專利名稱：一種葉面積指數(shù)快速自動測定裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生態(tài)數(shù)據(jù)測定技術(shù)，特別涉及一種葉面積指數(shù)快速自動測定裝置及方法。
背景技術(shù)：
葉面積指數(shù)LAI (Leaf Area hdex)是指一塊地上作物葉片的總面積與占地面積的比值，是生態(tài)系統(tǒng)的一個重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，用來反映植物葉面數(shù)量、冠層結(jié)構(gòu)變化、植物群落生命活力及其環(huán)境效應(yīng)。目前，LAI的檢測方法中間接光學(xué)模型的測量方法主要研究空隙率，即冠層內(nèi)太陽輻射未被截取的概率，進而出現(xiàn)一系列基于空隙分析的冠層LAI分析儀器。然而，由于葉子大量重疊，在葉面積指數(shù)達5 6倍的時候，單位土地面積上的葉片總面積較大導(dǎo)致空隙很小，利用普通冠層分析儀器檢測不能分析葉片的重疊，測量值比直接測量測得的數(shù)據(jù)要小的多。在公告號為CN 102243069 A的中國專利申請公開了一種能夠準(zhǔn)確測定葉片重疊情況下的葉面積指數(shù)的測定方法和裝置。該發(fā)明利用近紅外光譜技術(shù)尋找檢測分辨葉片重疊數(shù)目的方法，將葉片置于激光器和光電變送器之間，光電變送器將采集到的激光信號轉(zhuǎn)變成電壓信號，電壓信號通過數(shù)據(jù)采集卡傳送到計算機上，通過進行相關(guān)的正交試驗和標(biāo)定試驗而獲取電壓值和重疊葉片層數(shù)的關(guān)系式。該發(fā)明需要使用者手持裝有激光器和光電變送器的U型架對葉子進行逐點測試，測試速度比較慢，同時不能排除人為因素的影響，對測試準(zhǔn)確性有一定影響，而且需耗費較多的人力和時間；另外，如果對比較高大的作物進行測試時，操作很不方便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種結(jié)構(gòu)合理，操作方便，能夠快速、自動測定葉子重疊情況下的葉面積指數(shù)的快速自動測定裝置。本發(fā)明的另一個目的在于利用上述裝置實現(xiàn)一種葉子重疊情況下的葉面積指數(shù)快速自動測定方法。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)一種葉面積指數(shù)快速自動測定裝置，包括激光器、光電傳感器、信號處理器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機，激光器與光電傳感器通過激光信號連接；光電傳感器通過電線與信號處理器連接；本裝置還包括行走機構(gòu)、電機驅(qū)動器、電機控制電路板，所述行走機構(gòu)包括五臺步進電機，五臺步進電機通過電機驅(qū)動器與所述電機控制電路板連接；所述電機控制電路板通過數(shù)據(jù)采集卡與計算機連接。優(yōu)選的，所述行走機構(gòu)還包括三根絲桿導(dǎo)軌、齒輪組、U型架，其中三臺步進電機和三根絲桿導(dǎo)軌分別對應(yīng)配合連接組成三維定位機構(gòu)，可使U型架在空間X軸、Y軸、Z軸方向任意移動，其中X軸方向表示前、后方向，Y軸方向表示左、右方向，Z軸方向表示上、下方向；第四臺步進電機和U型架配合連接后安裝在Z軸方向的絲桿導(dǎo)軌上，所述第四臺步進電機控制U型架繞其自身中心軸自由旋轉(zhuǎn)；Z軸方向的絲桿導(dǎo)軌、與Z軸方向的絲桿導(dǎo)軌配合連接的步進電機、U型架、與U型架配合連接的步進電機組成旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，與Z軸方向的絲桿導(dǎo)軌配合連接的步進電機可以控制U型架上升、下降；第五臺步進電機通過齒輪組傳動與Z 軸方向的絲桿導(dǎo)軌連接，控制所述旋轉(zhuǎn)機構(gòu)繞Z軸自由旋轉(zhuǎn)。優(yōu)選的，所述三根絲桿導(dǎo)軌根據(jù)測試需要選擇合適的長度。優(yōu)選的，激光器和光電傳感器安裝在U型架的兩側(cè)，激光器發(fā)射的光與光電傳感器處在同一直線上，兩側(cè)相隔一定的距離。優(yōu)選的，所述U型架兩側(cè)相隔距離范圍為20 Mem。優(yōu)選的，所述電機控制電路板結(jié)合電機驅(qū)動器控制五臺步進電機同時自鎖和同時運行。優(yōu)選的，所述激光器為近紅外激光器。