專利名稱：一種葉面積指數快速自動測定裝置及方法
技術領域：
本發明涉及生態數據測定技術，特別涉及一種葉面積指數快速自動測定裝置及方法。
背景技術：
葉面積指數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，是生態系統的一個重要結構參數，用來反映植物葉面數量、冠層結構變化、植物群落生命活力及其環境效應。目前，LAI的檢測方法中間接光學模型的測量方法主要研究空隙率，即冠層內太陽輻射未被截取的概率，進而出現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，在葉面積指數達5 6倍的時候，單位土地面積上的葉片總面積較大導致空隙很小，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據要小的多。在公告號為CN 102243069 A的中國專利申請公開了一種能夠準確測定葉片重疊情況下的葉面積指數的測定方法和裝置。該發明利用近紅外光譜技術尋找檢測分辨葉片重疊數目的方法，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變成電壓信號，電壓信號通過數據采集卡傳送到計算機上，通過進行相關的正交試驗和標定試驗而獲取電壓值和重疊葉片層數的關系式。該發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。

發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種結構合理，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的快速自動測定裝置。本發明的另一個目的在于利用上述裝置實現一種葉子重疊情況下的葉面積指數快速自動測定方法。本發明的目的通過下述技術方案實現一種葉面積指數快速自動測定裝置，包括激光器、光電傳感器、信號處理器、數據采集卡和計算機，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、電機驅動器、電機控制電路板，所述行走機構包括五臺步進電機，五臺步進電機通過電機驅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據采集卡與計算機連接。優選的，所述行走機構還包括三根絲桿導軌、齒輪組、U型架，其中三臺步進電機和三根絲桿導軌分別對應配合連接組成三維定位機構，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；Z軸方向的絲桿導軌、與Z軸方向的絲桿導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機構，與Z軸方向的絲桿導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 軸方向的絲桿導軌連接，控制所述旋轉機構繞Z軸自由旋轉。優選的，所述三根絲桿導軌根據測試需要選擇合適的長度。優選的，激光器和光電傳感器安裝在U型架的兩側，激光器發射的光與光電傳感器處在同一直線上，兩側相隔一定的距離。優選的，所述U型架兩側相隔距離范圍為20 Mem。優選的，所述電機控制電路板結合電機驅動器控制五臺步進電機同時自鎖和同時運行。優選的，所述激光器為近紅外激光器。一種葉面積指數快速自動測定方法，包括以下步驟(1)系統上電和初始化對該裝置中的設備進行通電，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)調整U型架上激光器和光電傳感器的位置，使激光器發射的光與光電傳感器處于同一直線上；(3)設置采樣參數信號類型選定為電壓，采樣頻率為IOkHz ；(4)設定行走軌跡LabVIEW2010編程設定行走機構上U型架的行走軌跡；(5)設置步進電機的步數、正反轉及轉速通過數據采集卡輸出數字信號來控制步進電機啟動/停止、正轉/反轉，輸出脈沖信號控制步進電機轉速，通過步進電機來控制行走機構上U型架的行走軌跡；(6)信號采集根據行走機構上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換為電壓信號，電壓信號經數據采集卡采集到計算機；經若干次測試后，由計算機擬合得到電壓值A和重疊葉片層數B 之間的關系函數；(7)根據擬合測試得到的電壓值A和重疊葉片層數B之間的關系函數，計算重疊葉片層數并判斷有沒有葉片；若沒有，計光電傳感器面積為光斑面積，并記錄測試點個數，光斑總面積=測試點個數X光斑面積；若有，計光電傳感器面積為投影面積，并記錄相應的重疊葉片層數和測試點個數， 投影總面積=測試點個數X投影面積，總葉面積=重疊葉片層數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/總葉面積，葉面積指數=投影率χ重疊率；(8)實時顯示保存并選擇是否停止；若是，則結束；若否，則返回步驟G)。優選的，一種葉面積指數快速自動測定方法，步驟(6)所述電壓值A和重疊葉片層數B之間的關系函數具體為冪函數A = 5. 5;3eXp_°_78B。本發明相對于現有技術具有如下的優點及效果(1)本發明通過數據采集卡輸出信號來控制步進電機的啟動/停止、正轉/反轉及轉速，通過五臺步進電機控制行走機構上U型架實現上升、下降，前移、后移，左移、右移，繞Z軸方向順時鐘、逆時針旋轉，繞其自身中心軸順時鐘、逆時針旋轉十個動作的運行，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確定位和多方位自動測試。( 本發明通過選擇使用不同長短的絲桿導軌實現對不同高度的作物LAI測試，可較好地滿足不同情況的測試要求，適用性良好。( 本發明可控制五臺步進電機同時運轉，使U型架自動實現復雜的行走軌跡，與現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確性，節省了較多的人力和測試時間，測試效率明顯提高。


