1 背景茎流、叶温、茎粗变化是植物的重要生理指标,而光照、土壤湿度、空气温湿度是影响重要指标的关键环境因子。树木液流的日变化呈单峰格型,不同胸径树木的液流日变化格型有很大差异,前人对液流和树形的研究有些仅着眼于液流瞬时值水平,缺少对液流整体格局特征的认识,也有用树形分级的方法对液流和树形关系进行探讨,但该方法存在尺度扩展过程中容易引起误差的缺点。当根系吸水充足时茎干膨胀,亏缺时茎干收缩。因而可以用茎直径变化反应植株体内水分状况变化。该系统通过茎流大小测试植株的耗水量,通过叶温预报植物需水量,利用植物器官(茎、叶、果实等)体积微变化动态反应植物体内水分状况,广泛用于植物水分利用、水量平衡、能量平衡、灌溉等研究领域.2 系统工作原理及特点ENVIdata-DT 植物茎流叶温茎粗监测系统由数据采集器、茎流传感器、冠层叶温传感器、作物茎杆变化或树木生长传感器组成。按用户设定的测量间隔定时、自动测量茎流、叶温和生长参数。该系统通过Internet传输数据,用户无需到测点下载数据,只要能上网,可随时查看系统运行情况、下载最新和历史数据。 2.1 传感器2.1.1 茎流传感器 EM51用于测量直径大于12cm 的样木,采用组织热平衡技术THB (Tissue Heat Balance)。EM62用于直径在6mm~20mm之间的样木,采用茎干热平衡系统技术SHB(Stem Heat Balance)测量树干茎流。EM51 THB组织热平衡技术的结构和原理工作原理:组织热平衡方法(Tissue Heat Balance)是从内部对一段树干组织加热,热量向垂直方向、径向和侧向扩散,茎流量取决于随树液流动损失的热量。与茎干热平衡法不同的是,该法仅对一段茎干从内部加热,而不是从外表面加热。测量原理下图。EM51 整株树的茎流值采用如下公式计算:公式中A 是树干周长(带树皮)[cm],B 是树皮+韧皮部厚度[cm]。该结果包含应该去除的测点的热量损失。为了得到去除了热量损失的&ldquo 净&rdquo 茎流量,需要在曲线图上去除基线。EM62 SHB茎干热平衡技术(stem heat balance)的结构和原理工作原理:基于茎杆热平衡原理(stem heat balance),由外部加热,从内部测量温度。传感器由两个相同的圆柱形组成,每部分外部裹有绝缘泡沫。一个圆柱体内装有线性加热元件,轻轻挤压绝缘泡沫后贴在茎干上,细针状热电偶沿树干半径方向、与上部加热元件(液流方向)齐平插入茎干;第二个圆柱体内没有加热元件,只是用于覆盖参照热电偶。液流流过传感器时被加热,带动热量向上流动到热电偶处,使该处温度升高。闭环控制使得两个热电偶的温差保持2K 或4K,这样输入功率与流过传感器水体的水量呈比例关系,可求算茎流量。EM62整株树的茎流值采用如下公式计算:公式中的(mV)直接来自下载的数据。为了得到去除了热量损失的&ldquo 净&rdquo 茎流量,需要在曲线图上去除基线。特点:l 能量需求与茎流量成比例,能耗低,平均能耗0.3~0.4W;发热能量(mW),高精确度、高稳定性、高分辨率l 直接得到茎流值,无需校准TDP热扩散茎流传感器应用热扩散原理,测量不同树种的茎流量。该原理能够实现连续监测茎流,并且受环境因素的干扰相对小。探头适用于直径75mm以上的树干,安装容易,可以重复使用。TDP-30和TDP-50每个探头占用一个单端模拟通道,TDP-80每个探头占用两个单端模拟通道。安装工具随探头提供。SG系列探头应用热平衡原理,多种尺寸系列可以适于安装在直径2.1至175mm的草本或木本植物茎干上。该探头无需校正,不用穿刺到树干中。每个探头占用3个单端模拟通道。探头所需的安装附件随探头提供。