一種葉面積指數(shù)快速自動測定方法，包括以下步驟(1)系統(tǒng)上電和初始化對該裝置中的設(shè)備進行通電，將光斑面積、投影面積、光斑總面積、投影總面積初始化為零；(2)調(diào)整U型架上激光器和光電傳感器的位置，使激光器發(fā)射的光與光電傳感器處于同一直線上；(3)設(shè)置采樣參數(shù)信號類型選定為電壓，采樣頻率為IOkHz ；(4)設(shè)定行走軌跡LabVIEW2010編程設(shè)定行走機構(gòu)上U型架的行走軌跡；(5)設(shè)置步進電機的步數(shù)、正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速通過數(shù)據(jù)采集卡輸出數(shù)字信號來控制步進電機啟動/停止、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)，輸出脈沖信號控制步進電機轉(zhuǎn)速，通過步進電機來控制行走機構(gòu)上U型架的行走軌跡；(6)信號采集根據(jù)行走機構(gòu)上U型架的行走軌跡得到的若干測試點作為擬合測試點進行測試；信號處理器將光電傳感器接受到的激光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，電壓信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集到計算機；經(jīng)若干次測試后，由計算機擬合得到電壓值A(chǔ)和重疊葉片層數(shù)B 之間的關(guān)系函數(shù)；(7)根據(jù)擬合測試得到的電壓值A(chǔ)和重疊葉片層數(shù)B之間的關(guān)系函數(shù)，計算重疊葉片層數(shù)并判斷有沒有葉片；若沒有，計光電傳感器面積為光斑面積，并記錄測試點個數(shù)，光斑總面積=測試點個數(shù)X光斑面積；若有，計光電傳感器面積為投影面積，并記錄相應(yīng)的重疊葉片層數(shù)和測試點個數(shù)， 投影總面積=測試點個數(shù)X投影面積，總?cè)~面積=重疊葉片層數(shù)X投影總面積，測試面積 =投影總面積+光斑總面積，投影率=投影總面積/測試面積，重疊率=投影面積/總?cè)~面積，葉面積指數(shù)=投影率χ重疊率；(8)實時顯示保存并選擇是否停止；若是，則結(jié)束；若否，則返回步驟G)。優(yōu)選的，一種葉面積指數(shù)快速自動測定方法，步驟(6)所述電壓值A(chǔ)和重疊葉片層數(shù)B之間的關(guān)系函數(shù)具體為冪函數(shù)A = 5. 5;3eXp_°_78B。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果(1)本發(fā)明通過數(shù)據(jù)采集卡輸出信號來控制步進電機的啟動/停止、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速，通過五臺步進電機控制行走機構(gòu)上U型架實現(xiàn)上升、下降，前移、后移，左移、右移，繞Z軸方向順時鐘、逆時針旋轉(zhuǎn)，繞其自身中心軸順時鐘、逆時針旋轉(zhuǎn)十個動作的運行，多種動作模式的組合可使U型架上的光電傳感器能夠快速準(zhǔn)確定位和多方位自動測試。( 本發(fā)明通過選擇使用不同長短的絲桿導(dǎo)軌實現(xiàn)對不同高度的作物L(fēng)AI測試，可較好地滿足不同情況的測試要求，適用性良好。( 本發(fā)明可控制五臺步進電機同時運轉(zhuǎn)，使U型架自動實現(xiàn)復(fù)雜的行走軌跡，與現(xiàn)有的人工測試模式相比，進一步提高了作物的LAI自動測試的速度和準(zhǔn)確性，節(jié)省了較多的人力和測試時間，測試效率明顯提高。


圖1為本發(fā)明裝置的組成框圖。圖2為本發(fā)明裝置的組成示意圖。圖3為本發(fā)明裝置中信號處理器的電路原理圖。圖4為本發(fā)明裝置中電機控制電路板的電路原理圖。圖5為本發(fā)明方法的操作流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。實施例如圖1所示，本發(fā)明的葉面積指數(shù)快速自動測定裝置包括激光器1、光電傳感器2、 行走機構(gòu)4、電機驅(qū)動器5、電機控制電路板6、信號處理器7、數(shù)據(jù)采集卡8和計算機9，其中行走機構(gòu)4包括U型架3、齒輪組17、三根絲桿導(dǎo)軌14、15、16、五臺步進電機10、11、12、13、 18 ；所用的激光器1為近紅外激光器，激光器1和光電傳感器2安裝在U型架的兩側(cè)，激光器 1與光電傳感器2通過激光信號連接，激光器1發(fā)射的光與光電傳感器2處在同一直線上， 由于發(fā)射光源不能嚴(yán)格以光束發(fā)射，隨著距離增大，光束發(fā)散現(xiàn)象越明顯，故U型架兩側(cè)的距離選定范圍為20 Mcm ；行走機構(gòu)4上的五臺步進電機通過電機驅(qū)動器5與電機控制電路板6連接；電機控制電路板6通過數(shù)據(jù)采集卡8與計算機9連接；光電傳感器2通過電線與信號處理器7連接；信號處理器7通過數(shù)據(jù)采集卡8與計算機9連接。