一种测定风传植物种子垂直沉降速度的装置及方法转让专利
申请号 : CN201110163256.0
文献号 : CN102353805B
文献日 : 2012-09-12
发明人 : 陈华才 , 朱周洪 , 朱敏 , 季慧华 , 王守兵
申请人 : 中国计量学院
摘要 :
本发明涉及一种测定风传植物种子垂直沉降速度的装置及方法。其特征在于包括种子垂直沉降光电检测装置和数据处理显示系统，所述的种子垂直沉降光电检测装置包括设置在沉降管顶端的带光电检测系统的种子释放接头、至少1只沉降管、至少1只带光电检测系统的中间接头、1只种子收集瓶和使整个装置保持垂直稳定的支架，所述的带光电检测系统的种子释放接头、带光电检测系统的中间接头分别与沉降管卡接配合，所述的收集瓶位于沉降管的正下方；所述的数据处理显示系统包括微处理器和LCD显示屏，光电检测系统通过数据传输线与数据处理显示系统相连，光电检测系统由恒流电源供电。具有测量精度高、装置简单、经济实用、操作简便等优点。
权利要求 :
1.一种测定风传植物种子垂直沉降速度的装置，其特征在于包括种子垂直沉降光电检测装置和数据处理显示系统，所述的种子垂直沉降光电检测装置包括设置在沉降管顶端的带光电检测系统的种子释放接头、至少1只沉降管、至少1只带光电检测系统的中间接头、
1只种子收集瓶和使整个装置保持垂直稳定的支架，所述的带光电检测系统的种子释放接头、带光电检测系统的中间接头分别与沉降管卡接配合，所述的收集瓶位于沉降管的正下方；所述的数据处理显示系统包括微处理器和 LCD显示屏，光电检测系统通过数据传输线与数据处理显示系统相连，光电检测系统由恒流电源供电。
2.根据权利要求1所述的一种测定风传植物种子垂直沉降速度的装置，其特征在于所述的沉降管为圆形或方形的不锈钢管或铝合金管。
3.根据权利要求1所述的一种测定风传植物种子垂直沉降速度的装置，其特征在于所述的光电检测系统由相向设置的两块PCB板和相向放置的两块狭缝板组成，两块狭缝板设置在两块PCB板的内侧，PCB板上依次间隔设置有至少1块光电池和至少1只LED光源，一块PCB板上的光电池与另一块PCB板上的LED光源对应设置；两块PCB板上的光电池分别通过该侧狭缝板上的狭缝接收从对面狭缝中PCB板上的LED光源发出的光信号，两块PCB板上的LED光源经狭缝形成的光平面与沉降管垂直，光平面宽度等于沉降管内径。
4.根据权利要求3所述的一种测定风传植物种子垂直沉降速度的装置，其特征在于所述的狭缝高度在0.5毫米至1.5毫米之间可调，狭缝的长度等于沉降管内径。
5.根据权利要求1所述的一种测定风传植物种子垂直沉降速度的装置，其特征在于所述的带光电检测系统的种子释放接头下端设置为与沉降管外形匹配的卡口，上端设置为中间开圆孔的漏斗形种子释放口；所述的带光电检测系统的中间接头上下两端均设置为与沉降管外形匹配的卡口。
6.根据权利要求3所述的一种测定风传植物种子垂直沉降速度的装置，其特征在于所述的光电检测系统分别安装在带光电检测系统的种子释放接头上和带光电检测系统的中间接头上。
7.根据权利要求6所述的一种测定风传植物种子垂直沉降速度的装置，其特征在于所述的安装在带光电检测系统的种子释放接头上的光电检测系统的狭缝的位置与带光电检测系统的种子释放接头上端的漏斗形种子释放口下缘平行，安装在带光电检测系统的中间接头上的光电检测系统的狭缝开在带光电检测系统的中间接头的中部，即两根相邻沉降管的交接点处。
8.一种利用权利要求1所述的装置测定风传植物种子垂直沉降速度的方法，其特征在于包括以下步骤：
1）、根据需要测定的垂直沉降高度，选择相应长度的沉降管，连接种子垂直沉降光电检测装置；
2）、用数据传输线将上述种子垂直沉降光电检测装置与数据处理显示系统相连，打开电源开关，为系统上电；
3）、用陶瓷镊子将单颗待测植物种子置于所述带光电检测系统的种子释放接头入口处，轻推种子使其从入口处自然垂直降落；
