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1 背景

莖流、葉溫、莖粗變化是植物的重要生理指標(biāo)，而光照、土壤濕度、空氣溫濕度是影響重要指標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)境因子。樹木液流的日變化呈單峰格型，不同胸徑樹木的液流日變化格型有很大差異，前人對(duì)液流和樹形的研究有些僅著眼于液流瞬時(shí)值水平，缺少對(duì)液流整體格局特征的認(rèn)識(shí)，也有用樹形分級(jí)的方法對(duì)液流和樹形關(guān)系進(jìn)行探討，但該方法存在尺度擴(kuò)展過程中容易引起誤差的缺點(diǎn)。

當(dāng)根系吸水充足時(shí)莖干膨脹，虧缺時(shí)莖干收縮。因而可以用莖直徑變化反應(yīng)植株體內(nèi)水分狀況變化。

該系統(tǒng)通過莖流大小測試植株的耗水量，通過葉溫預(yù)報(bào)植物需水量，利用植物器官（莖、葉、果實(shí)等）體積微變化動(dòng)態(tài)反應(yīng)植物體內(nèi)水分狀況，廣泛用于植物水分利用、水量平衡、能量平衡、灌溉等研究領(lǐng)域.

2 系統(tǒng)工作原理及特點(diǎn)

ENVIdata-DT 植物莖流葉溫莖粗監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器、莖流傳感器、冠層葉溫傳感器、作物莖桿變化或樹木生長傳感器組成。按用戶設(shè)定的測量間隔定時(shí)、自動(dòng)測量莖流、葉溫和生長參數(shù)。

該系統(tǒng)通過Internet傳輸數(shù)據(jù)，用戶無需到測點(diǎn)下載數(shù)據(jù)，只要能上網(wǎng)，可隨時(shí)查看系統(tǒng)運(yùn)行情況、下載**和歷史數(shù)據(jù)。

2.1 傳感器

2.1.1 莖流傳感器

EM51用于測量直徑大于12cm 的樣木，采用組織熱平衡技術(shù)THB (Tissue Heat Balance)。

EM62用于直徑在6mm～20mm之間的樣木，采用莖干熱平衡系統(tǒng)技術(shù)SHB（Stem Heat Balance）測量樹干莖流。

EM51 THB組織熱平衡技術(shù)的結(jié)構(gòu)和原理

工作原理：組織熱平衡方法（Tissue Heat Balance）是從內(nèi)部對(duì)一段樹干組織加熱，熱量向垂直方向、徑向和側(cè)向擴(kuò)散，莖流量取決于隨樹液流動(dòng)損失的熱量。與莖干熱平衡法不同的是，該法僅對(duì)一段莖干從內(nèi)部加熱，而不是從外表面加熱。測量原理下圖。

EM51 整株樹的莖流值采用如下公式計(jì)算：

公式中A 是樹干周長（帶樹皮）[cm]，B 是樹皮+韌皮部厚度[cm]。

該結(jié)果包含應(yīng)該去除的測點(diǎn)的熱量損失。為了得到去除了熱量損失的“凈”莖流量，需要在曲線圖上去除基線。

EM62 SHB莖干熱平衡技術(shù)（stem heat balance）的結(jié)構(gòu)和原理

工作原理：基于莖桿熱平衡原理（stem heat balance），由外部加熱，從內(nèi)部測量溫度。

傳感器由兩個(gè)相同的圓柱形組成，每部分外部裹有絕緣泡沫。一個(gè)圓柱體內(nèi)裝有線性加熱元件，輕輕擠壓絕緣泡沫后貼在莖干上，細(xì)針狀熱電偶沿樹干半徑方向、與上部加熱元件（液流方向）齊平插入莖干；第二個(gè)圓柱體內(nèi)沒有加熱元件，只是用于覆蓋參照熱電偶。

液流流過傳感器時(shí)被加熱，帶動(dòng)熱量向上流動(dòng)到熱電偶處，使該處溫度升高。閉環(huán)控制使得兩個(gè)熱電偶的溫差保持2K 或4K，這樣輸入功率與流過傳感器水體的水量呈比例關(guān)系，可求算莖流量。

EM62整株樹的莖流值采用如下公式計(jì)算：

公式中的（mV）直接來自下載的數(shù)據(jù)。為了得到去除了熱量損失的“凈”莖流量，需要在曲線圖上去除基線。

特點(diǎn)：

l 能量需求與莖流量成比例，能耗低，平均能耗0.3～0.4W；發(fā)熱能量（mW），高精確度、高穩(wěn)定性、高分辨率

l 直接得到莖流值，無需校準(zhǔn)