如圖2所示，行走機構(gòu)4中步進電機的直流輸出為1. 4安培，基本步距角為0. 72 度；三臺步進電機10、11、12和三根絲桿導(dǎo)軌14、15、16分別對應(yīng)配合連接成組成三維定位機構(gòu)，可使U形架3在空間X軸、Y軸、Z軸方向任意移動，其中X軸方向表示前、后方向，Y 軸方向表示左、右方向，Z軸方向表示上、下方向；第四臺步進電機18和U型架3配合連接后安裝在Z軸方向的絲桿導(dǎo)軌16上，所述步進電機18控制U型架繞其自身中心軸自由旋轉(zhuǎn)；Z軸方向的絲桿導(dǎo)軌16、與絲桿導(dǎo)軌16配合連接的步進電機12、U型架3、與U型架3 配合連接的步進電機18組成旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，步進電機12可以控制U型架3上升、下降；第五臺步進電機13通過齒輪組17傳動與Z軸方向的絲桿導(dǎo)軌16連接，可控制上述旋轉(zhuǎn)機構(gòu)繞Z 軸自由旋轉(zhuǎn)；齒輪組17傳動比為1 2，模數(shù)為1，大小齒輪齒數(shù)分別為64、32。如圖3所示，本發(fā)明的葉面積指數(shù)快速自動測定裝置的信號處理器7包括前置信號濾波電路21、一級放大電路22、電源濾波整流電路23、主放大電路M ；前置信號濾波電路21包括運算放大芯片UO (op07)、2個電阻R、電阻R0、電阻Rf和2個電容C ；一級放大電路 22包括運算放大芯片Ul (op07)、可變電阻Rl和可變電阻R2 ；電源濾波整流電路23由結(jié)構(gòu)相同的兩部分組成，每部分由電容Cl與C2并聯(lián)組成，分別與電源的正、負(fù)極連接，用于為信號處理器7提供直流電壓；主放大電路M包括放大芯片U2 (op07)、可變電阻R3和可變電阻R4 ；光電傳感器與運算放大芯片UO的輸入端連接，運算放大芯片UO的輸出端與運算放大芯片Ul的輸入端連接，運算放大芯片Ul的輸出端與運算放大芯片U2的輸入端連接。信號處理器7對信號處理的過程光電傳感器2接收光信號，輸出光電流，前置信號濾波電路21濾波光電流，一級放大電路22將濾波后的光電流轉(zhuǎn)變?yōu)樾⌒盘栯妷?，主放大電路M將小信號電壓轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)采集卡8所需的信號電壓。近紅外激光器的輸出光的中心波長為980nm，輸出功率為150mw ；光電傳感器的接受中心波長為980nm ；計算機上裝有虛擬儀器LabVIEW2010軟件及SPSS統(tǒng)計分析軟件。如圖4所示，本發(fā)明的葉面積指數(shù)快速自動測定裝置的電機控制電路板6結(jié)合電機驅(qū)動器5實現(xiàn)對五臺步進電機10、11、12、13、18的同時自鎖和同時運行，電機控制電路板 6的具體電路包括選擇電機電路31、控制電機正反轉(zhuǎn)電路32、脈沖選擇輸出電路33。如圖5所示，本發(fā)明的葉面積指數(shù)測定方法包括以下具體內(nèi)容本實施例的測試對象為柑橘樹，(1)系統(tǒng)上電和初始化對該裝置中的設(shè)備進行通電，將光斑面積、投影面積、光斑總面積、投影總面積初始化為零；( 調(diào)整U型架上近紅外激光器和光電傳感器2的位置，使近紅外激光器發(fā)射的光與光電傳感器2處于同一直線上；(3)設(shè)置采樣參數(shù)信號類型選定為電壓，采樣頻率為IOkHz ；(4)設(shè)定行走機構(gòu)的行走軌跡LabVIEW2010編程設(shè)定行走機構(gòu)4上U型架3的行走軌跡；(5)設(shè)置步進電機10、11、12、13、18的步數(shù)、正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速通過數(shù)據(jù)采集卡輸出數(shù)字信號來控制五臺步進電機10、11、12、13、18啟動/停止、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)，輸出脈沖信號控制五臺步進電機10、11、12、13、18的轉(zhuǎn)速，步進電機12將行走機構(gòu)4上的U型架3固定在 Z軸方向的一個測試位置上，由步進電機10控制U型架3在X軸方向以固定頻率向前行走 10步并測試，由步進電機11控制U型架3在Y軸方向以固定頻率行走1步并測試，此后U 型架3在X軸方向以固定頻率向后行走10步并測試，如此循環(huán)，在X軸方向行走100步后， 柑橘樹在一個方向的測試完畢；(6)信號采集根據(jù)上述行走機構(gòu)4上U型架3的行走軌跡得到的若干測試點作為擬合測試點進行測試；信號處理器7將光電傳感器2接受到的激光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號， 電壓信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集到計算機；經(jīng)若干次測試后，由計算機上SPSS統(tǒng)計分析軟件擬合得到電壓值A(chǔ)和重疊葉片層數(shù)B之間的關(guān)系A(chǔ) = 5. 