全文摘要
本实用新型公开了一种测量植物根系力学性质的设备，所述设备包括载体(1)和图像采集装置(2)，所述载体(1)与待测量的植物根系(3)接触，所述载体(1)能够在植物根系(3)的作用力下发生形变，并通过图像采集装置(2)采集其形变过程的图像。本实用新型提供的测量植物根系力学性质的设备结构简单，通用性强，能够对植物根系进行无损检测，检测效率和精度高。
主设计要求
1.一种测量植物根系力学性质的设备，其特征在于，所述设备包括载体(1)和图像采集装置(2)，其中，所述载体(1)与待测量的植物根系(3)接触，所述载体(1)能够在植物根系(3)的作用力下发生形变，并通过图像采集装置(2)采集其形变过程的图像；在所述载体(1)的表面喷涂有散斑，形成散斑图案，所述散斑图案在光源照射下被图像采集装置(2)捕获；所述测量植物根系力学性质的设备还包括培养箱(4)，在所述培养箱(4)中盛装有培养液，以供给植株生长所需营养。
设计方案
1.一种测量植物根系力学性质的设备，其特征在于，所述设备包括载体(1)和图像采集装置(2)，其中，
所述载体(1)与待测量的植物根系(3)接触，所述载体(1)能够在植物根系(3)的作用力下发生形变，并通过图像采集装置(2)采集其形变过程的图像；
在所述载体(1)的表面喷涂有散斑，形成散斑图案，所述散斑图案在光源照射下被图像采集装置(2)捕获；
所述测量植物根系力学性质的设备还包括培养箱(4)，在所述培养箱(4)中盛装有培养液，以供给植株生长所需营养。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述载体(1)由橡胶、聚氨酯或硅胶制成。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述载体(1)与植物根系(3)接触的部位设置有砂纸，以防止植物根系与载体产生滑动。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述载体(1)和植物根系(3)分别通过载体装夹装置(5)和植物根系固定装置(6)固定于培养箱(4)中，使得载体(1)与水平面平行，且植物根系(3)垂直于水平面。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，在所述载体装夹装置(5)中设置有驱动装置(10)，使得载体装夹装置能够带动载体沿竖直方向上下移动。
6.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，在所述培养箱(4)的侧壁外部设置有固定板(9)，
在所述固定板(9)上设置有驱动装置(10)，以带动载体装夹装置(5)沿竖直方向移动。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述测量植物根系力学性质的设备还包括信息处理装置(7)，其控制图像采集装置(2)对载体(1)的形变状态进行图像采集和控制载体装夹装置(5)带动载体(1)沿竖直方向运动。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述测量植物根系力学性质的设备还包括可向载体(1)施加纵向力的施加载荷发生装置(8)，其用于标定载体(1)的弹性模量。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述施加载荷发生装置(8)包括第一横梁(81)和第二横梁(82)，二者平行设置，所述第一横梁(81)和第二横梁(82)的一端通过竖梁(83)连接，所述竖梁(83)垂直于水平面。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，在所述第二横梁(82)的两端分别设置有第二螺栓(86)和第三螺栓(87)，其中，
所述第二螺栓(86)用于固定载体(1)，所述第三螺栓(87)用于向载体(1)施加载荷。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及植物根系生长表型研究领域，具体涉及一种测量植物根系力学性质的设备。
