一种用于植物细小茎秆的微型茎流传感器

1.本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种用于植物细小茎秆的微型茎流传感器。


背景技术：

2.水是植物生命活动的核心要素，当水从土壤进入植物根系后，经过植物茎秆木质部导管到达叶子、花、果实等器官，最终由叶片气孔扩散到大气中，形成一个物理上统一的土壤-植物-大气连续体，其中植物茎流是植物体内水分运输的重要一环，植物茎流是植物在茎秆内由于蒸腾作用、渗透势等作用力下产生的上升液流，是植物水分、养分、信号分子的载体，对其运动状态和时空规律进行探究，能更好地明晰植物水分生理信息，对科学研究和指导农业生产都具有重大意义。
3.目前有不少检测植物茎流的方法，这些检测方法主要分为两大类：同位素示踪法和活体成像法。同位素示踪法是给茎秆中的茎流添加h、o同位素作为示踪剂，通过示踪剂的位移来反映茎流速率。活体成像法一般使用医学成像技术，如核磁共振、x光成像等，对植物内部的水分运输情况进行活体检测。上述方法，不适合在田间户外使用，只限于在实验室内进行。
4.茎流传感器是目前测量植物茎流最常用的仪器，一般通过热示踪的方法来实现茎流的测量，热示踪的检测方法主要分为三种：热脉冲法、热扩散法和热平衡法。基本原理如下：在茎秆中安装热源探针，并利用其对茎秆进行加热。根据热传导的原理，加热产生的热量将会优先被茎流携带向下游传递。因此，通安装在茎杆中的诺干温度探针，测量因茎流引起的上下游温度差异，来计算茎流速度。
5.然而，现在的茎流传感器无法对茎秆纤细、节间较短的植物的茎流速率进行测量。第一，热脉冲法和热扩散法都是一种侵入式的手段，需要将探针插入植物茎秆中，容易对植物造成损伤，特别是对于茎秆纤细的植物，侵入式的方法会造成植株死亡。第二，常规非侵入式或包裹式茎流传感器，温度传感器、加热器物理尺寸大，且一般呈直线式排布，导致传感器整体尺寸过大，无法安装在节间较短的细小植物茎秆上。虽然，可通过减小温度传感器、加热器之间的距离缩减传感器整体尺寸，但温度传感器、加热器两者过于靠近，易产生干扰。


技术实现要素：

6.本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种用于植物细小茎秆的微型茎流传感器，能够自适应贴附在不同直径待测植物茎秆表面，对茎秆纤细、节间较短的植物的茎流速率进行无损连续测量。
7.本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：本发明提出的一种用于植物细小茎秆的微型茎流传感器，至少包括柔性测量部和控制部；所述柔性测量部至少包括柔性基材、设置于柔性基材上的加热模块和测温模块，所述柔性基材用于将所述加热模块和测温模块贴附在待测茎秆表面；所述控制部至少包括控
制通信模块和若干导线，所述控制通信模块通过若干导线与加热模块和测温模块连接；进一步的，所述柔性测量部贴附在待测茎秆表面时，所述加热模块和测温模块设置于茎秆轴截面的两侧，其中，所述轴截面与茎秆表面加热位置中心点所在的切平面平行。
8.为了减少加热模块直接对测温模块温度测量产生影响，加热模块和测温模块之间要设置相对距离。
9.进一步的，所述测温模块至少包括沿茎秆中茎流方向前后设置的两个温度传感器，所述加热模块至少包括一个设置在温度传感器之间的加热元件。
10.进一步的，所述柔性基材设置为y形结构，所述加热模块设置在y形结构的第一分支，所述测温模块设置在y形结构的第二分支。
11.加热模块和测温模块分别位于不同分支上，能够减少加热模块对测温模块温度测量的直接影响，提高茎流速率测量精准度。
