乔木体水分的测试技术及其监测系统的研究

论文摘要

作为陆地范围内最大的生态系统,森林资源中树木的新陈代谢与水息息相关。随着世界人口的增长,需水量的增加,人类各种开发活动的加剧,全球可利用水资源所面临的压力也有增无减。另一方面,树木本身的用水量也并非越多越好,采取科学的节水技术,实时检测出树木体内的含水量,实现按需供水已成为植物学家们共同关注的问题。本论文以植物介电特性为切入点,对基于驻波率原理（Standing Wave Ratio—SWR）的乔木体水分测试技术做了系统的理论分析和深入的性能研究,验证了基于驻波率原理的BD-Ⅱ型乔木茎体水分传感器可用于实时检测乔木茎体的含水率。概括起来,本论文的研究内容主要有以下几点：1)根据植物生理学知识,乔木体水势、茎流速率和茎体含水率都是衡量乔木体正常生长发育的重要指标,而乔木体水势、茎流速率的测量已得到了国内外的广泛认可,本论文在分析乔木茎体含水率与其水势、茎流速率之间变化关系的基础上,建立了乔木茎体含水率与其水势、茎流速率之间的关系模型,分析了乔木茎体含水率的日变化趋势。2)通过对植物介电特性的理论分析,论证了利用驻波率技术测试乔木茎体含水率的可行性。3)将双针等长式结构的乔木茎体水分探头看成是平行传输线的特殊形式,从标准传输线特征阻抗入手,提出了双针等长结构的乔木茎体水分探头的特征阻抗数学模型；借助高频仿真软件HFSS和有机溶液模拟试验等,确定了传感器的探针结构参数。4)通过室内烘干试验分析了BD-Ⅱ型乔木茎体水分传感器的测试性能,验证了乔木茎体水分传感器的良好一致性。在项目的资助下,本文将BD-Ⅱ型乔木茎体水分传感器与国际先进的木材水分仪（韩国生产,型号GMK-1010）进行性能对比分析试验、以及在室外正常生长的白玉兰树上长达两年的季节性监测试验中,论证了基于SWR原理的乔木茎体水分测试技术的可行性和实用性,论证了BD-Ⅱ型乔木茎体水分传感器测量的优越性。5)通过本论文设计的乔木茎体水分实时监测系统来监测室外活立木的茎体含水率,利用德国生产的SF-L型径流计同步观测茎流速率、美国wescor公司生产的PSYPRO型叶水势仪同步监测叶水势等验证了乔木茎体含水率与其水势、茎流速率之间的关系模型的正确性。总之,本论文的研究为实时、准确地提取乔木茎体含水率,按照植物的生命需求进行灌溉,为乔木体正常生长发育、节水技术体系的有效实施提供了强有力的理论支撑。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 本论文研究的重要意义
• 1.2 乔木体水分测试技术的研究现状
• 1.3 乔木茎体水分测试技术的研究现状
• 1.3.1 植物含水率的几种计算方法
• 1.3.2 直接法
• 1.3.3 间接法
• 1.4 论文研究的主要内容
• 1.5 论文的创新之处
• 2 乔木茎体水分传感技术的理论基础
• 2.1 乔木茎干的宏观构造及水分分布差异
• 2.1.1 乔木茎干的宏观构造
• 2.1.2 乔木体内水的存在形式及水分分布差异
• 2.2 乔木体的介电特性
• 2.2.1 介电常数
• 2.2.2 影响乔木介电特性的因素
• 2.2.3 相对介电常数的频率特性分析
• 2.3 乔木茎体含水率与其水势、茎流速率之间的变化关系模型
• 2.3.1 模型的建立
• 2.3.2 模型的数值求解
• 2.4 基于驻波率（SWR）原野的乔木体水分测试技术
• 2.5 乔木茎体水分传感技术的探针阻抗模型
• 2.6 本章小结
• 3 BD-Ⅱ型乔木茎体水分传感器探针结构参数的研究
• 3.1 乔木茎体水分探头的电场分布
• 3.2 BD-Ⅱ型乔木茎体水分传感器探针长度的理论分析
• 3.3 探针结构的HFSS软件仿真试验
• 3.3.1 HFSS的计算方法
• 3.3.2 运用HFSS仿真探针结构变化时电极的电场分布
• 3.3.3 试验小结
• 3.4 BD-Ⅱ型传感器探针结构的有机溶液模拟试验
• 3.4.1 试验方法
• 3.4.2 试验步骤
• 3.4.3 试验结果
• 3.4.4 试验小结
• 3.5 本章小结
• 4 BD-Ⅱ型乔木茎体水分传感器的性能分析
• 4.1 烘干标定实验
• 4.1.1 乔木茎体水分传感器的一致性分析
• 4.1.2 树种对传感器测试测试性能的影响
• 4.2 样木的直径、长度对乔木茎体水分传感器的性能影响
• 4.2.1 试验材料和方法
• 4.2.2 试验结果及分析
• 4.3 BD-Ⅱ型传感器与木材水分仪的性能对比分析
• 4.3.1 试验材料
• 4.3.2 分析方法
• 4.3.3 试验结果及分析
• 4.4 监测室外白玉兰树茎体含水率试验
• 4.4.1 试验材料和方法
• 4.4.2 试验结果和分析
• 4.5 本章小结
• 5 乔木茎体含水率与其水势、茎流速率的变化关系模型的验证
• 5.1 乔木茎体含水率与茎流速率的变化关系模型验证
• 5.1.1 试验目的
• 5.1.2 试验环境
• 5.1.3 试验材料和方法
• 5.1.4 试验结果和分析
• 5.1.5 相关性分析
• 5.2 乔木茎体含水率与水势的变化关系模型的验证
• 5.2.1 试验目的
• 5.2.2 试验材料和方法
• 5.2.3 试验结果和分析
• 5.3 本章小结
• 6 乔木体水分监测系统的设计
• 6.1 监测系统的组成及功能
• 6.2 下位机硬件设计
• 6.2.1 DS1302与单片机
• 6.2.2 AT45DB161D与单片机
• 6.2.3 MAX186与单片机
• 6.2.4 AT24C512与单片机的连接
• 6.3 下位机软件设计
• 6.3.1 主函数
• 6.3.2 系统初始化
• 6.3.3 任务进程TASK1
• 6.3.4 任务进程TASK2
• 6.3.5 任务进程TASK3
• 6.3.6 底层驱动程序
• 6.4 上位机设计
• 6.4.1 系统主对话框界面
• 6.4.2 数据接收设置对话框图
• 6.4.3 时间设置对话框
• 6.5 运行结果部分图例
• 6.6 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 个人简介
• 第一导师简介
• 第二导师简介
• 致谢