背景技术
植物根系是植物从外界吸收水分与养分的主要器官,其具有支撑植株和保持植株姿态的作用。根系的生长过程是根系克服外界阻力,通过根毛区膨胀细胞作用，不断推动根尖纵向延伸和径向扩展的过程。
植物根系在穿透土壤生长过程中会受到土壤颗粒、岩石、其他植物根系等机械阻碍作用，而不得不做出形态、生理和生化上的改变来适应复杂多变的土壤环境。外源性机械应力能够影响植物根系的生长行为，使得根系的生长表型发生变化，对植物细胞增殖、生长发育以及凋亡起重要作用。因此，对植物根系生长力的准确测量对阐明根系生长表型的力学调控规律具有重要意义。
现有技术中对植物根系生长力的研究多为定性评价和理论分析，无法量化生长力的大小；对植物根系力学性质的研究多在根系离体环境下进行，使得根系的生物活性在一定程度上遭到了破坏，且测试结果与实际偏差较大。
因此，有必要设计一种测量植物根系力学性质的设备，其能够对植物根系生长力进行原位、精确测量。
实用新型内容
为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种测量植物根系力学性质的设备，该设备将待检测的植物根系与可发生弹性形变的载体相接触，随着植物的生长，载体发生变形，采用图像采集装置将载体变形过程中的图像采集到，然后通过信息处理装置对变形过程中的图像进行计算分析，能够得到植物根系的生长力和弹性模量，且不会对植物根系造成损伤，从而完成了本实用新型。
具体来说，本实用新型的目的在于提供以下方面：
第一方面，提供了一种测量植物根系力学性质的设备，所述设备包括载体1和图像采集装置2，其中，
所述载体1与待测量的植物根系3接触，所述载体1能够在植物根系3的作用力下发生形变，并通过图像采集装置2采集其形变过程的图像；
在所述载体1的表面喷涂有散斑，形成散斑图案，所述散斑图案在光源照射下被图像采集装置2捕获；
所述测量植物根系力学性质的设备还包括培养箱4，在所述培养箱4中盛装有培养液，以供给植株生长所需营养。
其中，所述载体1由橡胶、聚氨酯或硅胶制成。
其中，所述载体1与植物根系3接触的部位设置有砂纸，以防止植物根系与载体产生滑动。
其中，所述载体1和植物根系3分别通过载体装夹装置5和植物根系固定装置6固定于培养箱4中，使得载体1与水平面平行，且植物根系3垂直于水平面。
其中，在所述载体装夹装置5中设置有驱动装置，使得载体装夹装置能够带动载体沿竖直方向上下移动。
其中，在所述培养箱4的侧壁外部设置有固定板9，
在所述固定板9上设置有驱动装置10，以带动载体装夹装置5沿竖直方向移动。
其中，所述测量植物根系力学性质的设备还包括信息处理装置7，其控制图像采集装置2对载体1的形变状态进行图像采集和控制载体装夹装置5带动载体1沿竖直方向运动。
其中，所述测量植物根系力学性质的设备还包括可向载体1施加纵向力的施加载荷发生装置8，其用于标定载体1的弹性模量。
其中，所述施加载荷发生装置8包括第一横梁81和第二横梁82，二者平行设置，所述第一横梁81和第二横梁82的一端通过竖梁83连接，所述竖梁83垂直于水平面。
其中，在所述第二横梁82的两端分别设置有第二螺栓86和第三螺栓87，
所述第二螺栓86用于固定载体1，所述第三螺栓87用于向载体1施加载荷。
第二方面，提供了一种测量植物根系力学性质的方法，优选采用第一方面所述的设备进行，其中，所述方法包括以下步骤：
步骤1，在载体1表面喷涂散斑，然后测量载体的弹性模量；
步骤2，将植物根系3与载体1固定至培养箱4中，控制图像采集装置2采集图像，测量植物根系的纵向生长力；
步骤3，调节载体1进行竖直方向运动，测量植物根系的弹性模量。
其中，步骤2包括以下子步骤：
步骤2-1，将植物根系3固定至培养箱4中，进行适应性培养；
步骤2-2，将载体1固定至培养箱4中，使得植物根系的根尖与载体表面接触；
步骤2-3，调整图像采集装置2至适当位置，进行图像采集；
