CN108572201A - 一种测定特定夹持力下的植物生理电容的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测定特定夹持力下的植物生理电容的方法及装置，测定装置包括支架、泡沫板、电极板、导线、铁块、塑料棒，镶嵌有电极板的泡沫板分别粘在支架底端和塑料棒上，塑料棒上添加不同质量的铁块改变装置的压力来调节夹持力，使用时极板通过导线与LCR测试仪连接，两电极板将待测量植物叶片夹持住，设定不同的夹持力，测定植物在叶片生理电容，基于吉布斯自由能方程与电容器的能量公式建立植物叶片的生理电容随夹持力变化模型，依据模型获取被考察植物叶片在被考察的夹持力下的生理电容。本发明可以快速、无损、在线检测特定夹持力下不同植物叶片的生理电容，不同批次测定的结果具有可比性。
Description
技术领域
本发明属于农业工程和农作物信息检测技术领域，具体涉及一种测定特定夹持力下的 植物生理电容的方法及装置，可以快速、无损的检测植物叶片的生理电容。
背景技术
水是植物体的重要组成成分之一，当植物叶片细胞失水时，叶肉细胞的细胞壁、液泡 都因失水而收缩，细胞体积变小，此时细胞的弹性较小，可塑性较弱。如果植物吸收，外液中的水分就会进入叶肉细胞，细胞因吸水而膨胀，细胞体积变大，此时细胞的弹性较大，可塑性较强。植物叶片的生理电容与细胞的这种膨胀度或收缩度紧密相关。在不同夹持力下这种植物叶片细胞的膨胀度或收缩度会表征出不同的生理电容值。
目前测定植物的生理电容时通常出现重复性差，不同人不同时间不同地点，或者同一 个人不同时间不同地点、甚至同一个人、同一地点不同时间测定同一状态的叶片结果差异 较大，严重地影响测定结果的准确性，使测定结果难以分析，更不具备可比性。究其原因 是由于每次测定施加不同的夹持力，造成结果的偏差，为了准确地比较植物生理电容，使 不同次的测定结果具有可比性，固定电极板的夹持力，获得特定夹持力下的植物生理电容 是当前植物电生理研究的当务之急！本发明通过调节夹持力，测定在不同夹持力下植物叶 片的生理电容，构建夹持力与植物叶片的生理电容模型，依据模型获取特定夹持力下的植 物生理电容。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测定特定夹持力下的植物生理电容的方法及装置，以克服 现有技术中重复性差，结果不具备可比性的缺陷。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
一种测定特定夹持力下的植物生理电容的方法，包括以下步骤：
步骤一，将测定装置与LCR测试仪连接；
步骤二，选取生长在不同环境下带有叶片的待测植物的新鲜枝条，并包住枝条基部；
步骤三，清理新鲜枝条上叶片，并采摘长势较为一致的叶片；
步骤四，将叶片夹在测定装置平行电极板之间，设置测定电压、频率，通过改变铁块 的质量来设置所需的特定夹持力，并测定在不同夹持力下的植物生理电容；
步骤五，构建植物叶片的生理电容随夹持力变化模型，获得模型的各个参数；
步骤六，将构建模型的夹持力代入步骤五的模型中，计算出不同夹持力下的生理电容， 比对实测值与计算值，找出模型的适用范围；
步骤七，将需要的在适用范围内的被考察的夹持力，代入步骤五的模型中，可计算获 得被考察植物叶片在特定夹持力下的生理电容。
进一步，所述测定装置包括支架、泡沫板、电极板、导线、铁块、塑料棒及固定夹，支架为矩形框架结构、且一侧开放，支架上端开有通孔，供塑料棒伸入，支架下端朝内一 侧及塑料棒底端分别粘有两个泡沫板，泡沫板内镶嵌电极板，两个电极板各自引出一根导线，塑料棒的泡沫板上可放置不同质量的铁块，塑料棒位于支架内部的一端由固定夹进行固定；所述电极板为圆形极板，所述电极板的材质为铜。
进一步，所述步骤四中特定夹持力的设置方法为：通过增加不同质量的铁块，依据重 力学公式：F＝(M+m)g计算出夹持力F，式中F为夹持力，单位N；M为铁块质量，m 为塑料棒与电极片的质量，kg；g是重力加速度为9.8N/kg。
