RU2461814C1 - METHOD FOR DETERMINING MOISTURE CONTENT IN LEAVES OF PLANTS in vivo - Google Patents
METHOD FOR DETERMINING MOISTURE CONTENT IN LEAVES OF PLANTS in vivoDownload PDFInfo
- Publication number
- RU2461814C1 RU2461814C1RU2011102428/28ARU2011102428ARU2461814C1RU 2461814 C1RU2461814 C1RU 2461814C1RU 2011102428/28 ARU2011102428/28 ARU 2011102428/28ARU 2011102428 ARU2011102428 ARU 2011102428ARU 2461814 C1RU2461814 C1RU 2461814C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- water
- optical
- wavelength
- sheet
- radiation
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Translated fromRussianИзобретение относится к аграрным технологиям и может быть использовано в мелиорации для контролируемого и оптимального орошения растений независимо от типа почв как в полевых условиях, так и в теплицах. Неинвазивный контроль в реальном времени содержания влаги в листьях живых растений позволяет создавать энергосберегающие технологии при оптимальном расходе влаги при автоматическом режиме полива.The invention relates to agricultural technologies and can be used in land reclamation for a controlled and optimal irrigation of plants, regardless of soil type, both in the field and in greenhouses. Non-invasive control in real time of the moisture content in the leaves of living plants allows you to create energy-saving technologies with optimal moisture consumption during automatic irrigation.
Известен способ определения содержания влаги (воды) в листьях, включающий взвешивание оторванного от растения листа, его высушивание и повторное взвешивание анализатором влажности ЭВЛАС-2М, который соединяет в себе электронные весы, сушильный шкаф с тороидальной формой встроенного инфракрасного нагревательного элемента, позволяющего равномерно высушивать пробу, эксикатор для охлаждения и калькулятор для расчетов. "ЭВЛАС-2М" представляет собой компактный, доступный и высокоточный анализатор влаги. Область применения этого анализатора влажности: контроль содержания влаги в сырье, продуктах и полуфабрикатах пищевой и перерабатывающей промышленности, химических веществах, фармацевтической продукции, строительных материалах и прочих материалах (http://spblab.ru/vlagomer_evlas2m).A known method for determining the moisture content (water) in leaves, including weighing a leaf torn from a plant, drying it and re-weighing the moisture analyzer EVLAS-2M, which combines an electronic balance, an oven with a toroidal shape of an integrated infrared heating element that allows you to evenly dry the sample , desiccator for cooling and calculator for calculations. EVLAS-2M is a compact, affordable and highly accurate moisture analyzer. The scope of this moisture analyzer is: monitoring the moisture content in raw materials, products and semi-finished products of the food and processing industry, chemicals, pharmaceuticals, building materials and other materials (http://spblab.ru/vlagomer_evlas2m).
Однако такой простой способ требует время на процесс высушивания, кроме того, не позволяет автоматизировать процесс контроля полива растений и не позволяет определять содержание влаги в живом листе растения.However, such a simple method requires time for the drying process, in addition, it does not allow to automate the process of monitoring watering plants and does not allow to determine the moisture content in the living leaf of the plant.
Известен способ определения содержания влаги (воды) в листьях чая на основе диэлькометрического изменения электрической емкости массы листьев и их взвешивания (см. патент JP №56070453, МПК G01N 27/22).A known method of determining the moisture content (water) in tea leaves based on dielcometric changes in the electrical capacity of the mass of leaves and their weighing (see JP patent No. 56070453, IPC G01N 27/22).
Однако данный способ не позволяет измерить содержание влаги в листьях живых растений и оптимизировать процесс полива.However, this method does not allow to measure the moisture content in the leaves of living plants and to optimize the irrigation process.
Наиболее близким к заявляемому является способ определения содержания влаги (воды) в листьях (см. патент WO №2007129648, МПК G01N 21/31; A01G 7/00). В основе неинвазивного способа определения содержания воды в листьях лежит измерение спектрального коэффициента отражения света от зондируемых листьев в инфракрасной области.Closest to the claimed is a method for determining the moisture content (water) in the leaves (see patent WO No. 2007129648, IPC G01N 21/31; A01G 7/00). The non-invasive method for determining the water content in leaves is based on measuring the spectral reflectance of light from the probed leaves in the infrared region.