步骤2-4，利用信息处理装置7分析采集的图像，计算得到植物根系的纵向生长力。
本实用新型所具有的有益效果包括：
(1)本实用新型提供的测量植物根系力学性质的设备，结构简单，对设备的要求低，通用性强；
(2)本实用新型提供的测量植物根系力学性质的设备，实现了对植物根系的无损检测，且检测效率和精度均较高；
(3)本实用新型提供的测量植物根系力学性质的设备，实现了对植物根系生长力和弹性模量的量化检测，对阐明根系生长表型的力学调控规律具有重要意义；
(4)本实用新型提供的测量植物根系力学性质的方法，条件可控，易于实现，检测效率高。
附图说明
图1示出本实用新型一种优选实施方式的测量植物根系力学性质的设备的整体结构示意图；
图2示出本实用新型一种优选实施方式的测量载体弹性模量的设备使用示意图；
图3示出本实用新型一种优选实施方式的施加载荷发生装置的结构示意图；
图4示出本实用新型一种优选实施方式的测量植物根系弹性模量的设备使用示意图。
附图标号说明：
1-载体；
2-图像采集装置；
3-植物根系；
4-培养箱；
5-载体装夹装置；
6-植物根系固定装置；
7-信息处理装置；
8-施加载荷发生装置；
81-第一横梁；
82-第二横梁；
83-竖梁；
84-凸台；
85-第一螺栓；
86-第二螺栓；
87-第三螺栓；
9-固定板；
10-驱动装置；
11-丝杠；
12-移动平台。
具体实施方式
下面通过附图和实施方式对本实用新型进一步详细说明。通过这些说明，本实用新型的特点和优点将变得更为清楚明确。其中，尽管在附图中示出了实施方式的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本实用新型提供了一种测量植物根系力学性质的设备，如图1～4所示，所述设备包括载体1和图像采集装置2，其中，所述载体1与待测量的植物根系3接触，所述载体1能够在植物根系3的作用力下发生形变，并通过图像采集装置2采集其形变过程的图像。
在本实用新型中，所述待测量的植物根系力学性质包括根系的的纵向生长力和弹性模量，优选地，所述待测量的植物根系为单根根系。
根据本实用新型一种优选的实施方式，在所述载体1的表面喷涂有散斑，形成散斑图案，所述散斑图案在光源照射下被图像采集装置2捕获，以用于精确计算载体的形变量。
在本实用新型中，优选在载体表面喷涂有与其颜色形成强烈对比的斑点，优选将载体表面喷涂为白色，散斑为黑色。
其中，根据图像采集装置捕获的载体变形前后的图像，可以计算出载体的形变量，进而确定植物根系的纵向生长力。
在进一步优选的实施方式中，所述散斑颗粒的尺寸为3～5像素。
在进一步优选的实施方式中，所述载体1喷涂散斑的一面与图像采集装置2相对，使得散斑面完整呈现在图像采集装置视野内。
其中，所述图像采集装置优选为工业相机，通过调整其角度和角度，保证散斑面完成清晰地呈现在视野内，其与镜头光轴垂直。
根据本实用新型一种优选的实施方式，所述载体1由弹性材料制成，优选由橡胶、聚氨酯或硅胶制成。
在进一步优选的实施方式中，所述载体1由橡胶或聚氨酯制成，优选由橡胶制成。
本发明人研究发现，采用橡胶和聚氨酯制作载体，其表面喷涂的散斑分布较为均匀，由硅胶制作的载体表面的散斑易脱落；而三种材料中，橡胶的弹性模量适中，质量较轻，因此本实用新型中优选选用橡胶制作载体。
在本实用新型中，所述载体优选制作成长方体结构，如橡胶梁。
根据本实用新型一种优选的实施方式，所述载体1与植物根系3接触的部位具有一定的摩擦力，以防止植物根系与载体产生滑动；
优选地，所述载体1与植物根系3接触的部位设置有砂纸。
根据本实用新型一种优选的实施方式，所述测量植物根系力学性质的设备还包括培养箱4，在所述培养箱4中盛装有培养液，以供给植株生长所需营养。
在本实用新型中，对植株根系生长力采用的是原位测量，因此在测量过程中需要保持植株的正常生长，优选将植物采用水培的方式置于装有培养液的培养箱中。
在进一步优选的实施方式中，所述载体1和植物根系3分别通过载体装夹装置5和植物根系固定装置6固定于培养箱4中，使得载体1与水平面平行，且植物根系3垂直于水平面。
