm附近的光譜吸收峰反映著植物的含水量狀況。本 發(fā)明選用980nm為測量波長。在890nm的波段，水分吸收較少，并且吸收曲線趨于平坦。因 此，選用890nm作為參比波長。為了得到葉片含水量，需要知道波長為980nm和890nm的單色光透過葉片的光強(qiáng) I和照射葉片前的光強(qiáng)Ιο。本步驟采用光頻轉(zhuǎn)換器TSL230作為檢測器，對波長為980nm和890nm的單色光透 過葉片的光強(qiáng)I和照射葉片前的光強(qiáng)Itl進(jìn)行檢測后，將上述光信號分別轉(zhuǎn)換成頻率與照射 光強(qiáng)度成正比的采集信號(例如方波或者脈沖)發(fā)送給單片機(jī)。步驟B、單片機(jī)根據(jù)所述采集信號分別計算葉片在波長為980nm和890nm處的吸光 度；在本步驟中，根據(jù)吸收定律，吸光度為A = -log(I/I0) = -log(f/f0) (1)其中，f，&為經(jīng)過光頻轉(zhuǎn)換以后輸出的采集信號的頻率，分別對應(yīng)于波長為980nm 和890nm的單色光透過葉片的光強(qiáng)I及照射葉片前的光強(qiáng)I。。在本步驟中，還可以利用單片機(jī)內(nèi)部的計數(shù)器TO和定時器Tl。TO用于對光強(qiáng)轉(zhuǎn) 換成的采集信號進(jìn)行計數(shù)；Tl用于設(shè)定TO的計數(shù)時間。因此，光頻轉(zhuǎn)換器輸出的采集信號 頻率與在一定時間內(nèi)TO的計數(shù)值成正比，則吸光度為A = -IogOVnci) (2)其中，n、Iitl分別為單片機(jī)對透過葉片以后與照射葉片前的光強(qiáng)經(jīng)過光頻轉(zhuǎn)換以后，同一時間(例如50ms)內(nèi)輸出信號的計數(shù)值。因此，只要測量出波長為980nm和890nm的單色光照射葉片前后的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成的 采集信號頻率或光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成的采集信號頻率的計數(shù)值，就可以分別根據(jù)公式(1)和(2)計 算出葉片在上述兩種不同波長單色光照射下的吸光度A98tl和A89tlt5步驟C、單片機(jī)根據(jù)葉片的吸光度計算葉片的含水量。葉片的含水量W與吸光度A98tl和A89tl之間存在著一個線性的對應(yīng)關(guān)系，即葉片含水 量W可以近似表示為W = aik980+a2k890+a3 (3)其中，a3為常數(shù)項(xiàng)，B1^a2為待定系數(shù)。在本步驟中，主要是利用最小二乘法建模計算得到參數(shù)ai、a2和a3。具體計算得到系數(shù) 、a2和a3的方法包括測量多個(至少20 30個)已知葉 片含水量(可以用標(biāo)準(zhǔn)法(烘干法)測量得出)的樣本在波長為980nm和890nm處的吸 光度A98tl和A89tl,并保存在存儲器中，測量完畢后，將所述多個已知葉片含水量的樣本的含水 量、吸光度A98tl和A89tl數(shù)據(jù)通過串口通訊模塊發(fā)送到PC上，在PC上利用最小二乘法進(jìn)行數(shù) 據(jù)擬合，建立含水量W與吸光度A98tl和A89tl的數(shù)學(xué)模型，計算得出參數(shù)ai、a2和a3，將得到的 參數(shù)ai、a2*a3的值代人上述公式(3)中，則可以利用上述公式(3)直接計算葉片的含水 量。例如，試驗(yàn)采集39個葉片。用烘干法測定其標(biāo)準(zhǔn)含水量。在本發(fā)明所述裝置上隨 機(jī)取出其中30片作為校正集，剩下的9片作為預(yù)測集進(jìn)行測定。如圖3所示，利用最小二 乘法對校正集含水量計算值與含水量標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到標(biāo)準(zhǔn)值與計算值之間的數(shù) 學(xué)模型為y = x+lE-05。如圖4所示，利用最小二乘法對預(yù)測集含水量計算值與含水量標(biāo)準(zhǔn) 值進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到標(biāo)準(zhǔn)值與計算值之間的數(shù)學(xué)模型為y = 1. 0246x-0. 0146。從上述兩 圖中可以看出不論是校正集還是預(yù)測集，其含水量計算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)含水量基本一致。本發(fā)明上述實(shí)施例中，采用透射法，基于光源為近紅外LED，采用單片機(jī)及光頻轉(zhuǎn) 換器組成透射式無損檢測植物葉片含水量的裝置，在葉片水分吸收的特征波長980nm和參 比波長890nm處，測量植物葉片在此兩個波長處的吸光度，利用最小二乘法建立數(shù)學(xué)模型 確定植物葉片含水量與吸光度的定量關(guān)系，無損地檢測植物葉片的含水量。該裝置具有體 積小、重量輕、攜帶方便，能快速、無損地檢測植物葉片的含水量的特點(diǎn)。以上實(shí)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
一種透射式無損檢測植物葉片含水量的裝置，其特征在于，包括單片機(jī)、分別與單片機(jī)相連接的信號采集模塊、人機(jī)交互模塊、存儲器和串口通訊模塊；其中，所述信號采集模塊用于分別將波長為980nm和890nm的單色光照射葉片前和透過葉片后的光信號轉(zhuǎn)換為頻率分別與波長為980nm和890nm的單色光的光強(qiáng)成正比關(guān)系的采集信號，然后將該采集信號發(fā)送到單片機(jī)；所述單片機(jī)用于根據(jù)采集信號計算葉片在波長為980nm和890nm處的吸光度，并根據(jù)葉片的吸光度計算葉片的含水量；所述人機(jī)交互模塊用于完成信息的輸入、輸出和顯示；所述串口通訊模塊用于實(shí)現(xiàn)所述單片機(jī)與外部設(shè)備之間的通訊，所述外部設(shè)備為個人計算機(jī)PC；所述存儲器用于存儲樣本葉片在波長為980nm和890nm處的吸光度。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述信號采集模塊包括依次連接的光源、窄 帶濾光片、樣品室和檢測器；其中，所述窄帶濾光片用于將光源所產(chǎn)生的光分別過濾成波長為890nm和980nm的單色光， 以所述單色光作為穿透樣品室中的樣品的作用光，所述單色光穿透樣品的透射光作為承載 樣品信息的分析光；所述樣品室用于放置待測葉片樣品；所述檢測器用于檢測作用光或分析光的光強(qiáng)，并將檢測到的作用光或分析光轉(zhuǎn)換為頻 率與作用光或分析光的光強(qiáng)成正比關(guān)系的采集信號發(fā)送到單片機(jī)。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述光源包括兩個波長為940nm的發(fā)光二極 管LED ；所述窄帶濾光片包括一個中心波長為890nm的窄帶濾光片和一個中心波長為980nm 的窄帶濾光片。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述單片機(jī)還用于將樣本葉片在波長為 980nm和890nm處的吸光度信息保存在存儲器中，并通過串口通訊模塊將所述保存在存儲 器中的樣本葉片在波長為980nm和890nm處的吸光度信息上傳到PC上。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述單片機(jī)進(jìn)一步包括計數(shù)器TO和定時器 Tl ；其中，TO用于對光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成的采集信號頻率進(jìn)行計數(shù)；Tl用于設(shè)定TO的計數(shù)時間。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述人機(jī)交互模塊包括鍵盤和顯示器；其 中，所述鍵盤用于控制單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對采集信號的測量、存儲和顯示；所述顯示器用于實(shí)現(xiàn)對 采集信號檢測結(jié)果的顯示。
7.一種利用如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述裝置進(jìn)行無損檢測的方法，其特征在于，該 方法包括步驟A、信號采集模塊分別將波長為980nm和890nm的單色光照射葉片前和透過葉片 后的光信號轉(zhuǎn)換為頻率分別與波長為980nm和890nm的單色光的光強(qiáng)成正比關(guān)系的采集信 號，并將該采集信號發(fā)送到單片機(jī)；步驟B、單片機(jī)根據(jù)所述采集信號分別計算葉片在波長為980nm和890nm處的吸光度；步驟C、單片機(jī)根據(jù)葉片的吸光度計算葉片的含水量。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在所述步驟B中，所述計算葉片在波長為980nm和890nm處的吸光度的公式為A = -log(I/I0) = -log(f/f0)其中，A為吸光度，I為波長為980nm和890nm的單色光透過葉片的光強(qiáng)，I0為波長為 980nm和890nm的單色光照射葉片前的光強(qiáng)；f為與I成正比的采集信號的頻率；&為與I。 成正比的采集信號頻率。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在所述步驟B中，所述計算葉片在波長為980nm和890nm處的吸光度的公式為A = -log(n/n0)其中，η和Iitl分別為f和&在同一時間內(nèi)的計數(shù)值。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在所述步驟C中，所述根據(jù)葉片的吸光度計算葉片的含水量的公式為、W = a1A980+a2A890+a3其中，W為葉片的含水量，A980為葉片在波長為980nm處的吸光度，A890為葉片在波長為 890nm處的吸光度，a3為常數(shù)項(xiàng)，B1, a2為待定系數(shù)，通過下述方法確定^、a2和a3 測量多 個已知葉片含水量W的樣本在波長為980nm和890nm處的吸光度A98tl和A89tl,并保存在存儲 器中，測量完畢后，將所述多個已知葉片含水量的樣本的含水量W、吸光度A98tl和A89tl數(shù)據(jù)通 過串口通訊模塊發(fā)送到PC上，在PC上利用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，建立含水量W與吸光 度A98tl和A89tl的數(shù)學(xué)模型，得出參數(shù) 、a2和a3。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種透射式無損檢測植物葉片含水量的裝置和方法，所述裝置包括單片機(jī)、與單片機(jī)相連接的信號采集模塊、人機(jī)交互模塊、存儲器和串口通訊模塊；本發(fā)明采用透射法，基于光源為近紅外LED，采用單片機(jī)及光頻轉(zhuǎn)換器組成透射式無損檢測植物葉片含水量的裝置，在葉片水分吸收的特征波長980nm和參比波長890nm處，測量植物葉片在此兩個波長處的吸光度，利用最小二乘法建立數(shù)學(xué)模型確定植物葉片含水量與吸光度的定量關(guān)系，無損地檢測植物葉片的含水量。該裝置具有體積小、重量輕、攜帶方便，能快速、無損地檢測植物葉片的含水量的特點(diǎn)。
文檔編號G01N21/35GK101975759SQ20101027640
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者侯瑞, 吉海彥 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)