TDP熱擴(kuò)散莖流傳感器

應(yīng)用熱擴(kuò)散原理，測量不同樹種的莖流量。該原理能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)監(jiān)測莖流，并且受環(huán)境因素的干擾相對(duì)小。探頭適用于直徑75mm以上的樹干，安裝容易，可以重復(fù)使用。TDP-30和TDP-50每個(gè)探頭占用一個(gè)單端模擬通道，TDP-80每個(gè)探頭占用兩個(gè)單端模擬通道。安裝工具隨探頭提供。

SG系列探頭應(yīng)用熱平衡原理，多種尺寸系列可以適于安裝在直徑2.1至175mm的草本或木本植物莖干上。該探頭無需校正，不用穿刺到樹干中。每個(gè)探頭占用3個(gè)單端模擬通道。探頭所需的安裝附件隨探頭提供。

系統(tǒng)配有電壓調(diào)節(jié)器為探頭供電，可以同時(shí)輸出兩種不同的電壓，功率能夠滿足所有探頭的耗電量。

2.1.2 紅外葉溫測量

紅外葉溫傳感器是基于斯特藩-玻爾茲曼定律（Stefan-Boltzmann law）

特點(diǎn)：測量植物冠層、土壤、水面等溫度

技術(shù)指標(biāo)：

測量范圍：-10…65℃

精度：-10…+65℃， ±0.2℃

-40…+70℃ ， ±0.5℃

工作溫度：-55….+80℃ 0…100% RH

2.1.3莖粗傳感器

D6 樹木胸徑傳感器

D6樹木生長應(yīng)變傳感器用于連續(xù)、高精度、自動(dòng)測量樹木的周長變化。體積小、重量輕，可輕松安裝在樹干上，對(duì)樹皮或樹木的生長沒有任何損害。

整個(gè)傳感器象帶子一樣纏繞樹木，用彈簧定位。樹木尺寸的變化直接傳遞到傳感器，瞬時(shí)記錄樹木對(duì)環(huán)境影響的反應(yīng)、樹皮的膨脹、導(dǎo)管水位或細(xì)胞分裂等。

樹木尺寸變化通過帶子傳遞到傳感器，在應(yīng)變傳感器中轉(zhuǎn)換成電阻信號(hào)。帶子受溫度影響很小。帶子和樹皮間有一個(gè)特富龍層，減少帶子的摩擦力，同時(shí)確保帶子不受結(jié)冰、樹脂或結(jié)疤的影響。

特點(diǎn)：

l 連續(xù)、高精度測量樹木的周長變化

l 安裝簡單，無需破壞樹皮或影響樹木的生長

l 測量樹木生長的日變化，精度達(dá)5um

l *小化測量帶與樹皮間的摩擦力及溫度的影響

l 調(diào)節(jié)測量帶，可輕松擴(kuò)大測量范圍

作物莖桿直徑變化傳感器

SD-5M 作物莖桿微變化傳感器：測量范圍：0-5mm，用于莖粗4-25mm；

SD-6M 作物莖桿微變化傳感器：測量范圍：0-5mm，用于莖粗20-70mm；

2.2、ENVIdata數(shù)據(jù)傳輸和管理

該系統(tǒng)直接將數(shù)據(jù)傳送到 (中國生態(tài)數(shù)據(jù)網(wǎng))網(wǎng)站上，通過對(duì)監(jiān)測的生態(tài)環(huán)境因子的時(shí)序變化和相關(guān)性分析，確定監(jiān)測對(duì)象的狀態(tài)發(fā)展。

ENVIdata 服務(wù)器軟件既可以作為獨(dú)立的應(yīng)用軟件，運(yùn)行在用戶的服務(wù)器上；也可以運(yùn)行在澳作公司安全的服務(wù)器上，為多個(gè)用戶提供數(shù)據(jù)接收服務(wù)，同時(shí)幫助用戶監(jiān)控野外測點(diǎn)硬件系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

澳作公司ENVIdata系列生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是業(yè)內(nèi)**成功獲得 ISO9001國際質(zhì)量體系認(rèn)證，于2010年獲得 ISO9001 質(zhì)量認(rèn)證書，至今全部通過專家的年度復(fù)核，確保系統(tǒng)集成的品質(zhì)

用戶采用用戶名和密碼登陸，只要能上網(wǎng)，就能瀏覽實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)