其中，所述培养箱优选由透明材质制得，所述图像采集装置设置在培养箱的外部。
在本实用新型中，所述载体装夹装置带动载体沿竖直方向向上移动，以提供给植物根系向上的力，进而计算植物根系的弹性模量和临界载荷。
所述植物根系固定装置6优选为泡沫，在保护植物的同时加强稳定性。
根据本实用新型一种优选的实施方式，如图4所示，在所述培养箱4的侧壁外部设置有固定板9，
在所述固定板9上设置有驱动装置10，以带动载体装夹装置5沿竖直方向移动。
优选地，所述驱动装置10为电机，其设置在培养箱4的上部，以防止与培养箱中的培养液接触。
在进一步优选的实施方式中，在所述驱动装置10的下部连接有丝杠11，在所述丝杠11的外部设置有移动平台12，
所述移动平台12在丝杠11的带动下沿竖直方向上下移动。
其中，所述移动平台12与丝杠通过螺纹连接，所述丝杠在电极的驱动下进行旋转运动，进而驱动移动平台上下运动。
优选地，所述载体装夹装置5与移动平台12固定连接，其与移动平台同步运动，进而控制载体1沿竖直方向运动。
其中，所述载体装夹装置5优选为铝合金台钳。
在本实用新型中，电机驱动丝杠运动，进而带动移动平台与载体装夹装置运动，以实现控制载体的上下运动。
根据本实用新型一种优选的实施方式，所述测量植物根系力学性质的设备还包括信息处理装置7，其控制图像采集装置对载体的形变状态进行图像采集和控制载体装夹装置带动载体沿竖直方向运动。
其中，所述信息处理装置优选为计算机处理器。
在本实用新型中，所述信息处理装置优选通过运动控制卡控制驱动装置，进而调控丝杠的运动。
在进一步优选的实施方式中，所述信息处理装置7还能够接收图像采集装置采集的图像并对图像进行计算分析，以获取植物根系的力学性质。
根据本实用新型一种优选的实施方式，如图2所示，所述测量植物根系力学性质的设备还包括可向载体1施加纵向力的施加载荷发生装置8，其用于标定载体1的弹性模量。
在进一步优选的实施方式中，如图3所示，所述施加载荷发生装置8包括第一横梁81和第二横梁82，二者平行设置，所述第一横梁81和第二横梁82的一端通过竖梁83连接，所述竖梁83垂直于水平面。
在更进一步优选的实施方式中，在所述第一横梁81上设置有凸台84，以用于放置待测量的载体1，
其中，所述凸台84设置在远离竖梁83的一侧。
优选地，在所述第一横梁81上设置有第一螺栓85，以将施加载荷发生装置固定在水平面上。
根据本实用新型一种优选的实施方式，在所述第二横梁82的两端分别设置有第二螺栓86和第三螺栓87，其中，
所述第二螺栓86用于固定载体1，所述第三螺栓87用于向载体1施加载荷。
其中，所述第三螺栓向载体施加的载荷大小通过设置在载体表面的薄膜压力传感器测得。
在进一步优选的实施方式中，在所述第三螺栓87上设置有限位件，使得第三螺栓87在第二横梁82上不产生横向位移。
优选地，所述限位件优选为螺钉。
本实用新型还提供了一种测量植物根系力学性质的方法，优选采用所述的测量植物根系力学性质的设备进行，所述方法包括以下步骤：
步骤1，在载体1表面喷涂散斑，然后测量载体的弹性模量；
步骤2，将植物根系3与载体1固定至培养箱4中，控制图像采集装置2采集图像，测量植物根系的纵向生长力；
步骤3，调节载体1进行竖直方向运动，测量植物根系的弹性模量。
以下进一步描述本实用新型所述的测量植物根系力学性质的方法：
步骤1，在载体1表面喷涂散斑，然后测量载体的弹性模量。
根据本实用新型一种优选的实施方式，所述在载体1表面喷涂散斑按照以下操作进行：将载体表面打磨抛光，形成精细结构，用白漆平喷，作为底面；然后用黑漆远距离喷涂，得到散斑。
其中，在喷涂黑漆时，应注意喷头方向不能对准载体表面，优选稍微倾斜使漆自然飘落到材料表面，即材料应在喷雾边沿。
其中，在载体表面喷涂散斑后，按照以下步骤测量载体的弹性模量：
步骤1-1，将载体1安装至施加载荷发生装置8上，开启光源，通过图像采集装置2采集载体1的初始散斑图像。
其中，将图像采集装置与载体1上喷涂有散斑的一面对准，采集载体1未施加外力前的散斑图像。
