一种植物根系夜间提水量测量装置的制作方法

本发明属于土壤水分测量技术领域，具体涉及一种植物根系夜间提水量测量装置。

背景技术：

在我国部分地区，土壤的蓄水能力较差，处于上干下湿的状态，而植物的大部分根系往往分布于上层土壤，如果上层土壤处于较为干燥的状态，会影响到植物的生长发育。

根系提水作用是指在低蒸腾条件下，主要是在夜间，植物根系上下不同部位所处土壤的水势差异，导致处于下部湿润区域的根系吸收水分后输送到干燥区域的上部根系，并通过这部分上部根系将其中一部分水分释放到根际周围的干土中去的水分运动现象，是作物抵御干旱的一种生理机能。

通过测量植物夜间的根系提水量，研究如何提高水分利用效率和作物产量，对该地区提高作物对浅层地下水的利用能力，实现农业可持续发展具有重要意义。

目前，土壤含水率测定的常用手段主要有烘干称重、张力计、时域反射仪、土壤水分传感器等。烘干称重法测土壤含水率较为准确，但需要取土烘干称重等试验室步骤，较为繁琐，且受土壤水分时空分布不均的影响；张力计和时域反射仪等装置成本较高，虽然测量方便但精度不高；土壤水分传感器需要定点测量，受到水分分布的影响，精度也不是很高。

植物夜间根系的提水量往往较少，所以对测量精度的要求较高，因此需要一种精度达到要求且简便低廉的测量装置。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于提供一种植物根系夜间提水量测量装置，采用整体称重方法，通过压力传感器测量夜间的压力变化，来得到植物根系的夜间提水量，并利用齿轮传动将上部土壤的重力转换为对下部土壤的支撑力，放大所测压力的相对变化量，大大提高了测量精度，解决了现有土壤水分测量成本高、步骤复杂、精度不高、定点测量误差较大等缺点。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种植物根系夜间提水量测量装置，包括上方均开口的外壳和内壳，在所述的外壳中部设置第一底板，第一底板将外壳划分为上下区域；在所述的第一底板上设置通孔，在所述的第一底板下方的区域设置内壳，在内壳的底部设置第二底板；在所述的第二底板的下方设置中心支架，内壳通过中心支架固定；在所述的中心支架与第二底板之间设置压力传感器，压力传感器与重量显示器相连。

进一步的，在所述的第二底板的底部的两侧均设置第一传动支架，在外壳的底部的两侧均设置第二传动支架，在对应侧的第一传动支架和第二传动支架之间通过齿轮连接。

进一步的，所述的齿轮均分别通过齿轮支架固定，齿轮支架通过螺丝与地板固连；所述的第一传动支架与第二底板下侧通过螺丝固连；所述的第二传动支架与外壳底部通过螺丝固连；所述的中心支架通过螺丝与地板固连；所述的压力传感器通过导线与重量显示器相连。

进一步的，所述的外壳在第一底板上部为四面矩形结构，在第一底板下部为两面结构，该两面结构分别位于第一传动支架的两侧。

进一步的，所述的外壳厚度为6-8mm，所述的通孔直径为4-6mm，所述的内壳厚度为6-8mm，所述的内壳外侧与外壳内侧的距离为2-3cm；所述的通孔围绕第一底板中心在直径为25cm的圆周范围内均匀分布。

进一步的，在所述的第一传动支架与第二传动支架上均布有齿条，齿条与齿轮啮合，所述的齿轮采用直齿轮，通过轴承与齿轮支架连接。

进一步的，在所述的第一传动支架、中心支架、齿轮支架、第二传动支架在与螺丝的固定处有适用的预留孔位，在所述的第二底板和外壳在与螺丝的固定处有1-1.5cm的凸起。

进一步的，所述的压力传感器采用陶瓷压力传感器；在所述的重量显示器内部设单片机集成电路，单片机集成电路型号为stc12c5a60s2，包括信号放大器，ad转换器，液晶显示屏，通过锂电池供电。

进一步的，所述的外壳、第一底板、内壳和第二底板为pvc材质，第一传动支架、中心支架、齿轮支架、齿轮、第二传动支架采用不锈钢材质，重量显示器采用密封性pvc外壳。

进一步的，在所述的第一底板与外壳所构成上部空间和第二底板与内壳构成下部空间，在上部空间和下部空间分别填充干土，并均匀加入适量的水以达到试验要求的土壤含水率，第一底板上侧的土壤从土壤表层均匀加水，第二底板上侧的土壤通过软管加水；同时，在填充干土和加水试验过程中，齿条不发生位移，即上部空间的总重量小于下部空间的总重量；在第一底板上侧的土壤种植试验植物，植物的生长过程中根系逐渐向下伸展，穿过第一底板上的通孔，进入第二底板上侧的土壤中；则植物在夜间的根系提水量，为：

式(i)中：l为作物根系提水量的质量，g1为重量显示器读取的初始重量，g2为读取的最终重量，g为重力加速度；同时上部空间的总重量通过齿轮和第一传动支架及第二传动支架转换为对第二底板竖直向上的支撑力，放大第二底板下侧压力传感器所测得压力的相对变化量。

有益效果：与现有技术相比，本发明通过将上部空间的重力转换为对下部空间的支撑力，大大缩小了压力传感器的测量范围，达到了放大压力传感器所测得压力的相对变化量的效果，精度显著提高；同时，本装置组装简单，操作要求低，使用方便，降低了测量成本和维护成本，在此基础上可以满足植物根系夜间提水量的测量精度要求。