12.进一步的，所述柔性基材设有插接头，用于连接所述控制通信模块。
13.插接头和控制通信模块活动或者固定连接。
14.进一步的，所述导线通过激光刻蚀金属薄膜的方式制备并设置于柔性基材上。
15.进一步的，所述控制通信模块用于控制所述加热模块工作状态，并采集测温模块检测的温度数据，用于计算茎流速率。
16.进一步的，还包括固定装置，所述固定装置用于将微型茎流传感器贴附至待测植物茎秆表面，从而使加热模块与测温模块分别位于茎秆轴截面的两侧，其中，所述轴截面与茎秆表面加热位置中心点所在的切平面平行。
17.通过固定装置，将微型茎流传感器穿戴于植物茎秆表面，可靠固定传感器位置。
18.进一步的，所述固定装置包括相对设置的第一固定部和第二固定部、连接件；所述第一/二固定部包括可变形软薄片和分别与可变形软薄片的外表面两端固定连接的固定件，所述可变形软薄片的内表面与微型茎流传感器的柔性基材贴合；所述连接件用于将第一固定部和第二固定部的一端活动连接作为活动端，另一端固定连接作为固定端，微型茎流传感器通过活动端安装至待测植物表面。
19.进一步的，所述连接件包括若干橡胶圈和若干卡扣条；所述固定件表面设有卡槽，所述橡胶圈对应卡装至第一固定部和第二固定部中的固定件卡槽中；所述卡扣条卡入固定端对应的固定件卡槽中。
20.进一步的，所述固定装置包括外壳、设置于外壳内部的两个夹块和两端的按压结构件，设置于夹块和外壳内壁之间的若干弹性件，以及，设置于外壳两端连接按压结构件的按钮；所述外壳相对的两个侧面对应设有狭缝；所述夹块与对应按压结构件活动连接；按压按钮带动按压结构件使得夹块分离形成夹缝，并对弹性件施加压力，微型茎流传感器的柔性基材穿过狭缝和夹缝，松开按钮后，弹性件的反弹力使得夹块夹紧固定柔性基材。
21.进一步的，所述外壳上下两侧面均设有第一狭缝，前后两侧面均设有第二狭缝，每个夹块均设有与第一狭缝位置对应的中通狭缝；所述柔性基材上设有刻度尺，通过所述第一狭缝和中通狭缝能观察刻度尺的刻度；所述柔性基材穿过夹缝和第二狭缝，并通过第一狭缝和中通狭缝观察刻度调整夹住的位置，从而实现对加热模块和测温模块位置的调整。
22.本发明的有益效果是：1、本发明提供的微型茎流传感器，采用柔性材料能够自适应的贴附至在植物茎秆
表面；2、本发明通过将测温模块、加热模块设置于茎秆两侧（非线性排布），避免加热模块对测温模块的直接干扰，在提高测量精准度的同时又减小了传感器整体尺寸。
23.3、采用微小尺寸的测温模块和加热模块并且采用非侵入式的测量方法，能够对茎秆纤细、节间极短的植物的茎流速率进行无损连续测量。
24.4、通过尺寸小，重量轻的固定装置，将茎流传感器穿戴于植物茎秆表面，固定传感器位置，使得测量更加精准。
附图说明
25.图1为根据第一实施例示出的微型茎流传感器的前视图；图2为根据第一实施例示出的微型茎流传感器的后视图；图3为根据第一实施例示出的微型茎流传感器各组成部分的分解结构示意图；图4为根据第一实施例示出加热模块与测温模块相位位置关系示意图；图5为根据第一实施例示出第一种柔性基材结构示意图；图6为根据第一实施例示出第二种柔性基材结构示意图；图7为根据第一实施例示出第三种柔性基材结构示意图；图8为根据第一实施例示出的微型茎流传感器的柔性基材与通信模块相连的结构示意图；图9为根据第一实施例示出的微型茎流传感器安装在待测植物茎秆表面时加热模块和测温模块在茎秆表面的相对位置示意图；图10为根据第一实施例示出的微型茎流传感器通过空心泡沫管安装在待测植物茎秆表面示意图；图11为第二实施例示出的第一种固定装置结构示意图；图12为第二实施例示出的固定件与可变形软薄片的安装结构示意图；图13为第二实施例示出的第一种固定装置将微型茎流传感器安