53exp-°-78B ；(7)根據(jù)擬合測試得到的電壓值A(chǔ)和重疊葉片層數(shù)B之間的關(guān)系函數(shù)，計算重疊葉片層數(shù)并判斷有沒有葉片；若沒有，計光電傳感器面積為光斑面積，并記錄測試點個數(shù)，光斑總面積=測試點個數(shù)χ光斑面積；若有，計光電傳感器面積為投影面積，并記錄相應(yīng)的重疊葉片層數(shù)和測試點個數(shù)，投影總面積=測試點個數(shù)X投影面積，總?cè)~面積=重疊葉片層數(shù)X投影總面積，測試面積 =投影總面積+光斑總面積，投影率=投影總面積/測試面積，重疊率=投影面積/總?cè)~面積，葉面積指數(shù)=投影率χ重疊率；(8)實時顯示保存并選擇是否停止；若是，則結(jié)束；若否，則返回步驟0)。上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，如激光器除近紅外激光器外可用紫外激光器或其他激光器，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種葉面積指數(shù)快速自動測定裝置，包括激光器(1)、光電傳感器O)、信號處理器 (7)、數(shù)據(jù)采集卡(8)和計算機(9)，激光器(1)與光電傳感器( 通過激光信號連接；光電傳感器( 通過電線與信號處理器(7)連接，其特征在于還包括行走機構(gòu)G)、電機驅(qū)動器(5)、電機控制電路板(6)，所述的行走機構(gòu)包括五臺步進電機(10、11、12、13、18)，五臺步進電機(10、11、12、13、18)通過所述電機驅(qū)動器(5)與所述電機控制電路板(6)連接；所述電機控制電路板(6)通過數(shù)據(jù)采集卡⑶與計算機(9)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種葉面積指數(shù)快速自動測定裝置，其特征在于所述行走機構(gòu)⑷還包括三根絲桿導(dǎo)軌(14、15、16)、齒輪組(17)、U型架(3)，其中三臺步進電機 (10U1U2)和三根絲桿導(dǎo)軌(14、15、16)分別對應(yīng)配合連接組成三維定位機構(gòu)；所述U型架C3)在空間X軸、Y軸、Z軸方向任意移動，其中X軸方向表示前、后方向，Y軸方向表示左、右方向，Z軸方向表示上、下方向；第四臺步進電機(18)和U型架C3)配合連接后安裝在Z軸方向的絲桿導(dǎo)軌(16)上，所述第四臺步進電機(18)控制U型架C3)繞其自身中心軸自由旋轉(zhuǎn)；Z軸方向的絲桿導(dǎo)軌(16)、與Z軸方向的絲桿導(dǎo)軌(16)配合連接的步進電機 (12)、U型架(3)、與U型架(3)配合連接的第四臺步進電機(18)組成旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，與Z軸方向的絲桿導(dǎo)軌(16)配合連接的步進電機(1 可以控制U型架C3)上升、下降；第五臺步進電機(1 通過齒輪組(17)傳動與Z軸方向的絲桿導(dǎo)軌(16)連接，控制所述旋轉(zhuǎn)機構(gòu)繞Z 軸自由旋轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種葉面積指數(shù)快速自動測定裝置，其特征在于所述三根絲桿導(dǎo)軌(14、15、16)根據(jù)測試需要選擇合適的長度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種葉面積指數(shù)快速自動測定裝置，其特征在于激光器⑴ 和光電傳感器( 安裝在所述U型架C3)兩側(cè)，激光器(1)發(fā)射的光與光電傳感器(2)處在同一直線上，U型架(3)兩側(cè)相隔一定的距離。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種葉面積指數(shù)快速自動測定裝置，其特征在于所述U型架(3)兩側(cè)相隔距離范圍為20 24cm0
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種葉面積指數(shù)快速自動測定裝置，其特征在于所述的電機控制電路板(6)結(jié)合電機驅(qū)動器(5)控制五臺步進電機(10、11、12、13、18)同時自鎖和同時運行。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種葉面積指數(shù)快速自動測定裝置，其特征在于所述激光器(1)為近紅外激光器。