附图说明

图1是植物根系夜间提水量测量装置结构示意图；

图2是第一底板结构示意图；

图3是传动结构示意图；

图4是传动结构的俯视图；

图5是底部传感器处结构示意图；

图6是植物根系生长示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1-6所示，附图标记为：外壳1、第一底板2、内壳3、第二底板4、第一传动支架5、压力传感器6、中心支架7、地板8、齿轮支架9、齿轮10、第二传动支架11、导线12、重量显示器13、通孔14、螺丝15、第一齿条16、第二齿条17、轴承18、轮齿19。

一种植物根系夜间提水量测量装置，包括外壳1、第一底板2、内壳3、第二底板4、第一传动支架5、压力传感器6、中心支架7、地板8、齿轮支架9、齿轮10、第二传动支架11、导线12、重量显示器13、通孔14；第一底板2固定在外壳1中部，上面有均匀分布的通孔14，内壳3位于外壳1内部，第二底板4固定于内壳3底部，第一传动支架5和第二传动支架11分别位于内壳3底部和第二底板4下侧，通过齿轮10传动连接，中心支架7支撑于第二底板4下侧中心，压力传感器6设置在中心支架7与第二底板4中间，重量显示器13通过导线12与压力传感器6相连。

外壳1厚度为6-8mm，在第一底板2上部为四面矩形结构，在第一底板2下部为两面结构，分别位于对立的两侧传动面；第一底板2上的通孔14直径为4-6mm，围绕第一底板2中心在直径为25cm的圆范围内均匀分布；内壳3厚度为6-8mm，位于外壳1内部，第一底板2下部，内壳3外侧距离外壳内侧2-3cm，第二底板4固定在内壳3底部。

第一传动支架5与第二底板4下侧通过螺丝15固连，第二传动支架11与外壳1底部通过螺丝15固连，第一传动支架5与第二传动支架11上布有齿条，齿条与齿轮10啮合，第一传动支架5与第二传动支架11通过齿轮10传动连接，齿轮10采用直齿轮，通过轴承18与齿轮支架9连接，齿轮支架9通过螺丝15与地板固连。

中心支架7通过螺丝15与地板固连；第一传动支架5、中心支架7、齿轮支架9、第二传动支架11在与螺丝15的固定处有适用的预留孔位，第二底板4和外壳1在与螺丝15的固定处有1-1.5cm的凸起；压力传感器6位于中心支架7上侧与第二底板4下侧之间，采用陶瓷压力传感器6。

重量显示器13通过导线与压力传感器6连接，内部设单片机集成电路，单片机集成电路采用stc12c5a60s2型号，包括信号放大器，ad转换器，液晶显示屏，通过锂电池供电；外壳1、第一底板2、内壳3和第二底板4采用pvc材质，第一传动支架5、第二传动支架11、中心支架7、齿轮10、齿轮支架9采用不锈钢材质，地板采用混凝土。

重量显示器13采用密封性较好的pvc外壳。

工作原理：本发明植物根系夜间提水量测量装置适用于避雨环境如温室大棚中，第一底板2与外壳1所构成上部空间和第二底板4与内壳3构成下部空间，在上部空间和下部空间分别填充干土，并均匀加入适量的水以达到试验要求的土壤含水率，第一底板2上侧的土壤从土壤表层均匀加水，第二底板4上侧的土壤通过软管加水；同时，在填充干土和加水试验过程中，保证齿条不发生位移，即上部空间的总重量要小于下部空间的总重量。

在第一底板2上侧的土壤种植试验植物，植物的生长过程中根系逐渐向下伸展，穿过第一底板2上的通孔14，进入第二底板4上侧的土壤中。在夜间，植物处于第二底板4上侧土壤的下部根系吸收水分后输送到处于第一底板2上侧土壤的上部根系，并通过这部分上部根系将其中一部分水分释放到根系周围的土壤中，通过第二底板4下侧的压力传感器6测量夜间的压力变化，通过单片机集成电路处理转换为重量信号在显示屏上显示，可以计算得到植物在夜间的根系提水量，为：

式(i)中：l为作物根系提水量的质量，g1为读取的初始重量，g2为读取的最终重量，g为重力加速度。

同时上部空间的总重量通过齿轮10和第一传动支架5及第二传动支架11转换为对第二底板4竖直向上的支撑力，放大第二底板4下侧压力传感器6所测得压力的相对变化量；对第二底板4进行受力分析：

g内-4f支＝g测(ii)；

式(ii)中：g内为内壳3、第二底板4与加水后第二底板4上方土壤的总重量，g测为压力传感器6测得的重量，f支为第一传动支架5提供的支撑力。其中，f支按如下公式计算：

式(iii))中：g外为外壳1、第一底板2与第一底板2上方的土壤及植物的总重量。

由此可得：

g测＝g内-g外(iv)；

式(iv)中的符号含义同上。

通过将上部空间的重力转换为对下部空间的支撑力，大大缩小了压力传感器6的测量范围，达到了放大压力传感器6所测得压力的相对变化量的效果，精度显著提高。

本发明组装简单，操作要求低，使用方便，降低了测量成本和维护成本，在此基础上可以满足植物根系夜间提水量的测量精度要求。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对各设施位置进行调整，这些调整也应视为本发明的保护范围。