植物种子垂直经过所述的光电检测系统的光路时，瞬间遮挡稳定照射在光电池上的光平面，引起光电池检测信号变化，微处理系统记录下种子通过起点和不同高度时所产生的光强脉冲信号，经过放大、比较处理，即可得到种子下落到不同高度时所需的时间 ，根据公式 可计算出种子的沉降平均速度，其中： ：为第 点时的平均速度， ：为起点到第 点的高度差，测试前将实际高度差输入微处理系统内存， 为光电检测系统检测到的种子沉降到第 点的时间；
微处理系统计算出种子从不同高度垂直沉降的平均速度，并显示在LCD显示屏上；
4）、将落入种子收集瓶中的种子取回，重复测量或保存备用。
说明书 :
一种测定风传植物种子垂直沉降速度的装置及方法
技术领域
[0001] 本发明属于光电检测技术领域，涉及一种测定风传植物种子垂直沉降速度的装置及方法，尤其涉及一种利用光电传感器同时测量杂草种子垂直沉降到不同高度时的速度的装置和方法。
背景技术
[0002] 随风扩散是植物种子传播的一种常见途径。植物种子随风传播对植物种群基因流动、植物生物地理学、植物群落演替等有重要意义，而种子垂直沉降速度是决定其扩散距离的一个重要因素之一。
[0003] 风传植物种子一般体积小、重量轻，并带有冠毛，在沉降时受外界环境如气流、静电等因素的影响大。因而测量风传植物种子垂直沉降速度要求在无气流干扰的条件下进行，通常需要同时测量不同垂直降落高度的平均速度。目前主要是利用秒表或快速相机记录种子沉降到不同高度的时间，计算出种子的平均沉降速度。中国发明申请专利“使用无线终端对速度进行测定的方法及实现该方法的系统（申请号：200610126530.6；公开号CN1984248）”提出一种用于在相机的预览模式下使用无线终端对运动对象的速度进行测定的系统和方法，此方法提高了精确度，但这种方法却不适用于测量毫米级的杂草种子的沉降速度。中国发明申请专利“确定絮体/污泥颗粒物自由沉降的方法及其系统（申请号：
200810222184.0；公开号CN 101672861A）”提出一种利用装有显微镜头的CCD相机对进行沉降的絮体/污泥颗粒进行连续拍照，通过照片记录所示的絮体/污泥沉降距离与时间，计算出絮体/污泥沉降速度。由于杂草种子沉降测速高度最大值达2米，而此方法的沉降柱仅0.35米，故该方法装置也不适合适用于杂草种子沉降速度的测定。这些方法都具有测量装置复杂、准确性差的缺点。更重要的是，测量风传植物种子垂直沉降速度时必须尽量减少空气气流扰动对种子的干扰，以上方法都必须在开放的环境中进行，不适合风传植物种子沉降速度的测定。
200810222184.0；公开号CN 101672861A）”提出一种利用装有显微镜头的CCD相机对进行沉降的絮体/污泥颗粒进行连续拍照，通过照片记录所示的絮体/污泥沉降距离与时间，计算出絮体/污泥沉降速度。由于杂草种子沉降测速高度最大值达2米，而此方法的沉降柱仅0.35米，故该方法装置也不适合适用于杂草种子沉降速度的测定。这些方法都具有测量装置复杂、准确性差的缺点。更重要的是，测量风传植物种子垂直沉降速度时必须尽量减少空气气流扰动对种子的干扰，以上方法都必须在开放的环境中进行，不适合风传植物种子沉降速度的测定。
发明内容
[0004] 针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种测定风传植物种子垂直沉降速度的装置及方法的技术方案，以解决现有技术中不能利用简单、经济的装置确定风传植物种子垂直沉降速度的问题。
[0005] 所述的一种测定风传植物种子垂直沉降速度的装置，其特征在于包括种子垂直沉降光电检测装置和数据处理显示系统，所述的种子垂直沉降光电检测装置包括设置在沉降管顶端的带光电检测系统的种子释放接头、至少1只沉降管、至少1只带光电检测系统的中间接头、1只种子收集瓶和使整个装置保持垂直稳定的支架，所述的带光电检测系统的种子释放接头、带光电检测系统的中间接头分别与沉降管卡接配合，所述的收集瓶位于沉降管的正下方；所述的数据处理显示系统包括微处理器和 LCD显示屏，光电检测系统通过数据传输线与数据处理显示系统相连，光电检测系统由恒流电源供电。
[0006] 所述的一种测定风传植物种子垂直沉降速度的装置，其特征在于所述的沉降管为圆形或方形的不锈钢管，或铝合金管。