8.一種葉面積指數(shù)快速自動測定方法，其特征在于，包括以下步驟(1)系統(tǒng)上電和初始化對該裝置中的設(shè)備進行通電，將光斑面積、投影面積、光斑總面積、投影總面積初始化為零；(2)調(diào)整U型架(3)上激光器⑴和光電傳感器(2)的位置，使激光器⑴發(fā)射的光與光電傳感器(2)處于同一直線上；(3)設(shè)置采樣參數(shù)信號類型選定為電壓，采樣頻率為IOkHz；(4)設(shè)定行走機構(gòu)⑷上U型架(3)的行走軌跡LabVIEW2010編程設(shè)定行走機構(gòu)(4) 上U型架(3)的行走軌跡；(5)設(shè)置步進電機(10、11、12、13、18)的步數(shù)、正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速通過數(shù)據(jù)采集卡(8)輸出數(shù)字信號來控制步進電機(10、11、12、13、18)啟動/停止、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)，輸出脈沖信號控制步進電機(10、11、12、13、18)轉(zhuǎn)速，通過步進電機(10、11、12、13、18)來控制行走機構(gòu)(4) 上U型架(3)的行走軌跡；(6)信號采集根據(jù)行走機構(gòu)⑷上U型架(3)的行走軌跡得到的若干測試點作為擬合測試點進行測試；信號處理器(7)將光電傳感器( 接受到的激光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號， 電壓信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡(8)采集到計算機(9)；經(jīng)若干次測試后，由計算機(9)擬合得到電壓值A(chǔ)和重疊葉片層數(shù)B之間的關(guān)系函數(shù)；(7)根據(jù)擬合測試得到的電壓值A(chǔ)和重疊葉片層數(shù)B之間的關(guān)系函數(shù)，計算重疊葉片層數(shù)并判斷有沒有葉片；若沒有，計光電傳感器( 面積為光斑面積，并記錄測試點個數(shù)，光斑總面積=測試點個數(shù)X光斑面積；若有，計光電傳感器( 面積為投影面積，并記錄相應(yīng)的重疊葉片層數(shù)和測試點個數(shù)， 投影總面積=測試點個數(shù)X投影面積，總?cè)~面積=重疊葉片層數(shù)X投影總面積，測試面積 =投影總面積+光斑總面積，投影率=投影總面積/測試面積，重疊率=投影面積/總?cè)~面積，葉面積指數(shù)=投影率X重疊率；(8)實時顯示保存并選擇是否停止；若是，則結(jié)束；若否，則返回步驟G)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種葉面積指數(shù)快速自動測定方法，其特征在于步驟(6) 所述電壓值A(chǔ)和重疊葉片層數(shù)B之間的關(guān)系函數(shù)具體為冪函數(shù)A = 5. 53eXp-°_78B。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種葉面積指數(shù)快速自動測定裝置，該裝置包括激光器、光電傳感器、信號處理器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機，還包括行走機構(gòu)、電機驅(qū)動器、電機控制電路板。本發(fā)明使用虛擬儀器LabVIEW2010編程設(shè)計行走機構(gòu)上U型架的行走軌跡，通過數(shù)據(jù)采集卡輸出信號來控制步進電機的工作，由步進電機控制行走機構(gòu)上U型架行走軌跡，實現(xiàn)對測試點快速定位和多方位自動測試，本發(fā)明還提供了一種葉面積指數(shù)的快速自動測定方法，通過對測試點的擬合試驗獲取電壓值和重疊葉片層數(shù)的關(guān)系式。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用步進電機對該裝置進行了自動化控制，大大提高了測試效率，節(jié)約了較多人力和測試時間。
文檔編號G01B11/28GK102564357SQ201210004979
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月6日
發(fā)明者吳偉斌, 張立俊, 徐振華, 施劍鑄, 李岳鋮, 洪添勝, 王海建, 鄭喜和, 霍慶, 黃偉鋒 申請人:華南農(nóng)業(yè)大學(xué)