特點(diǎn)：

1） 生態(tài)環(huán)境信息以各種時(shí)間間隔 （分鐘、每小時(shí)、每天）發(fā)送到網(wǎng)站上。

2） 用戶只要能上網(wǎng)，既可瀏覽實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

3） 中心服務(wù)器中文界面，便于操作和管理

4） 提供多參數(shù)、實(shí)時(shí)或歷史數(shù)據(jù)曲線圖

5） 系統(tǒng)提供多站點(diǎn)地圖顯示

特點(diǎn)：

1） 生態(tài)環(huán)境信息以各種時(shí)間間隔 （分鐘、每小時(shí)、每天）發(fā)送到網(wǎng)站上。

2） 用戶只要能上網(wǎng)，既可瀏覽實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

3） 中心服務(wù)器中文界面，便于操作和管理

4） 提供多參數(shù)、實(shí)時(shí)或歷史數(shù)據(jù)曲線圖

5） 系統(tǒng)提供多站點(diǎn)地圖顯示

ENVIdata 數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)已為國內(nèi)的客戶服務(wù)3年，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。

3、技術(shù)指標(biāo)

數(shù)據(jù)采集：

**掃描速率：25Hz

處理器：采用18位A/D轉(zhuǎn)換器，精度±0.025%

存儲(chǔ)：128Mb可無限擴(kuò)展，內(nèi)存可存儲(chǔ)130，000個(gè)讀數(shù)，可使用PC卡或閃存可（可存儲(chǔ)65，000個(gè)讀數(shù)）

U盤存儲(chǔ)：兼容USB1.1或USB2.0驅(qū)動(dòng)，每兆約90，000采集數(shù)字點(diǎn)

LCD液晶顯示，2線16字母的LCD液晶顯示和6個(gè)按鍵用于查看通道及數(shù)采狀態(tài)和功能執(zhí)行

通訊：RS232、USB、以太網(wǎng)等

采樣間隔：10ms至天，可自定義

輸出值種類：平均值， **值， *小值， 取樣值 (Sample)， 向量值， 累計(jì)值 ( Totalize )等

工作溫度范圍-45~70℃

時(shí)鐘精準(zhǔn)度：約±1分鐘/年0-40℃；約±4分鐘/年-40-70℃

供電電壓：10~30VDC

工作濕度85%（無水汽凝結(jié)）

DT80：

模擬輸入：5-15個(gè)單端通道（10個(gè)差分）

脈沖通道：12個(gè)

數(shù)字I/O口：8個(gè)

DT82E：

模擬輸入：2-6個(gè)單端通道（4個(gè)差分）

脈沖通道：8個(gè)

數(shù)字I/O口：4個(gè)

DT82I：

模擬輸入：2-6個(gè)單端通道（4個(gè)差分）

脈沖通道：8個(gè)

數(shù)字I/O口：4個(gè)

DT85：

模擬輸入：12-48個(gè)單端通道（32個(gè)差分）

脈沖通道：15個(gè)

數(shù)字I/O口：8個(gè)

傳感器：

莖流：SHB技術(shù)，用于植物莖桿6-20mm；THB技術(shù)，用于植物莖桿大于12cm

葉溫：紅外原理，測量范圍：-10…65℃

精度：-10…+65℃， ±0.2℃

-40…+70℃ ， ±0.5℃

工作溫度：-55….+80℃ 0…100% RH

樹木莖粗：測量范圍：50mm，精度：5um

作物莖桿：測量范圍：0-5mm

數(shù)據(jù)傳輸：ENVIdata internet 連續(xù)、在線接收數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)輸出：實(shí)時(shí)傳輸，網(wǎng)上下載，同時(shí)郵件傳送

數(shù)據(jù)格式：文本、曲線、地圖顯示，一屏可同時(shí)顯示兩個(gè)參數(shù)

3、技術(shù)指標(biāo)傳感器：

莖流：SHB技術(shù)，用于植物莖桿6-20mm；THB技術(shù)，用于植物莖桿大于12cm

葉溫：紅外原理，測量范圍：-10…65℃

精度：-10…+65℃， ±0.2℃

-40…+70℃ ， ±0.5℃

工作溫度：-55….+80℃ 0…100% RH

樹木莖粗：測量范圍：50mm，精度：5um

作物莖桿：測量范圍：0-5mm

數(shù)據(jù)傳輸：ENVIdata internet 連續(xù)、在線接收數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)輸出：實(shí)時(shí)傳輸，網(wǎng)上下載，同時(shí)郵件傳送

數(shù)據(jù)格式：文本、曲線、地圖顯示，一屏可同時(shí)顯示兩個(gè)參數(shù)

4、 應(yīng)用案例

木質(zhì)部變化或者樹皮的膨脹依賴于一天的測量時(shí)間，天氣、溫濕度等條件，這就導(dǎo)致樹木莖桿周長的變化是雙向的。

由于太陽升起導(dǎo)致蒸騰作用會(huì)導(dǎo)致樹干周長減小，相應(yīng)的日落后蒸騰作用結(jié)束樹干周長會(huì)增大，這種雙向變化也依賴于天氣（是否干燥，降雨）。

樹木莖干周長日變化大約在±0.5 mm to±2.5 mm 。樹體一天周長變化（D6測量）如下：