圖1為本發明裝置的組成框圖。圖2為本發明裝置的組成示意圖。圖3為本發明裝置中信號處理器的電路原理圖。圖4為本發明裝置中電機控制電路板的電路原理圖。圖5為本發明方法的操作流程圖。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。實施例如圖1所示，本發明的葉面積指數快速自動測定裝置包括激光器1、光電傳感器2、 行走機構4、電機驅動器5、電機控制電路板6、信號處理器7、數據采集卡8和計算機9，其中行走機構4包括U型架3、齒輪組17、三根絲桿導軌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，激光器 1與光電傳感器2通過激光信號連接，激光器1發射的光與光電傳感器2處在同一直線上， 由于發射光源不能嚴格以光束發射，隨著距離增大，光束發散現象越明顯，故U型架兩側的距離選定范圍為20 Mcm ；行走機構4上的五臺步進電機通過電機驅動器5與電機控制電路板6連接；電機控制電路板6通過數據采集卡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通過數據采集卡8與計算機9連接。如圖2所示，行走機構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和三根絲桿導軌14、15、16分別對應配合連接成組成三維定位機構，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；Z軸方向的絲桿導軌16、與絲桿導軌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組成旋轉機構，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軸方向的絲桿導軌16連接，可控制上述旋轉機構繞Z 軸自由旋轉；齒輪組17傳動比為1 2，模數為1，大小齒輪齒數分別為64、32。如圖3所示，本發明的葉面積指數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由結構相同的兩部分組成，每部分由電容Cl與C2并聯組成，分別與電源的正、負極連接，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變為小信號電壓，主放大電路M將小信號電壓轉變為數據采集卡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統計分析軟件。如圖4所示，本發明的葉面積指數快速自動測定裝置的電機控制電路板6結合電機驅動器5實現對五臺步進電機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、控制電機正反轉電路32、脈沖選擇輸出電路33。如圖5所示，本發明的葉面積指數測定方法包括以下具體內容本實施例的測試對象為柑橘樹，(1)系統上電和初始化對該裝置中的設備進行通電，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，使近紅外激光器發射的光與光電傳感器2處于同一直線上；(3)設置采樣參數信號類型選定為電壓，采樣頻率為IOkHz ；(4)設定行走機構的行走軌跡LabVIEW2010編程設定行走機構4上U型架3的行走軌跡；(5)設置步進電機10、11、12、13、18的步數、正反轉及轉速通過數據采集卡輸出數字信號來控制五臺步進電機10、11、12、13、18啟動/停止、正轉/反轉，輸出脈沖信號控制五臺步進電機10、11、12、13、18的轉速，步進電機12將行走機構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，在X軸方向行走100步后， 柑橘樹在一個方向的測試完畢；(6)信號采集根據上述行走機構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換為電壓信號， 電壓信號經數據采集卡采集到計算機；經若干次測試后，由計算機上SPSS統計分析軟件擬合得到電壓值A和重疊葉片層數B之間的關系A = 5. 53exp-°-78B ；(7)根據擬合測試得到的電壓值A和重疊葉片層數B之間的關系函數，計算重疊葉片層數并判斷有沒有葉片；若沒有，計光電傳感器面積為光斑面積，并記錄測試點個數，光斑總面積=測試點個數χ光斑面積；若有，計光電傳感器面積為投影面積，并記錄相應的重疊葉片層數和測試點個數，投影總面積=測試點個數X投影面積，總葉面積=重疊葉片層數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/總葉面積，葉面積指數=投影率χ重疊率；(8)實時顯示保存并選擇是否停止；若是，則結束；若否，則返回步驟0)。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發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明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種葉面積指數快速自動測定裝置，包括激光器(1)、光電傳感器O)、信號處理器 (7)、數據采集卡(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G)、電機驅動器(5)、電機控制電路板(6)，所述的行走機構包括五臺步進電機(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)通過數據采集卡⑶與計算機(9)連接。