步骤1-2，利用施加载荷发生装置8对载体1施加压力，使载体1发生变形，然后通过图像采集装置2采集载体1的变形后散斑图像。
在本实用新型中，优选在载体1的上表面设置薄膜压力传感器，以测量施加压力的数值。其中，所述施加载荷发生装置施加的压力可控可知，且将施加的压力输入至信息处理装置。
步骤1-3，通过信息处理装置7对载体1的初始散斑图像和变形后散斑图像进行分析，获得载体1的弹性模量。
在本实用新型中，对载体初始散斑图像和变形后散斑图像进行比较，获得外力施加前和施加后散斑图像中特定区域的位移变化量，进而获得载体的形变量，结合载体的材料参数，即可获得载体的弹性模量。
在本实用新型中，可以采用现有技术中所述的可以进行图像分析的软件和方法进行图像分析，以及计算得到载体的弹性模量。
例如，采用ncorr软件对变形前后载体表面的图像进行分析，计算载体的弹性模量。
步骤2，将植物根系3与载体1固定至培养箱4中，控制图像采集装置2采集图像，测量植物根系的纵向生长力。
其中，所述步骤2包括以下子步骤：
步骤2-1，将植物根系3固定至培养箱4中，进行适应性培养。
其中，将植物根系3通过植物根系固定装置6固定在培养箱内，使得植物根系浸入培养液中，且不与培养箱底、壁接触，令其自由生长，直至植物适应生长环境，根系向重性生长。
步骤2-2，将载体1固定至培养箱4中，使得植物根系的根尖与载体表面接触。
其中，将载体1通过载体装夹装置5固定至培养箱中，其中，载体装夹装置5与丝杠11外周的移动平台12固定连接；并在载体1的端部设置砂纸，以增加摩擦力，防止检测过程中植物根系与载体产生滑移。
根据本实用新型一种优选的实施方式，所述植物根系的单根根尖与载体1端部的砂纸接触，无初始相互作用力。
在本实用新型中，由于检测过程较长，设备的移动或振动均会对测量结果产生影响，因此检测过程优选在光学平台上进行，以避免受外部因素影响。
步骤2-3，调整图像采集装置2至适当位置，进行图像采集。
在本实用新型中，优选在载体远离载体装夹装置的一面喷涂散斑，并将图像采集装置与喷涂散斑的一面对准且使得图像采集装置的光轴与散斑面垂直，根据植物根系与载体接触的位置，调整图像采集装置的焦距和高度，以保证载体的散斑面完整清晰地呈现在图像采集装置的视野内。
根据本实用新型一种优选的实施方式，所述测量周期为20～26h，优选为24h，
所述图像采集的频率为每间隔10～20min采集一次，优选每间隔15min采集一次。
在本实用新型中，由于植物根系的生长较为缓慢，为提高测量准确性，优选对间隔60min的图像进行分析。
步骤2-4，利用信息处理装置7分析采集的图像，计算得到植物根系的纵向生长力。
在本实用新型中，所述图像采集装置优选与信息处理装置连接，使得信息处理装置能够发送控制信号控制图像采集装置，同时图像采集装置也能够将采集到的图像发送至信息处理装置，已进行计算分析。
其中，比较不同时刻的图像，得到载体的形变量(即挠度：竖直方向的位移)，再结合步骤1所得到的载体1的弹性模量，即可计算得到检测周期内植物根系在不同时间段内的生长力。
在本实用新型中，所述植物根系生长力优选通过公式设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920086447.3
申请日:2019-01-18
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:11(北京)
授权编号:CN209542296U
授权时间:20191025
主分类号:G01N 3/08
专利分类号:G01N3/08;G01N3/06
范畴分类:31E;
申请人:北京林业大学
第一申请人:北京林业大学
申请人地址:100083 北京市海淀区清华东路35号
发明人:赵健;王羽;付饶;张建忠
第一发明人:赵健
当前权利人:北京林业大学
代理人:李国红;刘冬梅
代理机构:11426
代理机构编号:北京康思博达知识产权代理事务所(普通合伙)
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计