基于AD5933芯片的植物叶片阻抗谱测定装置及测定方法

摘要

本发明公开了一种基于AD5933芯片的植物叶片阻抗谱测定装置及测定方法，属于阻抗谱测定技术领域。所述基于AD5933芯片的植物叶片阻抗谱测定装置包括：∝形支架，所述∝形支架一端开口，且开口的两端分别缠绕在橡胶棒上；两个绝缘管，每个所述绝缘管的一端套设在所述橡胶棒的一端外部，所述橡胶棒内穿设有银丝，且所述银丝伸出所述橡胶棒的两端，所述绝缘管内填充有导电胶；两个所述橡胶棒的另一端分别通过端口处的银丝与AD5933芯片芯片电极夹连接。该阻抗谱测定装置通过统一夹持力、固定测量面积，测定植物叶片的阻抗谱，对同一位置的重复性测量可能性高，可以精确构建植物叶片阻抗谱模型。

说明书

技术领域

本发明属于阻抗谱测定技术领域，具体涉及一种基于AD5933芯片的植物叶片阻抗谱测定装置及测定方法。

背景技术

水是植物新陈代谢的重要基础，是植物生存的必需。而植物茎干中的含水量更是与植物运输物质的效率、光合作用的效率及植物生长状况息息相关。而当前，对植物茎干水分含量所进行的大量研究，共同面临一个重要的技术瓶颈，即缺乏方便、无损、直观、准确、廉价的植物含水率测量装置。

目前国内最直接、最常用且最具代表性的植物含水量测定方法是烘干法，也称取样称重法。其操作过程是从植物茎干上直接取样，对所得离体枝段的重量称取之后放入烘箱烘至质量不再发生变化，即取得干重，则可测定含水量。但这种方法的优点是非常准确直观和简便。该方法的突出缺点是对植物有着非常大的伤害，尤其是在我们想要研究的茎干部分，是植物的关键部位，会对植物的生理活动造成很大的影响。而且，切口处的水分大量流失会对实验结果的精确性造成比较大的影响。此外，植物不同部位含水差异很大，烘干法并不能做到实时测量、精确测量。

而于植物茎体含水率的无损实时在线检测，国外学者起步较早，并且采用了诸多较为间接的手段。如γ射线法、核磁共振法、计算机层析成像技术和电阻法。而这些方法之中，γ射线法存在潜在的安全隐患，核磁共振法和计算机层析成像的技术拥有过高的成本，对使用环境的要求也非常高，使用起来的实现度和便捷度都有着很大的局限性，无法实现野外的定点长期监测,因此也无法得到广泛的应用和推广。而电阻法在测量活体乔木水分时，存在绝对含水率与电阻值之间不是单值函数的巨大缺陷。故这些方法也不能很好地解决我们现阶段所遇到的问题。

同样地，作为节水灌溉技术未来发展趋势的按植物需求精准灌溉控制等诸多技术，其理论的完善和技术实现也受制于此。我们基于阻抗谱模块去研究如何测量植物茎干的含水量，期望的是能够在不对植物自身生理结构造成伤害的基础上便捷且准确地实时测量出植物茎干的含水量数据，以便用于对植物的生长状况及生理特性等进行研究。

目前测定植物的阻抗谱时主要问题是重复性差，即使同样的传感器重复测定同一状态的叶片结果仍有较大差异，所以虽然植物含水率改变，其阻抗谱变化显著，但测量值是相对值，难以归一化，测量结果很难具有可比性。究其原因是由于叶片表面并不平整，也无法加工，电极每次测定施加的夹持力不同，不仅容易造成叶片损伤，还造成实际接触的面积不同、接触阻抗不一样，从而造成结果的偏差。为了准确地比较植物生理阻抗，使用柔性材料接触叶片，固定电极接触面积和接触阻抗，是当前植物电生理研究的当务之急。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，而提供一种基于AD5933芯片的植物叶片阻抗谱测定装置及测定方法，该阻抗谱测定装置通过使用导电胶接触叶片、固定测量面积和接触电阻，测定得到的植物叶片的阻抗谱克服了金属电极接触叶片的不确定性，重复性好，因此不同树种，不同叶片的阻抗谱数值具有可比性，可以用来精确构建植物叶片阻抗谱模型。

本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种基于AD5933芯片的植物叶片阻抗谱测定装置，包括：

∝形支架，所述∝形支架一端开口，且开口的两端分别缠绕在橡胶棒上；

两个绝缘橡胶管，每个所述绝缘橡胶管的一端套设在橡胶棒的一端外部，另一端在测量时压向叶片；所述橡胶棒中间穿设有银丝，且所述银丝伸出所述橡胶棒的两端，橡胶棒作为绝缘密闭封口，封闭绝缘橡胶管中的导电胶。银丝一端接触导电胶，另一端连接阻抗谱测量电路；

两个绝缘橡胶管压向叶片处的接触面完全相同，上下对齐，用具有弹性的∝形支架将彼此压紧，绝缘橡胶管空腔处灌注导电胶。其中导电胶作为连接叶片和测量装置的电极，导电胶是液态的，且和叶片表面紧密接触，使接触电阻和实际接触面积恒定。