装在不同直径植物茎秆表面的结构示意图；图14为根据第三实施例示出的第二种固定装置的结构示意图；图15为第三实施例中第二种固定装置在两侧按钮受到按压时的结构示意图；图16为第三实施例中通过固定装置将微型茎流传感器安装在植物茎秆表面的结构示意图；图17为第四实施例中利用本发明的装置连续监测活体西瓜植株一周内茎流速率变化曲线图；图中，1-微型茎流传感器；11-柔性基材；110-柔性电路板连接器；111-柔性基材的第一分支；112-柔性基材的第二分支；113-固定部；114-通孔；12-导线；13-加热模块；131-加热位置中心点；14-测温模块；15-温度传感器；16-孔洞；17-排线；18-导电物质；19-控制通信模块；2-第一种固定装置；21-圆柱体；22-橡胶圈；23-卡扣条；24-可变形软薄片；25-卡槽；3-第二种固定装置；31-外壳；32-第一狭缝；33-第二狭缝；34-按钮；35-弹簧；36-中通狭缝；37-梯形夹块；38-按压结构件；4-植物茎秆；41-茎秆表面加热位置中心点所在切平面；42-轴截面；5-茎流方向；6-空心泡沫管；7-胶带；8-粘接。
具体实施方式
26.为了便于本领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，在下述描述中，参考附图描述了本技术的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本技术的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制的，这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本技术。
27.虽然在一些实施例中术语第一、第二等在本文中用来描述各组成部分或元件，但是这些组成部分或元件不应当被这些术语限制，这些术语仅用来将一个组成部分或元件与另一个进行区分。
28.实施例1如图1-图3所示，本实施例所述的用于植物细小茎秆的微型茎流传感器的结构示意图，包括柔性测量部和控制部，其中，柔性测量部包括柔性基材11，设置于柔性基材上的加热模块13和测温模块14，加热模块13和测温模块14通过柔性基材11贴附在待测茎秆表面，控制部包括控制通信模块19和若干设置于柔性基材11上的若干导线12。
29.柔性基材将所述加热模块和测温模块贴附在待测茎秆表面时，如图4所示，加热模块13和测温模块14设置于轴截面42的两侧，其中，所述轴截面42与茎秆表面加热位置中心点所在的切平面41平行。
30.在本发明的一个实施例中，测温模块至少包括两个温度传感器，加热模块和测温模块通过柔性基材贴附在待测茎秆表面时，温度传感器沿植物茎秆的茎流方向前后设置，加热模块位于温度传感器之间。
31.柔性基材包括若干分支，所述加热模块与测温模块分别设置于不同分支上。
32.如图3所示，柔性基材包括两个分支，加热模块13设置在柔性基材的第一分支111，测温模块14设置在柔性基材的第二分支112。控制通信模块19发送加热控制命令至加热模块13，加热模块13加热产生的热量随茎流方向传递，控制通信模块19采集测温模块14检测的温度求温差，根据温差计算茎流速度，其中，所述温差为沿茎秆轴向加热模块上下游因茎流导致的温度差。
33.在本发明的一个实施例中，柔性基材11为y形结构，其中，柔性基材的两个分支分别对应y形结构两分支，与y形尾端的固定部113连接。
34.在一些实施方式中，柔性基材也可以为无分支结构，如图5所示。