Основным недостатком данного способа является невозможность учета эффектов рассеяния ИК-излучения в листьях растений, которые при зондировании представляют собой оптически неоднородную среду и сильную зависимость коэффициента отражения от процессов рассеяния ИК-излучения в листьях и соответственно необходимость построения модели, что приводит к значительным погрешностям определения содержания воды в различных по структуре листьев растений.The main disadvantage of this method is the impossibility of taking into account the effects of infrared radiation scattering in plant leaves, which when sensing is an optically inhomogeneous medium and a strong dependence of the reflection coefficient on the processes of infrared radiation scattering in leaves and, accordingly, the need to build a model, which leads to significant errors in determining the content water in various structure of plant leaves.
Задачей изобретения является возможность неинвазивного контроля содержания влаги в живых листьях независимо от типа растения и оптимизации расхода воды при искусственном орошении, а также автоматизация расхода воды для промышленного полива растений при использовании компактных переносных оптических датчиков.The objective of the invention is the possibility of non-invasive control of the moisture content in living leaves, regardless of plant type and optimization of water flow during artificial irrigation, as well as automation of water flow for industrial irrigation of plants using compact portable optical sensors.
Технический результат заключается в возможности определения содержания влаги (воды) в листьях in vivo в реальном времени на основе двухволнового резонансного зондирования ИК-излучением ИК светодиодов или инжекционных лазерных диодов и измерением интенсивности прошедшего излучения.The technical result consists in the possibility of determining the moisture (water) content in leaves in vivo in real time based on two-wave resonance sounding by infrared radiation of IR LEDs or injection laser diodes and measuring the intensity of transmitted radiation.
Поставленная задача решается тем, что в способе определения содержания влаги в листьях растений in vivo, включающем зондирование листа оптическим пучком с длиной волны в ближнем ИК диапазоне, измерение интенсивности оптического излучения на входе (Ii) и после взаимодействия с листом (Io) на выходе, согласно решению одновременно соосно зондируют лист оптическим пучком на двух длинах волн ближнего ИК диапазона, соответствующих максимуму поглощения воды на обертонах колебаний молекулы воды 1400 нм≤λw≤1500 нм либо 870 нм≤λw≤2000 нм и минимуму поглощения хлорофилла и воды в диапазоне 800 нм≤λm≤1200 нм, определяют интенсивность прошедшего лист оптического ИК-излучения или соответствующую оптическую плотность Dλw,λm на этих длинах волн, при этом содержание воды в листе in vivo определяют из соотношенияThe problem is solved in that in a method for determining the moisture content in plant leaves in vivo, including sensing the sheet with an optical beam with a wavelength in the near infrared range, measuring the intensity of optical radiation at the input (Ii ) and after interacting with the sheet (Io ) on output according to the decision simultaneously probed sheet coaxially optical beam at two wavelengths of near-infrared, corresponding to the maximum water absorption at overtones of the molecular vibrations of
где Nw - процентное содержание молекул воды в листьях;where Nw is the percentage of water molecules in the leaves;
Dλw и Dλm - локальная оптическая плотность листа на длине волны λw и λm;Dλw and Dλm - local optical density of the sheet at a wavelength of λw and λm ;
D*λw и D*λm - оптическая плотность, соответствующая поглощению молекулами воды ИК излучения на длине волны λw и λm в кювете толщиной L;D *λw and D *λm are the optical densities corresponding to the absorption by the water molecules of infrared radiation at a wavelength of λw and λm in a cell of thickness L;
(Ii)λw, λm - интенсивность входного ИК-излучения на длине волны λw и λm;(Ii ) λw , λm is the intensity of the input infrared radiation at a wavelength of λw and λm ;
(Io) λw, λm - интенсивность прошедшего лист ИК-излучения на длине волны λw и λm;(Io ) λw , λm - the intensity of the transmitted sheet of infrared radiation at a wavelength of λw and λm ;
(Ii)*λw, λm - интенсивность входного ИК-излучения на длине волны λw и λm при зондировании кюветы толщиной L с водой;(Ii ) * λw , λm is the intensity of the input infrared radiation at a wavelength of λw and λm when probing a cell of thickness L with water;
(Io)*λw, λm - интенсивность ИК-излучения на длине волны λw и λm прошедшего кювету с водой толщиной L;(Io ) * λw , λm is the intensity of infrared radiation at a wavelength of λw and λm passed through a cell with water of thickness L;