进一步，所述步骤五中，植物叶片的生理电容C随夹持力F变化方程为；ΔH为系统的内能，U为测试电压，V为植物细胞体积；所述变化方程是基于吉布斯自由 能方程与电容器的能量公式推导出的，吉布斯自由能方程表达为ΔG＝ΔH+PV，电容器的 能量公式表达为W为电容器的能量，等于吉布斯自由能ΔG转化的功，即W＝ΔG， 其中P为植物细胞受到的压强；所述植物细胞受到的压强P由压强公式求出，其中S 为极板作用下的有效面积；令所述变化方程可变形为C＝y0+kF；其 中y0和k为模型参数。
本发明具有有益效果：
1.本发明通过在塑料棒的上下移动，使得两极板之间的距离能实现灵活调整，从而可 以测量不同厚度的植物叶片；通过两个泡沫板分别粘在支架底端和塑料棒上，在塑料棒上 添加一定质量的铁块来改变装置的压力，使得测量时不会损坏植物叶片，可以无损地在线 检测不同厚度的植物叶片的生理电容，简化了结构；考虑到经济性和实用性，并且由于圆 形电极可减少电极的边缘效应，所以本发明选择铜材料的圆形电极板。
2.本发明可以测定特定夹持力下的植物生理电容，使不同批次的测定结果具有可比 性。
3.本发明可以通过构建的夹持力与植物叶片的生理电容模型计算任一夹持力下的植 物生理电容，因此，减少了工作量，适用于夹持力微小变化下的植物生理电容的测定。
4.本发明简便、准确、精度高，同时还具有预测功能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明测定方法流程图；
图中：1.支架；2.泡沫板；3.电极板；4.电导线；5.铁块；6.塑料棒；7.固定夹。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
本发明的基本原理为：
由重力学公式：
F＝(M+m)g (1)
式中F为重力(夹持力)，N；M为铁块质量，m为塑料棒与电极片的质量，kg；g是 重力加速度为9.8，N/kg。
以叶片中细胞液溶质作为电介质，将叶片夹在平行板电容器的两平行板电容器极板之 间，构成平行板电容传感器。通过增加一定质量的铁块得到不同特定夹持力下植物叶片的 生理电容，而特定的压力必定会导致叶片中细胞液溶质浓度的变化，从而改变叶片细胞的 弹性及可塑性，引起两电容器极板间叶片组织细胞液溶质介电常数与有效厚度的变化，从 而影响植物生理电容。
植物细胞水分的多少关系着植物叶片细胞弹性的强弱，在特定夹持力下，不同植物生 理电容是不同的。
吉布斯自由能方程表达为ΔG＝ΔH+PV，电容器的能量公式表达为W为电容器的能量，等于吉布斯自由能ΔG转化的功，即W＝ΔG；ΔH为系统(由细胞组成的植 物叶片系统)的内能，P为植物细胞受到的压强，V为植物细胞体积，U为测试电压，C 为植物叶片的生理电容；
植物细胞受到的压强P可由压强公式求出，其中F为夹持力，S为平行板电容传 感器极板作用下的有效面积；
植物叶片的生理电容C随夹持力F变化模型：
令(2)式可变形为：
C＝y0+kF (3)
(3)式是一个线性模型，其中的y0和k为模型的参数。
本发明就是将需要的被考察的夹持力，代入上述线性模型中，来获得被考察植物叶片 在特定夹持力下的生理电容。
一种测定特定夹持力下的植物生理电容的装置，如图1所示，由支架1、泡沫板2、电极板3、电导线4、铁块5、塑料棒6、固定夹7组成；支架1为矩形框架结构、且一侧开 放，支架1上端开有通孔，供塑料棒6伸入，支架1下端朝内一侧及塑料棒6底端分别粘 有两个泡沫板2，泡沫板2内镶嵌电极板3，两个电极板3各自引出一根导线4，用于与LCR 测试仪(HIOKI3532-50型，日本日置)连接，塑料棒6的泡沫板2上可放置不同质量的铁 块5，从而改变装置的压力，测定在不同夹持力下植物叶片的生理电容；塑料棒6位于支 架内部的一端由固定夹7进行固定，当塑料棒下端与支架端合在一起时，两个电极板3就 完全对应在一起；电极板3为材质为铜的圆形极板，以减少电极的边缘效应。
本发明的使用步骤如下：使用时先将本发明装置的两根导线4与LCR测试仪的9140四端子测试探头相连，再抬起塑料棒6，使两电极板3将待测量的植物叶片夹持住，电极 板的直径为10mm，设置测定电压1.5伏，测定频率为3000Hz，塑料棒与电极片的质量为0.017kg，通过添加已知质量为0.1kg的铁块数目来改变铁块5的质量，从而改变装置的压力，测定在不同夹持力下植物叶片的生理电容。