[0007] 所述的一种测定风传植物种子垂直沉降速度的装置，其特征在于所述的光电检测系统由相向设置的两块PCB板和相向放置的两块狭缝板组成，两块狭缝板设置在两块PCB板的内侧，PCB板上依次间隔设置有至少1块光电池和至少1只LED光源，一块PCB板上的光电池与另一块PCB板上的LED光源对应设置；两块PCB板上的光电池分别通过该侧狭缝板上的狭缝接收从对面狭缝中PCB板上的LED光源发出的光信号，两块PCB板上的LED光源经狭缝形成的光平面与沉降管垂直，光平面宽度等于沉降管内径。
[0008] 所述的一种测定风传植物种子垂直沉降速度的装置，其特征在于所述的狭缝高度在0.5毫米至1.5毫米之间可调，狭缝的长度等于沉降管内径。
[0009] 所述的一种测定风传植物种子垂直沉降速度的装置，其特征在于所述的带光电检测系统的种子释放接头下端设置为与沉降管外形匹配的卡口，上端设置为中间开圆孔的漏斗形种子释放口；所述的带光电检测系统的中间接头上下两端均设置为与沉降管外形匹配的卡口。
[0010] 所述的一种测定风传植物种子垂直沉降速度的装置，其特征在于所述的光电检测系统分别安装在带光电检测系统的种子释放接头上和带光电检测系统的中间接头上。
[0011] 所述的一种测定风传植物种子垂直沉降速度的装置，其特征在于所述的安装在带光电检测系统的种子释放接头上的光电检测系统的狭缝的位置与带光电检测系统的种子释放接头上端的漏斗形种子释放口下缘平行，安装在带光电检测系统的中间接头上的光电检测系统的狭缝开在带光电检测系统的中间接头的中部，即两根相邻沉降管的交接点处。
[0012] 所述的一种测定风传植物种子垂直沉降速度的方法，其特征在于包括以下步骤：
[0013] 1）、根据需要测定的垂直沉降高度，选择相应长度的沉降管，连接种子垂直沉降光电检测装置；
[0014] 2）、用数据传输线将上述种子垂直沉降光电检测装置与数据处理显示系统相连，打开电源开关，为系统上电；
[0015] 3）、用陶瓷镊子将单颗待测植物种子置于所述带光电检测系统的种子释放接头入口处，轻推种子使其从入口处自然垂直降落；
[0016] 植物种子垂直经过所述的光电检测系统的光路时，瞬间遮挡稳定照射在光电池上的光平面，引起光电池检测信号变化，微处理系统记录下种子通过起点和不同高度时所产生的光强脉冲信号，经过放大、比较处理，即可得到种子下落到不同高度时所需的时间 ，根据公式 可计算出种子的沉降平均速度，其中： ：为第 点时的平均速度，：为起点到第点的高度差，测试前将实际高度差输入微处理系统内存， 为光电检测系统检测到的种子沉降到第 点的时间；
[0017] 微处理系统计算出种子在不同高度的垂直沉降平均速度，并显示在LCD显示屏上；
[0018] 4）、将落入种子收集瓶中的种子取回，重复测量或保存备用。
[0019] 本发明的有益效果为：
[0020] 1.本发明以多块光电池与LED光源相对交错排列，通过狭缝形成与种子沉降路径垂直的光平面，每块光电池可以通过狭缝接收对面LED光源通过狭缝发出的光信号，LED光平面可以覆盖整个检测光路，避免植物种子下落过程中进入光路盲区，大大提高了传感器的灵敏度和测量成功率；
[0021] 2.本发明的带光电检测系统的种子释放接头、带光电检测系统的中间接头除具有获取植物种子通过光路平面时产生的光信号变化的作用外，还具有连接沉降管的作用；
[0022] 3.根据待测植物种子的大小和外形，可以任意选择不同内径、长度的沉降管及与之配套的接头，可以测量植物种子从不同高度沉降下落的速度；
[0023] 4.本发明可以将多根沉降管通过光电检测接头连接，同时测量同一颗种子沉降到不同高度时的速度；
[0024] 5.本发明的种子垂直沉降光电检测装置避免了外界空气气流扰动和杂散光对测量信号的干扰，提供了风传植物种子沉降速度实验室测试近似理想环境，测量结果准确可靠，重复测量误差小；
[0025] 6.本发明装置的下方设置一个种子收集瓶，有利于杂草种子的收集和重复测量；
[0026] 7.本发明装置的数据处理显示系统将模拟信号转为数字信号，经过软件编程，通过按键开关对系统进行控制，并在LCD显示屏上直观地同时显示同一颗植物种子垂直沉降到不同高度时的速度，并保存在内存中；