d - толщина листа растения в области оптического зондирования.d is the thickness of the plant leaf in the field of optical sensing.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена блок-схема устройства для реализации предлагаемого способа определения содержания влаги в листьях растений in vivo, на фиг.2 представлена спектральная зависимость оптической плотности воды в видимой и ближней инфракрасной области спектра 400 нм-2500 нм для кюветы толщиной 1 см, измеренные с помощью спектрофотометра Cary-4525, на фиг.3 представлены типичные спектральные зависимости поглощения хлорофиллом (а, b) оптического излучения в видимой области спектра 390 нм-690 нм, на фиг.4 представлена экспериментальная зависимость оптического спектра пропускания в ультрафиолетовой, видимой и ИК области спектра зеленого листа растения (тополь) in vitro: свежесорванного (1) и высушенного (2) при комнатной температуре в течение 3-х дней, измеренного на спектрометре Perkin Elmer-Lambda 950,The invention is illustrated by drawings. Figure 1 presents a block diagram of a device for implementing the proposed method for determining the moisture content in plant leaves in vivo, figure 2 shows the spectral dependence of the optical density of water in the visible and near infrared
гдеWhere
1 - генератор низкочастотных колебаний для импульсной модуляции интенсивности излучения светодиодов или инжекционных полупроводниковых лазеров 2 и 3;1 - low-frequency oscillation generator for pulsed modulation of the radiation intensity of LEDs or
2 - светодиод или инжекционный полупроводниковый лазер, максимум излучения которого соответствует спектральной области 800 нм≤λm≤1200 нм;2 - LED or injection semiconductor laser, the maximum radiation of which corresponds to the spectral region of 800 nm≤λm ≤1200 nm;
3 - светодиод или инжекционный полупроводниковый лазер, максимум излучения которого соответствует спектральной области 1400 нм≤λw≤1500 нм или 1870 нм≤λw≤2000 нм, совпадающей с колебательными пиками поглощения молекулы воды;3 - LED or injection semiconductor laser, the maximum radiation of which corresponds to the spectral region of 1400 nm≤λw ≤1500 nm or 1870 nm≤λw ≤2000 nm, which coincides with the vibrational absorption peaks of the water molecule;
4, 5 - микролинзы, формирующие зондирующие оптические пучки;4, 5 - microlenses forming probing optical beams;
6 - оптический смеситель соосных оптических пучков;6 - optical mixer coaxial optical beams;
7 - зондируемый «живой» лист растения 12;7 - probed "live" leaf of a plant 12;
8 - делитель оптического пучка;8 - optical beam splitter;
9 - кремниевый фотодиод, детектирующий ИК-излучение излучателя 2 в диапазоне 800-1200 нм;9 - silicon photodiode detecting the infrared radiation of the
10 - германиевый фотодиод, детектирующий излучение излучателя 2 в диапазоне 1400-1500 нм при наличии фильтра из кремния, пропускающего ИК-излучение с длиной волны больше 1200 нм; либо ИК фотосопротивление для детектирования излучения в диапазоне 1870 нм-2000 нм;10 - germanium photodiode detecting the radiation of the
11 - измеритель фототока и микропроцессор для вычисления концентрации воды в листе в соответствии с соотношением (1).11 - photocurrent meter and microprocessor for calculating the concentration of water in the sheet in accordance with the ratio (1).
Способ реализуется с помощью устройства, состоящего из генератора, низкочастотных колебаний 1, который осуществляет импульсную низкочастотную модуляцию интенсивности излучения светодиодов или инжекционных полупроводниковых лазеров 2 и 3, вследствие модуляции их тока инжекции. Микролинзы 4 и 5, формирующие ИК оптические пучки с помощью оптического смесителя 6, создают соосные оптические пучки, зондирующие исследуемый лист 7 растения 12 in vivo. ИК оптическое излучение, прошедшее лист 7, с помощью делителя 8 направляется на кремниевый 9 и германиевый фотодиоды или фотосопротивления 10, селективно детектирующие это излучение. При этом кремниевый фотодиод 9 детектирует ИК-излучение только светодиода или инжекционного полупроводникового лазера 2 с диапазоном 800 нм≤λm≤1200 нм, а германиевый фотодиод 10, детектирующий излучение излучателя 3 в диапазоне 1400-1500 нм при наличии фильтра из кремния, пропускающее ИК-излучение с длиной волны больше 1200 нм либо фотосопротивление, детектирующее соответствующее ИК излучение в диапазоне 1870 нм-2000 нм. Фототок фотодиодов 9 и 10, пропорциональный прошедшей лист интенсивности ИК-излучения, используется в микропроцессоре 11 для вычисления содержания влаги в листе растений в соответствии с рабочей формулой (1).The method is implemented using a device consisting of a generator of low-
Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.
