单针热脉冲法在树干液流监测中的应用.pdf

传感器与微系统（）年第卷第期檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸殠殠殠殠应用技术：（）单针热脉冲法在树干液流监测中的应用叶建新，李颜娥，武斌，吴斌（浙江农林大学数学与计算机科学学院，浙江杭州；国家林业局林业感知技术与智能装备重点实验室，浙江杭州）摘要：设计了一种单针热脉冲树干液流监测仪，实现了树干液流的实时监测及相关数据的本地存储和远程传输。通过对单棵银杏树和无患子树的监测，与基于热比率方法的仪器相比，监测结果的决定系数分别为 和，均方根误差（）分别为 和。同时，简要分析了树干液流的影响因子。在测量时，所设计的仪器仅需使用单针，相比现有的监测设备，具有操作简单，性能稳定，功耗低，携带方便等优点，在树干液流的监测上有很好的应用前景。关键词：树干液流；单针热脉冲；实时监测；回归分析中图分类号：；文献识别码：文章编号：（），（，；，）：，；（），：；引言树木的蒸腾耗水的检测历来是多个领域所共同关注的问题，树干液流是由树木蒸腾耗水引起的水分在树木内部运输的中间过程，树木从土壤吸收的水分有 均通过叶片蒸腾作用回到大气中，因此，树干液流可以用于表征树木的蒸腾耗水量。在过去的几十年里，利用树干液流来研究植物蒸腾的学者数量不断增加，因此，树干液流的检测方法作为这些研究的基础也变得愈加重要。树干液流检测方法由最初的染色法和同位素示踪法，到如今的热技术，经过了近百年的发展已日渐成熟。热技术由于具备分辨率高、成本较低、能够实时监测等优点，成为研究人员广泛应用的树干液流检测的方法。综上所述，目前用于检测树干液流的仪器大都是模块化的组合，普遍存在以下问题：当在野外监测环境时，供电问题难以解决；数据的传输受到限制，研究人员无法实时监控野外的树干液流情况和仪器的运行情况；仪器的体积较大，野外监测时仪器难以携带；传统方法均采用多探针式设计，导致对木材损伤较大，另外，探针间距估计不准会产生较大的收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（，）；教育部人文社会科学项目（）；浙江省科技厅公益项目（）第期叶建新，等：单针热脉冲法在树干液流监测中的应用测量误差。本文设计了一种单针热脉冲树干液流监测仪，便于研究人员实时查看液流数据和仪器状况。系统设计主装置设计主板尺寸为 ，外壳为 ，外壳为防水外壳，可以适用于野外测量，系统平均工作功率小于 ，采用 锂电池可以连续工作天。硬件设计）微处理器：采用单片机芯片。）热脉冲探针：传感器由一个直径，长度 的 不锈钢探针组成。探针内嵌入一个型热电偶，位于距离尖端 处，用于测量加热器的温度变化梯度。）温度采集模块：型热电偶返回的是电压差，需要通过 转换进而得到温度值，本文采用芯片为带有冷端补偿和线性校正的型热电偶 转换器，芯片与微处理器直接通过串行外设接口（，）相连，原理如图（）所示。本文所设计的仪器仅将做单工通信接口。）加热控制模块：通过场效应管组成可以通过晶体管晶体管逻辑（，）电平控制的开关电路，将加热器温度控制在稳定的范围内，电路如图（）所示。）显示模块：采用的是 （）的有机发光二极管（，）屏幕，分辨率是，能够满足显示所需，显示模块主要作用是显示当前时刻的时间、探针的温度以及电池电量，以便使用时确认仪器工作状态。）存储模块：采用安全数码卡（，）进行每次测量数据的存储。卡通过位模式与微处理器相连，通过微处理器控制以进行数据的存储。）无线传输模块：采用模块，该模块是一种功能丰富的模块，采用双排针封装，便于集成在所需的系统中。模块通过上位机设置为透明传输模式，并设置服务器的和端口，因此，主控模块只需将数据通过传输到模块，模块会自动将主控模块传输过来的数据发送至服务器。）电源模块：通过 电池对整个系统供电，其中，微处理器和显示模块需要 电源，温度采集模块和存储模块采用 电源，电源模块的原理如图所示。软件设计仪器的嵌入式部分软件主要功能是实现控制各个模块的有序运行和数据的保存以及发送，通过平台，并通过语言进行编程，软件流程如图所示。