系统配有电压调节器为探头供电,可以同时输出两种不同的电压,功率能够满足所有探头的耗电量。SF1包裹式茎流传感器:导出以g/h为单位的茎流量;传感器类型示例产品茎杆直径范围(mm)高度(mm)加热器电压功耗(W)包裹范围(名义上直径)微传感器D\SGA32.7 ~ 4.0352.30.052、3、5茎杆传感器D\SGA1312 ~ 16704.00.159、10、13、16、19、25树干传感器D\SGB5045 ~ 653056.01.435、50、70、100数据采集器输入(每个传感器):3DIF通道(全量程1mV),1SE通道(用于加热器电压,全量程10V);缆线:标准1.5米(8芯,带接头);缆线可扩展SV1 TDP茎流速传感器:导出以cm/h为单位的茎流速;传感器类型针长/直径(mm)树干直径范围(mm)垂直空间加热器电压功耗(W)样品木质部厚度D\TDP-3030/1.270 ~ 20040mm3.00.230 ~ 70 mmD\TDP-5050/1.65120 ~25040mm5.00.350 ~ 100mmD\TDP-8080/1.65超过18040mm7.50.5 80 mm数据采集器输入(每个传感器):1DIF通道(全量程1mV),1SE通道(用于加热器电压,全量程最大10V);缆线:标准3米(5或6芯,带接头);缆线可扩展*澳作研发的通道扩展板:功能强大,精度高(与进口数据采集器精度相同),可接多路传感器(数量不受限制)。*多路电源供应:使用可调式电压调节分配器,针对不同传感器输出不同范围电压2.1.2 红外叶温测量红外叶温传感器是基于斯特藩-玻尔兹曼定律(Stefan-Boltzmann law)特点:测量植物冠层、土壤、水面等温度技术指标:测量范围:-10&hellip 65℃精度:-10&hellip +65℃, ± 0.2℃-40&hellip +70℃ , ± 0.5℃工作温度:-55&hellip .+80℃ 0&hellip 100% RH2.1.3茎粗传感器D6 树木胸径传感器D6树木生长应变传感器用于连续、高精度、自动测量树木的周长变化。体积小、重量轻,可轻松安装在树干上,对树皮或树木的生长没有任何损害。整个传感器象带子一样缠绕树木,用弹簧定位。树木尺寸的变化直接传递到传感器,瞬时记录树木对环境影响的反应、树皮的膨胀、导管水位或细胞分裂等。树木尺寸变化通过带子传递到传感器,在应变传感器中转换成电阻信号。带子受温度影响很小。带子和树皮间有一个特富龙层,减少带子的摩擦力,同时确保带子不受结冰、树脂或结疤的影响。特点:l 连续、高精度测量树木的周长变化l 安装简单,无需破坏树皮或影响树木的生长l 测量树木生长的日变化,精度达5uml 最小化测量带与树皮间的摩擦力及温度的影响l 调节测量带,可轻松扩大测量范围作物茎杆直径变化传感器SD-5M 作物茎杆微变化传感器:测量范围:0-5mm,用于茎粗4-25mm;SD-6M 作物茎杆微变化传感器:测量范围:0-5mm,用于茎粗20-70mm;2.2、ENVIdata数据传输和管理该系统直接将数据传送到 (中国生态数据网)网站上,通过对监测的生态环境因子的时序变化和相关性分析,确定监测对象的状态发展。 ENVIdata 服务器软件既可以作为独立的应用软件,运行在用户的服务器上;也可以运行在澳作公司安全的服务器上,为多个用户提供数据接收服务,同时帮助用户监控野外测点硬件系统的运行状态。澳作公司ENVIdata系列生态环境监测系统是业内首家成功获得 ISO9001国际质量体系认证,于2010年获得 ISO9001 质量认证书,至今全部通过专家的年度复核,确保系统集成的品质用户采用用户名和密码登陆,只要能上网,就能浏览实时和历史数据特点:1) 生态环境信息以各种时间间隔 (分钟、每小时、每天)发送到网站上。