实施例1：以构树为例。在江苏大学校园内采摘长势较为一致的不同生长环境下带有 叶片的构树新鲜枝条来进行测定，快速检测构树在特定夹持力下的植物生理电容。
步骤一，将测定装置与LCR测试仪连接；
步骤二，选取生长在土里和水边带有叶片的构树新鲜枝条，并用湿棉花包住枝条基部， 以减缓水分散发；
步骤三，迅速返回实验室，清理所述新鲜枝条上叶片表面灰尘后，采摘所述新鲜枝条 上长势较为一致的叶片；
步骤四，将叶片夹在平行板之间，设置测定电压1.5伏，测定频率为3000Hz，通过增加不同质量的铁块来设置所需的特定夹持力，迅速测定在不同夹持力下的构树叶片生理电容(如表1)；
步骤五，利用SigmPlot软件将不同夹持力及其对应的生理电容数据拟合成基于吉布斯 自由能方程与电容器的能量公式的植物叶片生理电容随夹持力变化模型，获得模型的各个 参数，如表2；其中R2为决定系数的平方，n为样本数，P为显著性指标；
步骤六，将构建模型的夹持力代入上述模型，计算出不同夹持力下的生理电容，如表 3，比对实测值与计算值，找出模型的适用范围；
步骤七，将需要的在适用范围内的被考察的夹持力4.54N、5.81N以及6.52N，代入模 型(3)中，计算出构树叶片在适用范围内的特定夹持力下的生理电容，如表4。
表1不同环境下生长的构树在不同夹持力F(单位N)下的生理电容C(单位pF)
表2不同环境下生长的构树生理电容C与夹持力F之间的关系方程及参数
表3依据模型计算的不同环境下生长的构树在不同夹持力F(单位N)下的生理电容C(单位pF)
表4在不同环境下生长的构树叶片不同的被考察的夹持力F(单位N)下的生理电容C (单位pF)
实施例2:以桑树为例，在江苏大学校园内采摘长势较为一致的不同生长环境下带有叶 片的桑树新鲜枝条来进行测定，快速检测桑树在特定夹持力下的植物生理电容。所有步骤 同实施例1。
设置测定电压1.5伏，测定频率为3000Hz，测得的在不同夹持力下的桑树叶片生理电 容，如表5所示。基于吉布斯自由能方程与电容器的能量公式推导出的桑树叶片的生理电 容随夹持力变化模型以及模型的参数如表6；将构建模型的夹持力代入上述模型，计算出 不同夹持力下的生理电容如表7，桑树叶片在适用范围内的3.32N、4.54N以及5.81N夹持力下的生理电容如表8。
表5不同环境下生长的桑树在不同夹持力F(单位N)下的生理电容C(单位pF)
表6不同环境下生长的桑树的生理电容C与夹持力F之间的关系模型及参数
表7依据模型计算的不同环境下生长的桑树在不同夹持力F(单位N)下的生理电容C (单位pF)
表8在不同环境下生长的桑树叶片不同的被考察的夹持力F(单位N)下的生理电容C (单位pF)
本发明的实施效果如下：
从表2和表6可以看出，基于吉布斯自由能方程与电容器的能量公式推导出的植物生 理电容随夹持力变化模型可以很好地表征植物生理电容与夹持力的关系。对比表3与表1、 表7与表5，可以发现，较低的夹持力如1.17-2.17N，测定有较大的误差，这可能是因为夹持力过小，电极板密封性不够，LCR测定的植物生理电容时未能真实地反映实际值。在 适用范围方面，两种植物明显不同，构树的适用测定夹持力在4.17-7.17N之间，最适应的 测定夹持力在4.17-6.17N之间，此时的平均误差仅为5.30％，而桑树的适用测定夹持力在3.17-6.17N之间(7.17N的夹持力导致液体渗出)，此时的平均误差仅为4.86％。实施例1 和2的夹持力必须满足适用的测定夹持力范围。
实施例1和2中，被考察的夹持力3.32N、4.54N、5.81N以及6.52N难以找到合适的铁块来实现，在我们的实验中，只能方便地获得1.17N、2.17N、3.17N、4.17N、5.17N、 6.17N及7.17N等夹持力的铁块(塑料棒与电极片的质量为0.017Kg)，因此只能用本发明 通过已构建的模型间接计算出在3.32N、4.54N、5.81N以及6.52N夹持力下的生理电容。 从表4和表8的结果可以看出，计算结果与实际相符。也就是说本实施例能够实现夹持力 在适用的测定夹持力范围内微小变化下的植物生理电容的测定。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的 限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要 付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种测定特定夹持力下的植物生理电容的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将测定装置与LCR测试仪连接；