服务器端采用语言编写网络服务进行数据的接收，并通过进SCK21INP221GNDGNDQ2D4184LcomD4148D1Q1GNDR110100R3comD4184LGNDP3OUTP1R42?k赘LED1GNDGNDcomCSSMISO56784321SCKCSSONCVCCVCCT+T-GNDMAX6675GND1041212GND212121(b)?电路图(a)?原理图21图 和原理GNDC200.1?滋+3.3?VC1910?滋FU9TPS7333QDROUT/2OUTSENSEFBRESETININ/2GND56784321C2210?滋F0.1?滋C21C15220?滋FC14104+5?VGNDL14.7?滋HR12100?k赘D4SS14_C83852GNDGNDU6MP2359DJ-LF-ZC12 103ENINSWFBGNDBSTR1749.9?k赘+5?VC17104C1610?滋F/35?VGNDSS14_C83852D5R119.53?k赘12?VGND321564GNDEN+图电源模块原理行数据库的入库和管理等操作。Vh20?是否到达指定测量时间间隔记录时间和温度是否到达指定散热时间停止加热并记录时间和温度是否到达指定加热时间选择加热时间并开始加热初始化校准系统时间开始NYYY/NNNY图软件流程材料与方法试验设置试验在浙江农林大学东湖校区（，）内进行。浙江农林大学东湖校区位于浙江省杭州市临安区，地处亚热带季风区，常年多雨，四季分明，夏季天气炎热，冬季寒冷，春秋气候宜人且潮湿。试验区内植被丰富，多达种，其中树种主要有银杏、广玉兰、香樟、马尾松、无患子、法国梧桐等。选用基于热比率法（，）的仪器与自制仪器进行对比。分别于月日月日和月日月日期间，在一棵银杏树和一棵无患子树上进行监测，所选树木的树种、测量周期、胸径和树高信息如表所示。表实验树木的测量周期和树木信息树种测量周期胸径 树高 银杏月日月日 无患子月日月日 传 感 器 与 微 系 统第卷测量流程）在离地约 处垂直于树干钻一个 的孔和个 的孔，上中下探针间距均为，通过游标卡尺确定精确的间距，孔排列和间距如图（）所示。）在根针上涂一层导热硅脂，随后将上、中、下探针分别插入上、中、下孔中，探针插入过程尽量以旋转方式，以避免探针弯折，根针的安装实况如图（）所示。）上下探针接入主板的对应正负接口，中间探针除了要接正负接口外，还需要接入电源以起到加热的作用。）安装好探针后，将仪器固定在树上，通过保护膜包裹探针，防止外界环境（如阳光照射、降雨、强风等）影响造成的误差。完成后开启电源即可实现树干液流的实时监测和数据存储及上传。覫1.5?mm6?mm6?mm覫3?mm(b)?安装实况(a)?孔径间距覫1.5?mm图孔径间距和安装实况示意液流计算方法所有的热脉冲方法都是基于 提出的基本热传导对流方程，并由 和 对瞬时的理想加热器进行了修正。根据该方程可以得到随时间推移加热器探头中热脉冲的变化，如式（）所示 槡()（）式中 为热源单位长度的热输入，；和分别为边材的轴向和径向热扩散系数，；为边材的体积比热，；为热脉冲产生以来的时间；为液流速率，。当液流为的情况下，即时，方程可以简化为槡（）通过上述方程的比值进行重新排列得到工作方程，假设已知，则可以通过和的比值计算，计算公式如式（）所示（）槡（）此外，根据 的理论，和液流密度（，）的关系可以由式（）得到()（）（）式中 和分别为干木材和树液的密度，；和分别为干木材和树液的比热，；为边材含水量，；（）为树液的体积比热，；一般认为树液是水，所以假设树液的体积比热为。结果与分析自制仪器与对照仪器的监测结果对比本文未对进行直接测量，是通过 等人年提出的方法估算得到的。实验期间，研究区处于典型的夏季气候，在银杏树的监测期间以晴天天气为主，但在无患子监测期间，天气变化较大，以多云天气为主，月日午后出现了降雨，月日为阴天。自制仪器和对照仪器测得的变化曲线如图所示。