2) 用户只要能上网,既可浏览实时数据。3) 中心服务器中文界面,便于操作和管理4) 提供多参数、实时或历史数据曲线图5) 系统提供多站点地图显示特点:1) 生态环境信息以各种时间间隔 (分钟、每小时、每天)发送到网站上。2) 用户只要能上网,既可浏览实时数据。3) 中心服务器中文界面,便于操作和管理4) 提供多参数、实时或历史数据曲线图5) 系统提供多站点地图显示ENVIdata 数据服务平台已为国内的客户服务3年,系统稳定、可靠。 3、技术指标数据采集:最大扫描速率:25Hz处理器:采用18位A/D转换器,精度± 0.025%存储:128Mb可无限扩展,内存可存储130,000个读数,可使用PC卡或闪存可(可存储65,000个读数)U盘存储:兼容USB1.1或USB2.0驱动,每兆约90,000采集数字点LCD液晶显示,2线16字母的LCD液晶显示和6个按键用于查看通道及数采状态和功能执行通讯:RS232、USB、以太网等采样间隔:10ms至天,可自定义输出值种类:平均值, 最大值, 最小值, 取样值 (Sample), 向量值, 累计值 ( Totalize )等工作温度范围-45~70℃时钟精准度:约± 1分钟/年0-40℃;约± 4分钟/年-40-70℃供电电压:10~30VDC工作湿度85%(无水汽凝结)DT80:模拟输入:5-15个单端通道(10个差分)脉冲通道:12个数字I/O口:8个DT82E:模拟输入:2-6个单端通道(4个差分)脉冲通道:8个数字I/O口:4个DT82I:模拟输入:2-6个单端通道(4个差分)脉冲通道:8个数字I/O口:4个DT85:模拟输入:12-48个单端通道(32个差分)脉冲通道:15个数字I/O口:8个传感器:茎流:SHB技术,用于植物茎杆6-20mm;THB技术,用于植物茎杆大于12cm叶温:红外原理,测量范围:-10&hellip 65℃精度:-10&hellip +65℃, ± 0.2℃ -40&hellip +70℃ , ± 0.5℃工作温度:-55&hellip .+80℃ 0&hellip 100% RH树木茎粗:测量范围:50mm,精度:5um作物茎杆:测量范围:0-5mm数据传输:ENVIdata internet 连续、在线接收数据数据输出:实时传输,网上下载,同时邮件传送数据格式:文本、曲线、地图显示,一屏可同时显示两个参数3、技术指标传感器: 茎流:SHB技术,用于植物茎杆6-20mm;THB技术,用于植物茎杆大于12cm叶温:红外原理,测量范围:-10&hellip 65℃精度:-10&hellip +65℃, ± 0.2℃-40&hellip +70℃ , ± 0.5℃工作温度:-55&hellip .+80℃ 0&hellip 100% RH树木茎粗:测量范围:50mm,精度:5um作物茎杆:测量范围:0-5mm数据传输:ENVIdata internet 连续、在线接收数据数据输出:实时传输,网上下载,同时邮件传送数据格式:文本、曲线、地图显示,一屏可同时显示两个参数4、 应用案例木质部变化或者树皮的膨胀依赖于一天的测量时间,天气、温湿度等条件,这就导致树木茎杆周长的变化是双向的。由于太阳升起导致蒸腾作用会导致树干周长减小,相应的日落后蒸腾作用结束树干周长会增大,这种双向变化也依赖于天气(是否干燥,降雨)。树木茎干周长日变化大约在± 0.5 mm to± 2.5 mm 。树体一天周长变化(D6测量)如下:
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