В каждом из двух полупроводниковых инжекционных лазерных диодах или светодиодах 2, 3 устанавливают, выбором соответствующего тока инжекции диодов, постоянное значение выходной оптической мощности в двух выбранных спектральных диапазонах в ближней инфракрасной области (Ii)λw,λm. С помощью генератора 1 осуществляется низкочастотная импульсная модуляция тока инжекции диодов со скважностью, равной двум, что приводит к импульсной модуляции оптической мощности излучения диодов. Микролинзы 4, 5 формируют зондирующие оптические пучки, а оптический смеситель 6 позволяет создать соосный оптический пучок, с помощью которого просвечивают исследуемый лист 7 растения 12 in vivo. Оптическое ИК-излучение, прошедшее исследуемый лист 7 с помощью делителя оптического пучка 8, направляется на два фотодетектора, представляющего собой кремниевый фотодиод 9 для детектирования ИК-излучения излучателя 2 в диапазоне 800 нм-1200 нм и германиевый фотодиод 10 или ИК фотосопротивление, детектирующее излучение излучателя 3 в диапазоне 1400 нм-1500 нм или 1870 нм-2000 нм. Измеритель фототоков диодов 9 и 10, пропорциональных оптической интенсивности для каждой из двух длин волн, используется микропроцессором 11 для вычисления по соотношению (1) концентрации воды в зондируемом листе в реальном времени.In each of the two semiconductor injection laser diodes or
В основе способа определения воды в листьях in vivo лежат спектральные зависимости коэффициентов поглощения воды в ближней инфракрасной области, представленные на фиг.2, и спектры поглощения хлорофилла в зеленых листьях, представленные на фиг.3, а также экспериментальные исследования спектра пропускания в ультрафиолетовой, видимой и ИК области спектра in vitro, проведенного авторами, свежесорванного (1) и высушенного (2) зеленого листа растения (тополь) и представленные на фиг.4.The method for determining water in leaves in vivo is based on the spectral dependences of the absorption coefficients of water in the near infrared region shown in Fig.2, and the absorption spectra of chlorophyll in green leaves, presented on Fig.3, as well as experimental studies of the transmission spectrum in ultraviolet, visible and the IR region of the in vitro spectrum, carried out by the authors, freshly picked (1) and dried (2) green leaves of the plant (poplar) and shown in Fig.4.
Для оптического сигнала, несущего информацию о концентрации воды в данном способе, используется ИК колебательная спектроскопия, в частности, измеряется селективное поглощение на обертонах основного характеристического колебания трехатомной молекулы воды на длине волны 2,93 мкм с шириной полосы 2,77 мкм-3,14 мкм. Из литературных данных и измерений известно, что коэффициент поглощения в этой резонансной спектральной области превышает 104 см-1, т.е. на толщине слоя воды в 1 микрон сигнал уменьшается в 2,7 раза, а при толщине в 10 микрон интенсивность света уменьшается в 5·105 раз. Поэтому для практической реализации данного способа использовать зондирование оптическим пучком с длиной волны, соответствующей 2,93 микрона, не представляется возможным, вследствие очень сильного поглощения.For an optical signal that carries information about the concentration of water in this method, IR vibration spectroscopy is used, in particular, the selective absorption on the overtones of the main characteristic vibration of a triatomic water molecule at a wavelength of 2.93 μm with a bandwidth of 2.77 μm-3.14 is measured microns. From literature data and measurements it is known that the absorption coefficient in this resonant spectral region exceeds 104 cm-1 , i.e. at a thickness of a water layer of 1 micron, the signal decreases by 2.7 times, and at a thickness of 10 microns, the light intensity decreases by 5 · 105 times. Therefore, for the practical implementation of this method, it is not possible to use sounding with an optical beam with a wavelength corresponding to 2.93 microns, due to very strong absorption.
В заявляемом способе предлагается использовать резонансное поглощение, обусловленное нелинейными свойствами колебаний молекул, в частности поглощение на обертонах основных характеристических колебаний молекул воды, так как коэффициент поглощения уже на первом обертоне на два порядка меньше и составляет величину порядка 10-2 см-1, поэтому на толщине 100 микрон прошедшее оптическое излучение уменьшится в 2.7 раза. Так как анализируемая вода находится в жидкой фазе, то полоса поглощения на обертонах молекулы воды достаточно широка от 1400 нм≤ до ≤1500 нм, с максимумом на длине волны 1450 нм, а также полоса поглощения воды в диапазоне 1870 нм≤λw≤2000 нм с максимумом на длине волны 1935 нм, что и определяет выбор зондируемой длины волны λw для детектирования влаги в листьях в зависимости от толщины листьев зондируемого растения, причем при более толстых листьев используется диапазон от 1400 нм≤ до≤1500 нм. В отличие от измерений поглощения в воде при детектировании оптического излучения в листе растений, обладающем клеточной пространственной неоднородностью, возникает существенная проблема рассеяния оптического излучения. При зондировании оптическим излучением тонкой среды (листа растений толщиной d) выходная интенсивность (Io)λw,λm=(Ii)λw,λmφ·e-µd будет определяться коэффициентом экстинкции µ, зависящем как от коэффициента поглощения на данной длине волны µa, так и от коэффициента рассеяния µs, причем µ=µа+µs. Авторами предлагается для исключения влияния эффекта рассеяния использовать оптическое зондирование на второй длине волны, которая не попадает в полосу поглощения молекул воды, а также в ИК полосу поглощения хлорофилла (с максимумом 670 и 650 нм, а также 430 и 470 нм и минимумом с длиной волны 555 нм, см. фиг.3, но достаточна близка по спектральному диапазону к λw). В предлагаемом способе вследствие близости длин волн ближнего ИК диапазона λw и λm по сравнению с характерными размерами неоднородности в листьях коэффициент рассеяния µs на двух длинах λm и λw волн будет практически одинаков, поэтому при оптическом зондировании листа растения должны выполняться следующие соотношения:In the inventive method, it is proposed to use resonance absorption due to the nonlinear properties of the molecular vibrations, in particular the absorption on the overtones of the main characteristic vibrations of water molecules, since the absorption coefficient on the first overtone is two orders of magnitude smaller and amounts to about 10-2 cm-1 , therefore a thickness of 100 microns, the transmitted optical radiation will decrease by a factor of 2.7. Since the analyzed water is in the liquid phase, the absorption band at the overtones of the water molecule is wide enough from 1400 nm≤ to ≤1500 nm, with a maximum at a wavelength of 1450 nm, and also the absorption band of water in the range of 1870 nm≤λw ≤2000 nm with a maximum at a wavelength of 1935 nm, which determines the choice of the probed wavelength λw for detecting moisture in the leaves depending on the thickness of the leaves of the probed plant, and with thicker leaves, a range from 1400 nm≤ to≤1500 nm is used. In contrast to measurements of absorption in water, when optical radiation is detected in a plant leaf with cellular spatial heterogeneity, a significant problem arises of the scattering of optical radiation. When optical medium is probed with a thin medium (a plant leaf of thickness d), the output intensity (Io ) λw , λm = (Ii ) λw , λmφ · e-µd will be determined by the extinction coefficient µ, which depends on the absorption coefficient on this the wavelength µa and the scattering coefficient µs , with µ = µa + µs . To eliminate the influence of the scattering effect, the authors propose using optical sensing at a second wavelength, which does not fall into the absorption band of water molecules, as well as into the IR absorption band of chlorophyll (with a maximum of 670 and 650 nm, as well as 430 and 470 nm and a minimum with a wavelength 555 nm, see figure 3, but sufficiently close in spectral range to λw ). In the proposed method, due to the proximity of the wavelengths of the near-IR range λw and λm compared to the characteristic sizes of heterogeneity in the leaves, the scattering coefficient µs at two wavelengths λm and λw will be almost the same, therefore, when optical sensing of a plant leaf, the following relations :
из которых нетрудно получить рабочую формулу (1), предварительно измерив спектральный коэффициент сечения поглощения воды (εw)λw,λm (см2) в ИК диапазоне на длине волны λw и λm в кювете с фиксированной толщиной L для концентрации молекул воды Nw (см-3). Следует отметить, что калибровку, т.е. определение соответствующего значения селективного коэффициента поглощения воды на волнах λw и λm можно осуществлять предварительно, в лабораторных условиях, и соответствующие значения ввести в микропроцессор 11. Для получения максимальной чувствительности предлагаемым методом калибровку поглощения воды необходимо проводить при толщине кюветы, соизмеримой с толщиной листа растения.of which it is not difficult to obtain the working formula (1) by first measuring the spectral coefficient of the absorption cross section of water (εw ) λw , λm (cm2 ) in the IR range at a wavelength of λw and λm in a cell with a fixed thickness L for the concentration of molecules water Nw (cm-3 ). It should be noted that calibration, i.e. determination of the appropriate value of the selective coefficient of water absorption on the waves λw and λm can be carried out previously, in the laboratory, and enter the corresponding values into the microprocessor 11. To obtain maximum sensitivity by the proposed method, the calibration of water absorption must be carried out at a cell thickness comparable with the thickness of the plant sheet .
Экспериментальные результаты измерения спектра пропускания зеленого листа растения в УФ, видимой и ближней и средней ИК области, представленные на фиг.4, подтверждают возможность и обоснованность соответствующего спектрального выбора длин волн для дискретного зондирования на двух длинах волн для определения содержания воды в листьях живых растений. Для свежесорванного листа минимальное пропускание достигает 7,9% на длине волны 1930 нм, а на другом обертоне поглощения воды минимальное пропускание составляет 26,6% на длине волны 1475 нм. Однако при высушивании листа в течение 3-х дней пропускание на этих длинах волн возрастает до 52% и 56% соответственно. Из фиг.4 видно, что изменение спектров пропускания в области поглощения хлорофилла (а) и (б) за это время не произошло, в то время как возрастание коэффициента пропускания в соответствующих спектральных полосах 1400 нм ≤ до ≤1500 нм и 1870 нм≤λw≤2000 нм обусловлено изменением концентрации воды и соответственно поглощения воды в зондируемом сухом листе. Остаточное поглощение воды в соответствующей спектральных областях связано с внутриклеточной связанной водой. Зондирование в ИК спектральной области, не связанной поглощением воды и хлорофилла, 800 нм≤λm≤1200 нм позволяет учесть процессы рассеяния света на клеточных неоднородностях и влияние на них воды.The experimental results of measuring the transmission spectrum of the green leaf of the plant in the UV, visible and near and middle IR region, presented in figure 4, confirm the feasibility and validity of the corresponding spectral choice of wavelengths for discrete sensing at two wavelengths to determine the water content in the leaves of living plants. For a freshly torn sheet, the minimum transmittance reaches 7.9% at a wavelength of 1930 nm, and on another overtone of water absorption, the minimum transmittance is 26.6% at a wavelength of 1475 nm. However, when the sheet is dried for 3 days, the transmission at these wavelengths increases to 52% and 56%, respectively. Figure 4 shows that there was no change in the transmission spectra in the absorption region of chlorophyll (a) and (b) during this time, while an increase in the transmittance in the corresponding spectral bands of 1400 nm ≤ to ≤1500 nm and 1870 nm ≤λw ≤2000 nm is due to a change in the concentration of water and, accordingly, the absorption of water in the probed dry sheet. The residual absorption of water in the corresponding spectral regions is associated with intracellular bound water. Sensing in the IR spectral region not related to the absorption of water and chlorophyll, 800 nm≤λm ≤1200 nm, allows one to take into account the processes of light scattering on cellular heterogeneities and the effect of water on them.
Таким образом, при ИК оптическом бесконтактном зондировании листа 7 растения 12 измеряется интенсивность входного пучка (измерение без листа) на двух длинах волн λw и λm и интенсивность прошедшего пучка после помещения листа между оптическим излучателем и приемником, при этом зондирование на двух длинах волн λw и λm позволяет определить концентрацию воды в листьях при типичном уровне содержания влаги с учетом эффектов рассеяния в пространственно-неоднородной клеточной структуре листа растений.Thus, with IR optical non-contact sounding of the sheet 7 of plant 12, the intensity of the input beam (measurement without sheet) at two wavelengths λw and λm and the intensity of the transmitted beam after placing the sheet between the optical emitter and the receiver are measured, while sounding at two wavelengths λw and λm allows you to determine the concentration of water in the leaves at a typical level of moisture content, taking into account the effects of scattering in the spatially heterogeneous cell structure of the plant leaf.
Для технической реализации способа существуют недорогие и компактные оптические излучатели типа ИК инжекционных полупроводниковых лазеров или светодиодов, а также существуют недорогие, долговечные, быстродействующие фотоприемники - фотодиоды на основе кремния и германия.For the technical implementation of the method, there are inexpensive and compact optical emitters such as IR injection semiconductor lasers or LEDs, and there are also inexpensive, durable, high-speed photodetectors - silicon and germanium-based photodiodes.
Claims (1)
Translated fromRussian
где Nw - процентное содержание молекул воды в листьях;
Dλw и Dλm - локальная оптическая плотность листа на длине волны λw и λm;
D*λw, и D*λm - оптическая плотность, соответствующая поглощению молекулами воды ИК излучения на длине волны λw и λm в кювете толщиной L;
(Ii)λw,λm - интенсивность входного ИК излучения на длине волны λw и λm;
(I0)λw,λm - интенсивность прошедшего лист ИК излучения на длине волны λw и λm;
(Ii)*λw,λm - интенсивность входного ИК излучения на длине волны λw, и λm при зондировании кюветы толщиной L с водой;
(I0)*λw,λm - интенсивность ИК излучения на длине волны λw и λm прошедшего кювету с водой толщиной L;
d - толщина листа растения в области оптического зондирования.The method of determining the moisture content in plant leaves in vivo, including sensing the sheet with an optical beam with a wavelength in the near infrared range, measuring the intensity of optical radiation at the input (Ii ) and after interacting with the sheet (Io ) at the output, characterized in that at the same time coaxially probes the sheet with an optical beam at two near-IR wavelengths corresponding to a maximum of water absorption at overtones of vibration of a water molecule 1400 nm≤λw ≤1500 nm or 1870 nm≤λw ≤2000 nm and a minimum absorption of chlorophyll and water in the range 800 nm≤λw≤1200 nm, determine the intensity of the transmitted sheet of optical IR radiation or the corresponding optical density Dλw, λm at these wavelengths, while the water content in the sheet in vivo is determined from the ratio:
where Nw is the percentage of water molecules in the leaves;
Dλw and Dλm - local optical density of the sheet at a wavelength of λw and λm ;
D *λw , and D *λm is the optical density corresponding to the absorption by the water molecules of IR radiation at a wavelength of λw and λm in a cell of thickness L;
(Ii )λw, λm is the intensity of the input infrared radiation at a wavelength of λw and λm ;
(I0 )λw, λm is the intensity of the transmitted infrared radiation sheet at the wavelength λw and λm ;
(Ii ) *λw, λm is the intensity of the input IR radiation at a wavelength of λw , and λm when probing a cell of thickness L with water;
(I0 ) *λw, λm is the intensity of infrared radiation at a wavelength of λw and λm passed through a cell with water of thickness L;
d is the thickness of the plant leaf in the field of optical sensing.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011102428/28ARU2461814C1 (en) | 2011-01-24 | 2011-01-24 | METHOD FOR DETERMINING MOISTURE CONTENT IN LEAVES OF PLANTS in vivo |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011102428/28ARU2461814C1 (en) | 2011-01-24 | 2011-01-24 | METHOD FOR DETERMINING MOISTURE CONTENT IN LEAVES OF PLANTS in vivo |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011102428A RU2011102428A (en) | 2012-07-27 |
| RU2461814C1true RU2461814C1 (en) | 2012-09-20 |
Family
ID=46850384
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011102428/28ARU2461814C1 (en) | 2011-01-24 | 2011-01-24 | METHOD FOR DETERMINING MOISTURE CONTENT IN LEAVES OF PLANTS in vivo |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2461814C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| IT201900006346A1 (en)* | 2019-04-24 | 2020-10-24 | Carlo Stella | FOLIAR DEVICE |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1467470A1 (en)* | 1987-02-25 | 1989-03-23 | Всесоюзный научно-исследовательский институт сельскохозяйственной метеорологии | Method of remote analysis of humidity above ground biological mass of agricultural crops |
| RU2127874C1 (en)* | 1992-07-28 | 1999-03-20 | Пэчен Инк. | Device to recognize objects, predominantly agricultural plants and method determining location of plant |
| US7215420B2 (en)* | 2001-03-22 | 2007-05-08 | Werner Gellerman | Optical method and apparatus for determining status of agricultural products |
| CN101403689A (en)* | 2008-11-20 | 2009-04-08 | 北京航空航天大学 | Nondestructive detection method for physiological index of plant leaf |
| CN101949825A (en)* | 2010-08-17 | 2011-01-19 | 中国农业大学 | Leaf water near infrared non-destructive testing device and method in light open environment |
- 2011
- 2011-01-24RURU2011102428/28Apatent/RU2461814C1/enactive
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1467470A1 (en)* | 1987-02-25 | 1989-03-23 | Всесоюзный научно-исследовательский институт сельскохозяйственной метеорологии | Method of remote analysis of humidity above ground biological mass of agricultural crops |
| RU2127874C1 (en)* | 1992-07-28 | 1999-03-20 | Пэчен Инк. | Device to recognize objects, predominantly agricultural plants and method determining location of plant |
| US7215420B2 (en)* | 2001-03-22 | 2007-05-08 | Werner Gellerman | Optical method and apparatus for determining status of agricultural products |
| CN101403689A (en)* | 2008-11-20 | 2009-04-08 | 北京航空航天大学 | Nondestructive detection method for physiological index of plant leaf |
| CN101949825A (en)* | 2010-08-17 | 2011-01-19 | 中国农业大学 | Leaf water near infrared non-destructive testing device and method in light open environment |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| IT201900006346A1 (en)* | 2019-04-24 | 2020-10-24 | Carlo Stella | FOLIAR DEVICE |
| WO2020217159A1 (en)* | 2019-04-24 | 2020-10-29 | Carlo Stella | Device for optical leaf analysis |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011102428A (en) | 2012-07-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN100590417C (en) | A method for non-destructive detection of physiological indicators of plant leaves | |
| KR101580606B1 (en) | Method for the laser spectroscopy of gases | |
| Laskar et al. | Optical sensing methods for assessment of soil macronutrients and other properties for application in precision agriculture: a review | |
| CN101852725B (en) | A full-spectrum transmission non-destructive detection device and method for plant biochemical parameters | |
| CN101008611A (en) | Portable fruit sugar content non-destructive detection device capable of weighing | |
| CN101424636A (en) | A device and method for rapid and non-destructive detection of green tea component content | |
| Temma et al. | Development of a portable near infrared sugar-measuring instrument | |
| CN106802284B (en) | A kind of Fiber optic near infrared spectroscopy detection system | |
| CN101975759A (en) | Transmission-type nondestructive measuring device and method of water content of plant leaves | |
| Li et al. | Measurements and analysis of water content in winter wheat leaf based on terahertz spectroscopy | |
| CN102539378A (en) | Semiconductor laser array near infrared spectrometer | |
| Min et al. | Design of a hyperspectral nitrogen sensing system for orange leaves | |
| CN101949825B (en) | Leaf water near infrared non-destructive testing device and method in light open environment | |
| RU2461814C1 (en) | METHOD FOR DETERMINING MOISTURE CONTENT IN LEAVES OF PLANTS in vivo | |
| JP2004317381A (en) | Apparatus for nondestructively measuring sugar content of fruits and vegetables | |
| CN201000430Y (en) | A portable non-destructive testing device for fruit sugar content with weighing | |
| CN102889928B (en) | 100000000 grades of bandwidth photoelectric detection instrument scaling methods | |
| Tsuchikawa et al. | Application of time-of-flight near infrared spectroscopy for detecting sugar and acid contents in apples | |
| US9976950B2 (en) | Optical detector module, measurement system and method of detecting presence of a substance in a test material | |
| RU161644U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS | |
| Nishida et al. | Measurement of Water Vapor Concentration in Narrow Channel of PEFC Using Fiber-Optic Sensor Based on Laser Absorption Spectroscopy | |
| KR200404482Y1 (en) | Portable Data Aquisition Apparatus for Internal Qualtity of Fruits | |
| CN202710470U (en) | Array type semiconductor laser unit near infrared spectroscopy analysis meter | |
| WO2021185892A1 (en) | Communication system, monitoring system and related methods | |
| Zheng et al. | Effect of ion concentration on the temperature measurement model of extracellular fluid by near-infrared spectroscopy |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TC4A | Altering the group of invention authors | Effective date:20121224 |