35.如图6和图7所示，柔性基材也可以为t形结构，加热模块和测温模块可通过图6或者图7的方式进行设置。除此以外，加热模块和测温模块不限定于图5-图7方式进行排布，图5-图7仅仅是对加热模块、测温模块的位置分布，以及柔性基材的形状进行示意性的说明。
36.加热模块和测温模块可设置在柔性基材的同一分支，或不同分支，也可以设置在同一侧或不同侧，或者是与待测植物茎秆表面点接触或线接触，均可实现对植物茎流的加热和温度采集。
37.在本发明的一个实施例中，柔性基材各分支用柔性材料一体成型制备。柔性基材11所使用的材料为高分子聚合物聚二甲基硅氧烷（pdms），在模具中固化得到。
38.需要说明的是，柔性基材11还可以采用其他材料替代，不仅限于上述材料，上述材料市场占有率高，工艺较成熟，因此本实施例据此进行说明。
39.柔性基材11两侧外表面通过激光刻蚀金属薄膜的方式制备导线12，在柔性基材11的对应加热模块和测温模块的位置上打通孔114，从而将加热模块13和测温模块14嵌入通孔114中安装。
40.在本发明的一个实施例中，通过导电银胶18将加热模块13和测温模块14固定在通孔114中，并与导线12导电连接。
41.需要说明的是，导线12可采用可拉伸导线，可更好的适配不同粗细的植物茎秆，特别是在茎秆较粗的情况下，将微型茎流传感器贴附在茎秆上会导致柔性基材的基底变形，因此采用可拉伸导线，在被拉伸的情况下，也能保证良好的电路连接。
42.在一些实施方式中，导线通过激光激光刻蚀金属薄膜的方式制备。还可以采用其他方式加工，例如光刻法、丝网印刷、化学蚀刻等方式。
43.在一些实施方式中，选择的加热模块13、测温模块14的厚度分别与柔性基材第一分支111、柔性基材第二分支112的厚度一致。加热模块13是微型加热模块，采用ptc热敏电阻，尺寸为长1.6毫米
×
宽0.8毫米
×
高0.7毫米。
44.测温模块14至少包括两个相同的微型，微型温度传感器15的型号为tmp112，尺寸为长1.6毫米
×
宽1.2毫米
×
高0.7毫米。
45.在一些实施方式中，固定部113远离柔性加热模块和测温模块的一端设有通过激光刻蚀金属薄膜方式制备于柔性基材上的排线17。
46.如图3所示，在固定部113上特定位置打有两个孔洞16，通过在孔洞内注入控制导电物质18，如导电银胶，用以将一侧的导线12与另一侧的排线17导电连接。
47.在一些实施方式中，排线17与同一侧的导线12是一体成型连接的，由激光刻蚀导电金属薄膜方式一起制备出来的。
48.如图8所示，在固定端113上与排线17的不同侧贴上补强后，可通过柔性电路板连接器110与控制通信模块19导电连接。
49.在一些实施方式中，固定部113上与排线17的不同侧贴上补强后形成插接头，插接至设置在控制通信模块19的柔性电路板连接器110。实现柔性基材11和控制通信模块19的活动连接或固定连接。
50.如图9所示，将微型茎流传感器1安装至待测植物茎秆上，加热模块13和测温模块14均可以通过柔性基材贴附在待测茎秆的表面，加热模块13和测温模块14设置于茎秆轴截面的两侧，其中，所述轴截面与茎秆表面加热位置中心点所在的切平面平行。且温度传感器沿茎流方向前后设置，加热模块设置在温度传感器之间。
51.在一些实施方式中，加热模块13和测温模块14贴附在待测茎秆的表面与茎秆表面加热中心点所在切平面平行的轴截面两侧，如图9所示，其中，加热模块中心与温度传感器中心沿植物茎秆轴向方向的距离为l。在本发明的实施例中，测温模块14中的两个微型温度传感器15之间的距离l为1厘米，当柔性基材第一分支111和柔性基材第二分支112对齐贴合时，加热模块13到两个微型温度传感器15的距离相等。
52.需要说明的是，将测温模块、加热模块设置于茎秆两侧（非线性排布），并保证合适的距离，距离可以在5mm到2cm之间，避免加热模块对测温模块的直接干扰，在提高测量精准度的同时又减小了传感器整体尺寸。
