植物叶片厚度精密测量仪的研究

　　1　引　　言

　　近代植物水分生理学表明,植物体内的水分状况可以通过叶片等器官的尺寸变化反映出来。但是这种变化通常是微米量级的,肉眼观测不到,只有采用微米级的测量手段才能观测到植物水分的变化情况。根据这一原理,可以应用工业领域精密测量方法制成高精度植物水分传感器,并以此为核心环节构成新型智能灌溉系统,这是一种新概念的构思巧妙的灌溉系统[1],可以避开传统灌溉系统的3个弱点(控制参数与控制对象不一致;探头易受土壤中盐份影响使测量滞后;不能准确把握植物需水时间和需水量,造成灌溉水的浪费),节水率逼近极限值,极具开发前景。

　　2　叶片厚度测量原理

　　2.1　技术参数要求

　　测量范围一般小于0.5mm,测量不确定度小于2μm,测量分辨力优于0.5μm,测量方式为接触式测量(对测量对象和测量环境而言,非接触式测量还难以达到这样的分辨力),要对测量力进行优化(该方面工作已完成,见参考文献[2 3])。还要求具有体积小、重量轻、抗环境干扰能力强的特点。

　　2.2　转换原理

　　经过方案比较,有2种能满足设计要求的转换原理可供选择,即电阻应变式和差动电感式。

　　2.2.1　电阻应变式

　　为了实现测量方案,研制了如图1所示的电阻应变式叶片厚度传感器[4],该传感器采用0.1mm不锈钢弹簧片作为敏感元件,由与簧片连接的应变片感受簧片的弯曲变化。

　　当测头间夹入被测厚度h时,柔性测头转过Q角,当测头为半球时,可根据材料力学求出转角及挠度值:

　　可见转角与被测厚度之间具有线性关系,这是该传感器最显著的优点。

　　Q角的变化转换为应变片的电阻值的变化,电阻值的变化可通过桥路变换成电压信号的输出。

　　2.2.2　差动电感式

　　差动电感式传感器属于常规传感器[5],其精度可达亚微米量级。选用中原量仪厂的DGC 6PG/A型差动电感式传感器,并配以固定测头和微调器,改装成叶片厚度测量传感器[6],该传感器示意图如图2所示。

　　线圈为螺管型结构,当磁芯移动Δt时,差动电感增量为:

　　圈的电感;t0为平衡位置磁芯坐标值。

　　当位移较小时,一般忽略高次项的影响,按照线性特性处理。但是这样会带来一定的非线性的原理误差。

　　3　转换电路

　　3.1　应变式转换电路

　　该传感器转换电路如图3所示。为减小体积,采用了单芯片转换放大电路。

　　3.2　差动电感式转换电路

　　为减小转换电路的尺寸体积和功耗,采用单片式集成电路作为转换电路,这样可避免传统调幅式转换电路的调制、相敏检波、功放、滤波等电路环节,结构大为紧凑。经过对通用芯片进行筛选实验及比较,选出一种完全符合设计要求的单块集成芯片,该电路原理图如图4所示。