作物茎秆膨胀收缩监测柔性可穿戴传感器研制与试验

作物茎秆膨胀和收缩变化与其水分状态密切相关,实时监测茎秆的膨胀和收缩变化能够及时掌握作物水分状态,对指导灌溉、提高农业水资源利用率具有重要意义。目前,对于作物茎秆膨胀和收缩变化的监测主要采用基于线性微位移测量原理的传感器,通过测量茎秆的膨胀和收缩引起的位移变化来反映水分状态,存在体积大、价格高、安装不便等问题。为此,该研究提出了一种基于压阻效应的柔性可穿戴传感器,采用柔性压力电极作为传感元件,贴附在作物茎秆表面,通过监测茎秆膨胀和收缩引起的压力变化来反映作物的水分状态,压力检测电路和数据采集电路将作物茎秆的压力信号转换成电信号进行输出和存储。首先在实验室环境下对传感器性能进行测试和标定,然后在温室环境下将传感器安装在番茄茎秆上观测番茄茎秆的压力变化,并与线性微位移传感器观测结果进行比较,最后在充分灌溉和水分亏缺2种条件下观测番茄茎秆的膨胀和收缩变化。结果表明,柔性压力传感器稳定性测试的平均相对变化率为0.109%;弯折前后引起的输出变化非常小,可以忽略不计;标定结果的决定系数大于0.99,最合适的工作压力范围为2~100 kPa;实验室环境下,柔性压力传感器与线性微位移传感器输出值之间的决定系数为0.9551;温室环境下,充分灌溉组中柔性压力传感器与线性微位移传感器输出值变化趋势一致,两者之间的决定系数为0.7672,亏缺灌溉组中两类传感器输出值均因水分亏缺而呈现下降趋势,输出值之间的决定系数为0.8519。本文所设计的柔性可穿戴压力传感器不仅能够实时监测番茄茎秆的膨胀和收缩变化,还可以对番茄亏水胁迫进行诊断,为实现高效节水灌溉提供重要的技术支撑。

流场中两个圆柱体之间的水动力相互作用

此文对无黏性不可压缩流场中两个可以膨胀和收缩的运动圆柱体间的水动力相互作用问题进行了理论研究。研究方法是以圆定理和复变函数为工具,通过建立坐标变换关系,运用连续补函数方法求得流场中两个圆柱体运动下流场的复势,然后通过对复势的曲线积分得到了运动物体的附加质量矩阵,并利用Lagrange方程建立了由物体和液体组成的哈密顿系统中运动物体的动力学方程组,最后计算出这些物体的运动轨迹。此文用不同方法部分验证了Wang的结论:当两个圆柱体同时膨胀(收缩),或沿它们的连心线运动时,它们相互排斥;当一个圆柱体膨胀而另一个圆柱体收缩,或两圆柱体垂直于它们的连心线运动时,它们相互吸引。研究发现,由于附加质量被引入到物体的加速度变化中,在完全的水动力流固耦合下,膨胀(收缩)的运动圆柱系统显示出复杂的非线性特性。