两个所述橡胶棒的另一端通过端口处的银丝分别与AD5933芯片芯片电极夹连接。

更进一步地，所述∝形支架为弹簧丝，且所述∝形支架开口的两端分别呈螺旋状缠绕在橡胶棒上。

更进一步地，所述∝形支架缠绕在橡胶棒上的部位表面涂覆油漆，以使该部位绝缘。

更进一步地，所述绝缘管为绝缘橡胶管，所述橡胶管呈圆柱状。

更进一步地，所述∝形支架由弹簧丝制作而成。

本发明提供一种用所述的基于AD5933芯片的植物叶片阻抗谱测定装置测定植物叶片的阻抗谱的方法，包括如下步骤：

步骤一：选取生长在不同环境下带有叶片的待测植物的新鲜枝条，并包住枝条基部；

步骤二：清理新鲜枝条上的叶片，并采摘长势较为一致的叶片；

步骤三：将叶片夹在所述测定装置的两个绝缘管之间，通过arduino软件设置测定电压、频率，测定植物阻抗谱。

将弹簧丝弯折成小镊子状(此小镊子状的弹簧丝即为本说明中的∝形支架)，并在其开口端包裹油漆使其绝缘以不影响实验结果，并借助其弹性产生作用力使装置两端能够更紧密地与叶子贴合，从而减少可能出现的实验误差；用绝缘的橡胶管包裹弹簧丝缠绕的橡胶棒，使两端银丝得以固定；且将两端银丝弯折，增大与导电胶的接触面积并引出电极(将银丝插入橡胶棒中，两端出头，保证密闭)，同时将导电胶注入橡胶管以保证该装置良好的导电性。

本发明使用绝缘材料橡胶管、用∝形夹具将其固定在叶片两边，里面灌注导电胶，并用带银丝电极的密封头封闭开口，因为叶片和导电胶，导电胶和银丝电极是固液接触，不受叶片和银丝表面微结构的影响，从而固定了接触面积和接触电阻，这样测定植物叶片的阻抗谱重复性高，而且接触植物叶片的橡皮管和导电胶都是植物材料，所以不会损伤叶片。

由于银丝和导电胶本身电阻在整个频谱范围内都很小，而且基本不变。此电极设计使阻抗谱测量结果能很好地反应植物叶片的含水率变化，很好的解决了重复稳定性差的问题。本发明搭建基于AD5933芯片的电路模块代替笨重的阻抗仪，能够很好的实现测量装置小型化微型化，最终实现植物含水率活体测量。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

第一：本发明通过导电胶和叶片接触，使接触电阻和实际接触面积稳定，彻底改变了金属电极和叶片接触，实际接触面积和接触电阻不确定性的不足；

第二：本发明选择橡胶管接触叶片，约束导电胶，使测量面积固定；

第三：本发明通过绝缘橡胶管包裹导电胶接触叶片，导电胶是液体，橡胶管是柔性材料，使得测量时不会损坏植物叶片，可以无损地在线检测不同厚度的植物叶片的阻抗，简化了装置结构；

第四：本发明测量结果重复性好，具有可比性，可以便捷定量测试出植物叶片的含水率，可以定量判断植物叶片阻抗性能；

第五：本发明在不损害植物自身生理结构的前提下，对植物茎干的阻抗谱进行大量研究，以便便捷且准确地实时测量出植物茎干的含水量数据；

第六：本发明简便、准确、精度高，测定结果不受测定条件的影响，具有普适性。

附图说明

图1为本发明的基于AD5933芯片的植物叶片阻抗谱测定装置的结构示意图；

图2为本发明的植物叶片阻抗谱测定装置的绝缘管的结构示意图；

图3为利用本发明装置在不同时间点测试植物茎干阻抗谱数据散点图；

附图标记：1、∝形支架；2、绝缘管；3、橡胶棒；4、银丝；5、导电胶。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

实施例

由图1至图2可知，本发明的基于AD5933芯片的植物叶片阻抗谱测定装置，包括：

∝形弹簧丝支架1，所述∝形支架1一端开口，且开口的两端分别呈螺旋状缠绕在橡胶棒3上，所述∝形支架1缠绕在绝缘棒3上的部位表面涂覆油漆，以使该部位绝缘；

两个绝缘橡胶管2，每个所述绝缘橡胶管2的一端套设在所述橡胶棒3的一端所述橡胶棒3内穿设有银丝4，且所述银丝4伸出所述橡胶棒3的两端，所述绝缘橡胶管2内填充有导电胶5，所述绝缘橡胶管为圆柱状；

两个所述橡胶棒3的另一端分别通过端口处的银丝与AD5933芯片芯片电极夹连接。

本发明提供一种用所述的基于AD5933芯片的植物叶片阻抗谱测定装置测定植物叶片的阻抗谱的方法，包括如下步骤：

步骤一：选取生长在不同环境下带有叶片的待测植物的新鲜枝条，并包住枝条基部；

步骤二：清理新鲜枝条上的叶片，并采摘长势较为一致的叶片；

步骤三：将叶片夹在所述测定装置的两个绝缘管2之间，通过arduino软件设置测定电压、频率，测定植物阻抗谱。

通过本申请的实验装置测得了植物茎干阻抗谱数据。实验数据如表1、表2和图3所示。

表1不同时间点测试植物茎干阻抗谱数据

表2不同时间点测试植物茎干阻抗谱数据

由表1和表2可见，通过反复试验、不断取得实验数据，并且对大量的实验数据进行分析和处理，我们发现，针对所得数据中不断产生的毛刺现象，除了剔除极值之外，我们可以通过减少、分散采样点，扩大采样间隔，并且对单一频率反复取样以保证数据整体密集性和完整性的方式锐减毛刺。

上述实施例对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。