[0027] 8.本发明不需要昂贵的CCD摄像装置，对试验环境要求不高，大大降低了测试成本；
[0028] 9.本发明基于光电检测技术，还具有测量精度高、装置简单、经济实用、操作简便等优点。
附图说明
[0029] 图1为本发明装置的结构示意图；
[0030] 图2为本发明带光电检测装置的种子释放接头示意图；
[0031] 图3为本发明光电检测系统内部光路示意图；
[0032] 图4为本发明带光电检测装置的中间接头示意图；
[0033] 图5为本发明装置内光路结构的剖面示意图；
[0034] 图6为本发明光电检测系统中一路光信号处理的原理图；
[0035] 图7为本发明测量种子沉降速度的流程图。
具体实施方式
[0036] 下面结合说明书附图对本发明做进一步说明：
[0037] 一种测定风传植物种子垂直沉降速度的装置，包括种子垂直沉降光电检测装置和数据处理显示系统，所述的种子垂直沉降光电检测装置包括设置在沉降管顶端的带光电检测系统的种子释放接头1、至少1只沉降管2、至少1只带光电检测系统的中间接头3、1只种子收集瓶4和使整个装置保持垂直稳定的支架5，所述的带光电检测系统的种子释放接头1、带光电检测系统的中间接头3分别与沉降管2卡接配合，所述的收集瓶4位于沉降管2的正下方；所述的数据处理显示系统包括微处理器6和 LCD显示屏7，光电检测系统通过数据传输线8与数据处理显示系统相连，光电检测系统由恒流电源9供电。
[0038] 沉降管2为圆形或方形不锈钢管或铝合金管，内壁光滑，不透光，可根据种子的大小和测量需要选用不同的管径和长度。
[0039] 光电检测系统由相向设置的两块PCB板12和相向放置的两块狭缝板组成，两块狭缝板设置在两块PCB板12的内侧，PCB板12上依次间隔设置有至少1块光电池14和至少1只LED光源15，一块PCB板12上的光电池14与另一块PCB板12上的LED光源15对应设置；两块PCB板12上的光电池14分别通过该侧狭缝板上的狭缝13接收从对面狭缝13中PCB板上的LED光源15发出的光信号，两块PCB板上的LED光源15经狭缝13形成的光平面与沉降管2垂直，光平面宽度等于沉降管2内径；狭缝13高度在0.5毫米至1.5毫米之间可调，狭缝13的长度等于沉降管2内径；该光电检测系统分别安装在带光电检测系统的种子释放接头1上和带光电检测系统的中间接头3上。
[0040] 图6为光电检测系统中一路光信号检测处理电路，根据种子尺寸大小，每个PCB板可重复若干该电路来拓展测试区域，且光信号检测处理电路与LED光源交错布局。该电路拥有信号检测、信号放大、滤波及比较的功能，当植物种子下落经过检测装置时，光电池检测后产生的微弱信号波动，经过第一个运放放大，然后经过电容滤波，在经过第二个运放比较处理后输出高电平（5V电源）脉冲。该脉冲信号输入微处理器，再通过软件编程即可算出杂草种子的沉降速度，并直观显示在LCD显示屏上。
[0041] 带光电检测系统的种子释放接头1下端设置为与沉降管外形匹配的卡口10，上端设置为中间开圆孔的漏斗形种子释放口11；所述的带光电检测系统的中间接头3上下两端均设置为与沉降管2外形匹配的卡口。
[0042] 安装在带光电检测系统的种子释放接头1上的光电检测系统的狭缝13的位置与带光电检测系统的种子释放接头1上端的漏斗形种子释放口11下缘平行，安装在带光电检测系统的中间接头3上的光电检测系统的狭缝13开在带光电检测系统的中间接头3的中部，即两根相邻沉降管2的交接点处。
[0043] 一种测定风传植物种子垂直沉降速度的方法，包括以下步骤：
[0044] 1）、根据需要测定的垂直沉降高度，选择相应长度的沉降管，连接种子垂直沉降光电检测装置；
[0045] 2）、用数据传输线将上述种子垂直沉降光电检测装置与数据处理显示系统相连，打开电源开关，为系统上电；
[0046] 3）、用陶瓷镊子将单颗待测植物种子置于所述带光电检测系统的种子释放接头入口处，轻推种子使其从入口处自然垂直降落；