8 月 29 日9 月 1 日9 月 4 日02040608010023:00 5:00 11:00 17:00 23:009 月 5 日9 月 8 日9 月 11 日01020304002040608010001020304023:00 5:00 11:00 17:00 23:00时间/h时间/h日期/天日期/天(a)(b)(c)(d)Vh?/(cm h-1)Vh?/(cm h-1)Vh?/(cm h-1)Vh?/(cm h-1)对照自制对照自制对照自制对照自制银杏无患子图银杏和无患子自制仪器与对照仪器测得的变化趋势对比 从图中曲线可知，树干液流的变化呈现周期性变化，呈现出白天高夜间低的趋势，午间出现每天的峰值。另外，自制仪器在测量结果上和对照仪器测得的结果高度重叠，可见自制仪器能够高度的模拟对照仪器的测量结果。相比于对照仪器，自制仪器在低液流速率情形下测得的液流速率存在较大的波动，与 等人的结果相似，这是由于液流较低时，方程（）中几乎可以忽略不计，此时自然温度梯度和噪声干扰会加剧，导致低液流情况下测量值的波动。种不同仪器测量液流速率的相关性以对照仪器的监测结果为参考值，将自制仪器和对照仪器的监测结果进行回归分析，并计算自制仪器的监测结果的决定系数（，）和均方根误差（，），结果分别如图和表所示。银杏树种仪器的监测数据回归分析的截距为 ，斜率为，而无患子种仪器的监测数据回归分析的截距为，斜率为。403020100010203040100500050100单针热脉冲法 Vh?/(cm h-1)单针热脉冲法 Vh?/(cm h-1)热比率法 Vh?/(cm h-1)热比率法 Vh?/(cm h-1)无患子R2=0.947银杏R2=0.986图自制仪器和对照仪器的相关性第期叶建新，等：单针热脉冲法在树干液流监测中的应用表自制仪器的性能指标树种斜率截距银杏 无患子 气象因子变化对树干液流速率的影响在监测树干液流的同时，同步监测了当地的气温、饱和水汽压差（，）、湿度等气象因子，表为银杏以及无患子的和气象因子的相关系数，由表中数据可知，棵树的和个因子之间均存在显著的相关性，其中，和温度及呈显著正相关关系，和湿度呈显著负相关关系。另外，图（）和图（）分别为棵树的及当地气温、和湿度的日间变化情况。表银杏和无患子的与个气象因子的相关系数温度湿度银杏 无患子 04080607080901002030400123010203040010203040010203040456075902530354001238 月 29 日9 月 1 日9 月 4 日日期/天(a)?银杏(b)?无患子9 月 5 日9 月 8 日9 月 11 日Vh气温湿度Vh?/(cm h-1)04080Vh?/(cm h-1)04080Vh?/(cm h-1)湿度/%RH气温/VPD/hPa日期/天VPDVhVPDVh气温VhVh湿度Vh图银杏和无患子的及、气温、湿度变化趋势 在月日和月日午间变化呈现双峰或多峰趋势（图），这是由于午间气温和较高，湿度较小，此时，叶片会暂时减小气孔导度，来避免因蒸腾作用强度较大而引起的树木过度失水，进而也会随之减小。随着气温和的回落及湿度的上升，叶片的气孔导度又会增大，此时蒸腾作用的强度会逐渐恢复。月日夜间仍然保持较高的液流速率，这可能是白天持续的高温和较大的以及较小的湿度导致了蒸腾作用强度较高，树木过度耗水，导致银杏本身存储的水分缺失严重，此时，夜间较高的可能是对白天树木过度耗水的补充，。另外，月日的峰值较前几日明显减小，这是由于当天气温和明显小于前几日的峰值，而湿度则明显高于前几日的峰值。从图（）中曲线可知，在月日午时至日午时均呈现较高的峰值，主要原因是这几日午时的高温和高以及较小的湿度导致树木的蒸腾强度增加，进而加快了。而月日和日午时，无患子出现了较大的波动，可能是由于当天太阳时常被云层遮蔽导致辐射强度的剧烈变化，最终导致了的剧烈波动，虽然之前有大量文献表明辐射强度是影响树干液流的重要因素，但由于未进行辐射强度的监测，因此不做过多阐述。另外，月日午时出现了急剧减小的现象，主