53.本发明还包括用于固定上述微型茎流传感器1的固定装置。
54.在一些实施方式中，通过空心泡沫管将微型茎流传感器安装在植物茎秆表面，空心泡沫管切开分为两个部分，将柔性基材11贴附在空心泡沫管的内表面，再用两部分空心泡沫管对其包裹在待测植物茎杆表面，并用胶带贴附在两部分空心泡沫管的开口处，如图10所示。此时加热模块13和测温模块14分别位于植物茎秆表面的两侧，加热模块13和测温模块14在植物茎秆4表面的相对位置如图9所示。加热模块13工作时产生的热量会随着茎秆内部茎流流动的方向各向异性传输，通过上下游与加热模块13等距的两个温度传感器15分别测量温度变化，计算温度差值，通过温差来计算植物的茎流速率。
55.固定装置能将所述微型茎流传感器1固定贴附在不同直径的植物茎秆表面，从而使加热模块13与测温模块14分别设置于茎秆轴截面的两侧，其中，所述轴截面与茎秆表面加热位置中心点所在的切平面平行。
56.实施例2在本发明的固定装置的另一个实施例中，包括的第一种固定装置2的结构示意图如图11所示，包括相对设置的第一固定部和第二固定部、连接件。
57.其中，第一/二固定部包括可变形软薄片24和分别与可变形软薄片两端固定连接的固定件21。连接件包括若干卡扣条23和若干橡胶圈22。
58.两个固定件左右设置在可变形软薄片24两端，与可变形软薄片固定连接，形成了一个固定部，两个同样的固定部上下对称设置，形成了第一种固定装置2。
59.可变形软薄片24的内表面与微型茎流传感器1的柔性基材贴合，其中一个可变形软薄片24与柔性基材的第一分支贴合，另一个可变形软薄片24与柔性基材的第二分支贴合。
60.固定件表面设有卡槽25，第一固定部和第二固定部上下两部分通过橡胶圈22卡装至上下两个固定件21的卡槽25中贴合形成两个连接端，其中，一个连接端作为固定端，卡扣条23别卡入柱体的卡槽25中，固定部113从固定端一侧穿出，另一个连接端作为活动端，通过活动端安装至待测植物茎秆上。
61.在一些实施方式中，固定件采用圆柱体，如图12所示，一般先将两个带有楔形卡槽的圆柱体与一个可变形软薄片24通过胶粘或者钉子固定的方式相连接，从而构成第一种固定装置2的上下两部分。
62.在使用时，将柔性基材的第一分支111和柔性基材的第二分支112用双面胶分别粘附在第一固定部和第二固定部的可变形软薄片24的内侧。在粘附时，微型茎流传感器1的柔性基材固定安装的加热模块13与测温模块14分别需贴附在可变形软薄片24的中点线位置，即图11中虚线位置。
63.将柔性基材1与第一种固定装置2粘附后，如图11所示，将待测植物茎秆的先用第一固定装置2的活动端夹住，再将橡胶圈22卡在卡槽25中提供收缩拉力夹紧，再将卡扣条23卡在楔形卡槽25中，防止橡胶圈22滑出脱落，微型茎流传感器1的固定部113通过图11中位于右侧的薄片固定件的上下设置的圆柱体夹紧，再将橡胶圈22卡在卡槽25中提供收缩拉力夹紧。如果将微型茎流传感器1从待测植物茎秆上拆下，先通过拆卸图中活动端一侧的橡胶圈22，从而使活动端的上下两个圆柱体分离，从而将微型茎流传感器1从待测植物茎秆表面拆下。
64.需要说明的是，第一固定装置2与微型茎流传感器连接后，形成一个整体，在下一
次使用可直接将第一固定装置2安装在待测植物茎秆上即可完成传感器的安装。
65.由于可变形软薄片24能够自适应不同直径的茎秆表面完成变形贴附，且两侧的橡胶圈22提供完全相同的拉力，因此利用第一种固定装置2安装微型茎流传感器1，能保证加热模块13与测温模块14的位置别位于待测植物茎秆表面与茎秆表面加热中心点所在切平面平行的轴截面两侧。图13所示为利用第一种固定装置2将微型茎流传感器1安装在不同直径的植物茎秆表面的示意图。
66.在本发明的一些实施方式中，圆柱体21侧边设置的卡槽为楔形，对应的卡扣也为楔形，圆柱体21和卡扣条23均由聚氯乙烯铸模制备得到。
67.本实施例提供的用于植物细小茎秆的微型茎流传感器1的第一种固定装置2，能够将微型茎流传感器1贴附安装在植物茎秆表面，微型茎流传感器1能够对茎秆纤细、节间极短的植物茎流速率进行无损连续测量。第一种固定装置2适用于直径为2毫米~1厘米范围内的植物茎秆，安装后能使得微型茎流传感器1的测温模块14与微型加热模块13的位置分别位于待测植物茎秆轴截面的两侧，其中，所述轴截面与茎秆表面加热位置中心点所在的切平面平行。
68.实施例3在本发明的另一个实施例中，还包括了另一种用于植物细小茎秆的微型茎流传感器的固定装置，第二种固定装置3的结构示意图如图14所示，包括外壳31，设置于外壳31内部的两个梯形夹块37，以及分别设置于梯形夹块37和外壳31内壁之间的弹簧35，外壳31上下两侧面均设有第一狭缝32，前后两侧面均设有第二狭缝33，左右两侧面设有按钮34，每个梯形夹块37均设有对应与第一狭缝位置对应的中通狭缝36，按压结构件38与梯形夹块37活动连接。
69.在一些实施方式中，外壳31内部分布有四个弹簧35，每两个弹簧35分别与两个带有梯形夹块37相连接，按钮34与按压结构件38相连接。按压结构件38采用楔形结构。当长方体外壳31左右两侧面上的按钮34受到压力时，与按钮34相连的按压结构件38受力向内运动，同时将梯形夹块37撑开，中间产生夹缝，此时弹簧35处于压缩状态，如图15所示。松开按钮34，按钮34受到的压力消失后，在弹簧35的反弹力用力下，梯形夹块37恢复原位，即图14所示状态。
70.在一些实施方式中，如图16所示，用到两个第二种固定装置3将微型茎流传感器1固定到待测植物茎秆4标杆表面。在微型茎流传感器1的柔性基材的第一分支111和柔性基材的第二分支112上分别标注刻度。按压第二种固定装置3两侧的按钮34使得梯形夹块37打开产生夹缝，将微型茎流传感器1的柔性基材穿过夹缝，然后松开按钮34，将微型茎流传感器1的固定部113进行固定。然后将标有刻度的茎流传感器贴附在待测植物茎秆表面，按压另一个第二种固定装置3两侧的按钮34使得梯形夹块36打开产生夹缝，将柔性基材的第一分支111和柔性基材的第二分支112从另一个第二种固定装置3上的第二狭缝33中穿入，通过第一狭缝32观察茎流传感器表面的刻度来调整第二种固定装置的位置，最终使得两个固定装置到传感器上加热模块13与测温模块14所处位置的距离相等，此时能保证加热模块13与测温模块14的位置始终分别位于待测植物茎秆轴截面的两侧，其中，所述轴截面平行于加热模块中心点所在的茎秆表面切平面。
71.需要说明的是，本发明中提到的几种固定装置均选用密度比较小的材料，重量仅
几克，长宽高均小于2cm，尺寸微小，重量较轻，可以适用于瓜藤类的细小植物茎秆，例如，西瓜、甜瓜、葡萄等藤蔓植物。
72.利用本发明的微型茎流传感器与固定装置对活体植物的茎流速率进行连续监测。提供连续一周测量的实验数据，证实本发明的有效性。
73.在人工温室中种植西瓜植株，温室内通过定时控制模拟太阳光源的照射灯光强和室内温度来实现昼夜切换，将本发明的茎流传感器通过固定装置安装在待测西瓜茎秆上，西瓜茎秆直径为4毫米，连续测量西瓜植株一周内的茎流速率变化情况，茎流速率变化如图17所示。实验结果表明，本发明能够长期测量活体植物的茎流速率变化。
74.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。