[0047] 植物种子垂直经过所述的光电检测系统的光路时，瞬间遮挡稳定照射在光电池上的光平面，引起光电池检测信号变化，微处理系统记录下种子通过起点和不同高度时所产生的光强脉冲信号，经过放大、比较处理，即可得到种子下落到不同高度时所需的时间 ，根据公式 可计算出种子的沉降平均速度，其中： ：为第 点时的平均速度，：为起点到第 点的高度差，测试前将实际高度差输入微处理系统内存， 为光电检测系统检测到的种子沉降到第点的时间；
[0048] 微处理系统计算出种子在不同高度的垂直沉降平均速度，并显示在LCD显示屏上；
[0049] 4）、将落入种子收集瓶中的种子取回，重复测量或保存备用。
[0050] 本发明可通过采集植物种子沉降过程瞬间遮挡稳定照射在光电池上的光源时所产生脉冲信号，得到植物种子垂直沉降至固定高度所需要的时间，计算出植物种子的沉降平均速度，为研究杂草扩散蔓延规律提供科学依据。
[0051] 本发明所述的装置可对直径为厘米级、毫米级的风传植物种子垂直沉降速度进行测量，具有测量精度高、稳定性好、拆卸简单、携带方便等优点，适于实验室测量，也适于野外作业。本发明所述的的方法操作简单、测量数据稳定，可同时测量同一植物种子从不同高度沉降下来的平均速度。
[0052] 实施例一 加拿大一枝黄花的种子垂直沉降速度测定
[0053] 1.实验方法：
[0054] 测量实验装置主要由1个带光电检测系统的种子释放接头、1根圆形不锈钢沉降管、1个带光电检测系统的中间接头、支架、种子收集器、微处理器、LCD显示屏、恒流电源、数据传输线组成。圆形不锈钢沉降管直径60毫米，高度为1米。光电检测系统的每块PCB板上安置了3块10mm×10mm的正方形光电池，型号为SP-10A，DIP封装和3 颗SMD封装白光LED，LED的功率0.06W,20mA、发散角120°，光电池与LED呈线性交替排列。PCB板安置在狭缝后面，狭缝高度1.0毫米，长度60毫米；LED 光源透过狭缝形成与植物种子沉降下落路径垂直的光平面，照射到对面相同的狭缝后面的光电池上。
[0055] 用陶瓷镊子夹取单颗加拿大一枝黄花的种子，放到种子释放接头的释放口边缘，轻拨种子，使其从释放口垂直进入沉降管内，当种子落入种子收集器后，在显示器上显示出沉降平均速度。
[0056] 从种子收集瓶中取回种子，重复以上实验，重复5次，获得同一颗种子沉降速度的平均值和标准偏差。
[0057] 2.实验结果：
[0058] 对10颗加拿大一枝黄花的种子进行测量，每颗种子重复测量5次，结果如表1所示（单位：m/s)。
[0059] 表1 测量的加拿大一枝黄花种子沉降平均速度
[0060]
[0061] 实施例二 山莴苣的种子不同高度垂直沉降速度的同时测量
[0062] 1.实验方法：
[0063] 测量实验装置主要由1个带光电检测系统的种子释放接头、3根方形不锈钢沉降管、3个带光电检测系统的中间接头、支架、种子收集瓶、微处理器、LCD显示屏、恒流电源、数据传输线组成。方形不锈钢沉降管边长30毫米，每根长度为0.5米，通过中间接头连接，可以同时测量种子沉降高度为0.5米、1米、1.5米的沉降速度。
[0064] 用陶瓷镊子夹取单颗山莴苣的种子，放到种子释放接头的释放口边缘，轻拨种子，使其从释放口垂直进入沉降管内，当种子落入种子收集器后，在显示器上分别显示出沉降高度为0.5米、1米、1.5时的沉降平均速度。
[0065] 从种子收集瓶中取回种子，重复以上实验，重复5次，获得同一颗种子沉降速度的平均值和标准偏差。
[0066] 2.实验结果：
[0067] 对10颗山莴苣的种子进行测量，每颗种子重复测量5次，不同高度下的沉降平均速度如表2、表3和表4所示（单位：m/s)；
[0068] 表2 山莴苣种子0.5米高度的沉降平均速度
[0069]
[0070] 表3 山莴苣种子1.0米的沉降平均速度
[0071]
[0072] 表4 山莴苣种子1.5米的沉降平均速度
[0073]
[0074] 实验数据显示，本发明对同一颗种子沉降平均速度的重复测量偏差较小，表明用该装置及其方法测量草籽垂直沉降平均速度稳定性高、重复性好。不同沉降高度的平均速度无显著差异，表明该种子在0.5米后以匀速沉降。