2.根據權利要求1所述的一種葉面積指數快速自動測定裝置，其特征在于所述行走機構⑷還包括三根絲桿導軌(14、15、16)、齒輪組(17)、U型架(3)，其中三臺步進電機 (10U1U2)和三根絲桿導軌(14、15、16)分別對應配合連接組成三維定位機構；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；Z軸方向的絲桿導軌(16)、與Z軸方向的絲桿導軌(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)組成旋轉機構，與Z軸方向的絲桿導軌(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軸方向的絲桿導軌(16)連接，控制所述旋轉機構繞Z 軸自由旋轉。
3.根據權利要求2所述的一種葉面積指數快速自動測定裝置，其特征在于所述三根絲桿導軌(14、15、16)根據測試需要選擇合適的長度。
4.根據權利要求2所述的一種葉面積指數快速自動測定裝置，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，激光器(1)發射的光與光電傳感器(2)處在同一直線上，U型架(3)兩側相隔一定的距離。
5.根據權利要求4所述的一種葉面積指數快速自動測定裝置，其特征在于所述U型架(3)兩側相隔距離范圍為20 24cm0
6.根據權利要求1所述的一種葉面積指數快速自動測定裝置，其特征在于所述的電機控制電路板(6)結合電機驅動器(5)控制五臺步進電機(10、11、12、13、18)同時自鎖和同時運行。
7.根據權利要求1所述的一種葉面積指數快速自動測定裝置，其特征在于所述激光器(1)為近紅外激光器。
8.一種葉面積指數快速自動測定方法，其特征在于，包括以下步驟(1)系統上電和初始化對該裝置中的設備進行通電，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發射的光與光電傳感器(2)處于同一直線上；(3)設置采樣參數信號類型選定為電壓，采樣頻率為IOkHz；(4)設定行走機構⑷上U型架(3)的行走軌跡LabVIEW2010編程設定行走機構(4) 上U型架(3)的行走軌跡；(5)設置步進電機(10、11、12、13、18)的步數、正反轉及轉速通過數據采集卡(8)輸出數字信號來控制步進電機(10、11、12、13、18)啟動/停止、正轉/反轉，輸出脈沖信號控制步進電機(10、11、12、13、18)轉速，通過步進電機(10、11、12、13、18)來控制行走機構(4) 上U型架(3)的行走軌跡；(6)信號采集根據行走機構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換為電壓信號， 電壓信號經數據采集卡(8)采集到計算機(9)；經若干次測試后，由計算機(9)擬合得到電壓值A和重疊葉片層數B之間的關系函數；(7)根據擬合測試得到的電壓值A和重疊葉片層數B之間的關系函數，計算重疊葉片層數并判斷有沒有葉片；若沒有，計光電傳感器( 面積為光斑面積，并記錄測試點個數，光斑總面積=測試點個數X光斑面積；若有，計光電傳感器( 面積為投影面積，并記錄相應的重疊葉片層數和測試點個數， 投影總面積=測試點個數X投影面積，總葉面積=重疊葉片層數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/總葉面積，葉面積指數=投影率X重疊率；(8)實時顯示保存并選擇是否停止；若是，則結束；若否，則返回步驟G)。
9.根據權利要求8所述的一種葉面積指數快速自動測定方法，其特征在于步驟(6) 所述電壓值A和重疊葉片層數B之間的關系函數具體為冪函數A = 5. 53eXp-°_78B。
全文摘要
本發明公開了一種葉面積指數快速自動測定裝置，該裝置包括激光器、光電傳感器、信號處理器、數據采集卡和計算機，還包括行走機構、電機驅動器、電機控制電路板。本發明使用虛擬儀器LabVIEW2010編程設計行走機構上U型架的行走軌跡，通過數據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上U型架行走軌跡，實現對測試點快速定位和多方位自動測試，本發明還提供了一種葉面積指數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的關系式。與現有技術相比，本發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 優先權日2012年1月6日
發明者吳偉斌, 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:華南農業大學