步骤二，选取生长在不同环境下带有叶片的待测植物的新鲜枝条，并包住枝条基部；
步骤三，清理新鲜枝条上叶片，并采摘长势较为一致的叶片；
步骤四，将叶片夹在测定装置平行电极板之间，设置测定电压、频率，通过改变铁块的质量来设置所需的特定夹持力，并测定在不同夹持力下的植物生理电容；
步骤五，构建植物叶片的生理电容随夹持力变化模型，获得模型的各个参数；
步骤六，将构建模型的夹持力代入步骤五的模型中，计算出不同夹持力下的生理电容，比对实测值与计算值，找出模型的适用范围；
步骤七，将需要的在适用范围内的被考察的夹持力，代入步骤五的模型中，可计算获得被考察植物叶片在特定夹持力下的生理电容。
2.根据权利要求1所述的一种测定特定夹持力下的植物生理电容的方法，其特征在于：所述测定装置包括支架(1)、泡沫板(2)、电极板(3)、导线(4)、铁块(5)、塑料棒(6)及固定夹(7)，支架(1)为矩形框架结构、且一侧开放，支架(1)上端开有通孔，供塑料棒(6)伸入，支架(1)下端朝内一侧及塑料棒(6)底端分别粘有两个泡沫板(2)，泡沫板(2)内镶嵌电极板(3)，两个电极板(3)各自引出一根导线(4)，塑料棒(6)的泡沫板(2)上可放置不同质量的铁块(5)，塑料棒(6)位于支架内部的一端由固定夹(7)进行固定。
3.根据权利要求2所述的一种测定特定夹持力下的植物生理电容的方法，其特征在于：所述电极板(3)为圆形极板，所述电极板(3)的材质为铜。
4.根据权利要求1所述的一种测定特定夹持力下的植物生理电容的方法，其特征在于：所述步骤四中特定夹持力的设置方法为：通过增加不同质量的铁块，依据重力学公式：F＝(M+m)g计算出夹持力F，式中F为夹持力，单位N；M为铁块质量，m为塑料棒与电极片的质量，kg；g是重力加速度为9.8N/kg。
5.根据权利要求1所述的一种测定特定夹持力下的植物生理电容的方法，其特征在于：所述步骤五中，植物叶片的生理电容C随夹持力F变化方程为；ΔH为系统的内能，U为测试电压，V为植物细胞体积。
6.根据权利要求5所述的一种测定特定夹持力下的植物生理电容的方法，其特征在于：令所述变化方程可变形为C＝y0+kF；其中y0和k为模型参数。
7.根据权利要求5所述的一种测定特定夹持力下的植物生理电容的方法，其特征在于：所述变化方程是基于吉布斯自由能方程与电容器的能量公式推导出的，吉布斯自由能方程表达为ΔG＝ΔH+PV，电容器的能量公式表达为W为电容器的能量，等于吉布斯自由能ΔG转化的功，即W＝ΔG，其中P为植物细胞受到的压强。
8.根据权利要求7所述的一种测定特定夹持力下的植物生理电容的方法，其特征在于：所述植物细胞受到的压强P由压强公式求出，其中S为极板作用下的有效面积。
9.一种如权利要求1所述的测定特定夹持力下的植物生理电容的装置，其特征在于：包括支架(1)、泡沫板(2)、电极板(3)、导线(4)、铁块(5)、塑料棒(6)及固定夹(7)，支架(1)为矩形框架结构、且一侧开放，支架(1)上端开有通孔，供塑料棒(6)伸入，支架(1)下端朝内一侧及塑料棒(6)底端分别粘有两个泡沫板(2)，泡沫板(2)内镶嵌电极板(3)，两个电极板(3)各自引出一根导线(4)，塑料棒(6)的泡沫板(2)上可放置不同质量的铁块(5)，塑料棒(6)位于支架内部的一端由固定夹(7)进行固定。
10.根据权利要求9所述的测定特定夹持力下的植物生理电容的装置，其特征在于：所述电极板(3)为圆形极板，所述电极板(3)的材质为铜。
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20180925 |
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |