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摘要 介绍了温室花卉水胁迫声发射机理和水胁迫声发射检测技术国内外研究现状，重点阐述了温室花卉水胁迫声发射检测系统的组成，并分析了声发射检测技术在温室花卉上应用的发展趋势。
关键词 水胁迫；声发射；温室花卉；发展趋势
中图分类号 S122 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）12-382-03
Abstract The paper introduces the mechanism of water stress acoustic emission under greenhouse flowers and research status at home and abroad of water stress acoustic emission monitoring technology， and expounds the composition of water stress acoustic emission detection system of greenhouse flowers. This article also analyzes the development trend of application of acoustic emission monitoring technology in greenhouse flowers.
Key words Water stress； Acoustic emission； Greenhouse flowers； Development trend
植物的生命活动离不开水，而“由干旱、缺水所引起的对植物正常生理功能的干扰”就称为水胁迫（water stress）[1]。植物在生长过程中常常会受到各种不利的化学和物理条件及各种病虫害的环境胁迫。但是，由于水胁迫所引起的作物产量的减少超过了所有其他胁迫的总和[2]。水分供应不足或过剩都会影响植株的生长，在世界范围内，由于过饱和造成的水胁迫并不是造成重大经济损失的主要原因，而水分亏缺造成的胁迫才是造成重大经济损失的主要原因。
笔者以温室花卉百合为研究对象，利用声发射传感器自动采集百合茎部的声发射信号，并对采集到的信号做进一步的分析，从而总结出温室花卉受水胁迫的相关规律。
1 声发射技术介绍
1.1 声发射检测系统
声发射（Acoustic emission，AE）又称应力波发射，是指物体在形变或受外界作用时，因迅速释放能量而产生瞬态应力波的一种物理现象。该研究介绍的声发射检测系统主要由图1所示的5部分组成。主要原理是：声发射传感器将采集到的声发射信号转化为电信号，电信号经过放大、滤波、信号判别后输入计算机进而做进一步的信号分析。
声发射传感器采集到的声信号十分微弱，在传输过程中，信噪比会降低。为了解决这一问题，该研究在声发射传感器后面安装了一个前置放大器，以达到将声信号放大后再传输的目的。另一方面，声发射信号是一种衰减的正弦信号，具有一定的频带范围，在前置放大器后面添加信号滤波器可以达到减小噪声，提高声信号准确性的目的。放大后的声信号经过信号分析器产生信号参数，信号参数再进入信号判别器判别信号具有的性质。
1.2 声发射信号处理
声发射信号的处理是声发射检测技术中非常重要的一个环节，因为声发射信号是声发射检测技术中对被检测对象作出评定的主要依据。声发射信号中含有丰富的声发射源信息，但由于环境噪声的干扰，导致得到的波形往往会发生畸变。因此，在分析声发射信号时选择合适的信号处理方法，进而准确地获取声发射源特征，一直是声发射检测技术发展中的研究难点和热点。声发射信号是一种比较复杂的信号，到目前为止，声发射信号的处理方法主要有基于参数的分析方法和基于波形的分析方法两大类。在理论上，基于波形的分析方法能够获取更多的信息量。但在实际应用中，基于参数的分析方法，特别是简化特征波形参数分析法应用已经十分广泛。
1.3 声发射技术的应用
声发射技术应用领域十分广泛，在航空领域中对飞机发动机的整机疲劳裂缝的检测；在石油化工等领域中对各种大型设备进行安全检测；在构件焊接过程中对焊接质量的分析。此外，声发射技术在电力工业、材料试验以及交通运输等领域都有着广泛的应用。
在我国，声发射技术主要应用在上述的金属、机械等方面，对于其在植物生理过程中的研究还处于起步阶段[3]。
2 水胁迫声发射检测技术国内外研究现状
2.1 水胁迫声发射检测技术国外研究现状
从20世纪60年代开始，世界各国科学家开始研究声发射现象。1960年美国科学家Dunegan等采用窄带滤波的方法成功消除了机械噪声，为声发射检测技术进入实际应用阶段做好了铺垫。1964年美国通用动力公司利用声发射检测技术对导弹外壳的结构进行了完整性检测并取得成功，这标志着声发射技术进入了实际应用的崭新阶段。20世纪70年代，美国、日本以及一些欧洲国家加大了在声发射技术研究方面的投入，世界范围内在声发射源、声发射波的传播以及声发射与断裂机制的关系等方面不断地取得新的进展。1989年美国植物生理学家Tyree研制出作物水胁迫声发射检测仪，并且能够实现声发射数据的自动采集与记录。同年，美国麦道公司采用声发射检测技术对F-15战斗机进行了疲劳裂纹扩展过程的监测并取得成功。20世纪90年代，多国科学家均发现植物能够以其独特的方式向外界传达自己缺水的信号。
2.2 水胁迫声发射检测技术国内研究现状
我国对于声发射检测技术的研究从20世纪末才开始。1999年曲桂敏等研究了水胁迫对苹果叶片的影响[4]。2000年张敦论等研究了水胁迫对8个树种的几项生理指标的影响[5]。2002年陈颖等做了水胁迫对银杏苗木的生理响应方面的研究[6]。
从以上国内外在声发射检测技术上的研究来看，国内外对于植株在水胁迫下的生理反应进行的研究还是比较深入的，特别是Tyree等人研制出的作物水胁迫声发射检测仪为我们进一步探究作物水胁迫声发射机理提供了很大的方便。
3 温室花卉水胁迫声发射检测系统
随着计算机科学技术的飞速发展，PC机性能和应用软件性能也不断提高，基于PC总线的插卡式虚拟测试系统以其较高的性价比、灵活性已经成为测试系统的一个重要发展方向[7]。该研究以百合为研究对象，主要由图2中的仪器设备组成。
3.1 系统主要硬件
3.1.1
声发射传感器。该系统选用了美国物理声学公司生产的I15I型声发射传感器（图3）来检测百合缺水时发出的超声信号。I15I型声发射传感器属于单端输出式传感器，利用其自身压电晶体的共振点可以获得很高的灵敏度。另外，I15I型声发射传感器内置了一个20dB的前置放大器，从而达到了减少电波干扰，降低传感器与前置放大器间电缆阻抗的目的。
3.1.2
数据采集卡。数据采集是指把从传感器或其他设备中自动采集到的非电量或电量信号，传输到上位机中进行分析、处理。数据采集卡由数据采集器、存储单元和控制逻辑等部分组成。数据采集卡可以通过PCI、USB、各种无线网络等总线接入个人计算机。
在现代检测技术中，数据采集是极其重要的一个环节。在数据采集卡的选择上，首先应考虑的是采样精度和采样频率这2个最基本的指标。
采样精度决定了记录声音的动态范围，它包括度量准确和采样分辨率。度量准确是指采样值和真实值之间无偏差或偏差很小。采样分辨率是指每次采样所得到的数据长度，数据长度越长，采样分辨率就越高，记录的数据就越精确。
采样频率，也称为采样速度或者采样率。根据奈奎斯特采样定理，采样频率必须大于等于信号最高频率的2倍。数据采集卡的采样频率越高，其可处理的信号的频带就越宽。
综合考虑待测参数的特性和数据采集卡的性价比等因素，该系统选择了美国NI公司生产的基于PCI总线的插入式数据采集卡PC-6024E，如图4所示。
3.2 系统软件
该系统所使用的软件是在购买I15I型声发射传感器时美国物理声学公司（PAC）提供的AE-PCI2-E3.61软件。该软件可以在Windows环境下实时采集声发射信号，并具有前端数字滤波、图解滤波、AE特征提取、报警输出、图形打印、统计及重放等功能。在采集声发射信号前，要对相关参数进行设定。其参数设定主要包括前置放大倍数的设置、门槛电压的设置、滤波器频率上下限值的设置及时间参数的设置。AE-PCI2参数设置界面如图5。
4 实验方法及结果
该实验的待测花卉为盆栽百合，其直径大约在8 mm左右，易于安置声发射传感器探头。将声发射传感器探头夹在百合茎部中间位置（图2），为了增强声发射信号的传输，可以在声发射传感器探头和百合茎部之间涂抹上硅酮脂。在固定夹子时要注意力度，太松会导致声发射信号传输不畅，或者由于松动产生大量噪声信号；太紧则会损伤植株茎部组织，同样不利于声发射信号的检测。确认连线完好后，运行程序开始采集信号。实验部分数据采集结果界面见图6。
5 结论
该研究通过声发射传感器检测百合茎部的声发射信号，从而间接探索温室花卉水分胁迫声发射信号的发生、发展规律。通过近2个月的实验及对信号波形的分析，得出以下结论：在一定范围内，百合茎部声发射频次随自身水胁迫程度的增加而增加；晴天比阴天采集到的声发射信号波形振幅大、周期短，也就是说百合在晴天的声发射频次比阴天多；同一天中，中午时间段比其他时间段采集到的声发射频次多。但在实验过程中发现：百合的声发射信号还是比较弱的，特别是在夜间的时候，加上百合生长环境噪声对声发射信号采集的影响，要想通过这一个实验总结出温室花卉受水胁迫声发射信号的规律还存在一定的难度，这需要做进一步的研究。
参考文献
[1]王万里.植物对水分胁迫的反应[J].植物生理通讯，1981（5）：55.
[2] KRAMER P J. 植物的水分关系[M]. 北京：科学出版社，1989.
[3] 陈亚新. 作物—水模型及其敏感指标的确认[J]. 灌溉排水，1995，14（4）： 4-6.
[4] 曲桂敏，李兴国，赵飞，等. 水分胁迫对苹果叶片和新根显微结构的影响[J]. 园艺学报，1999，26（3）：147-151.
[5] 张敦论，乔进勇，郑金标.水分胁迫下8个树种几项生理指标的分析[J]. 山东林业科技，2000（3）： 5-9.
[6] 陈颖，谢寅峰，沈惠娟，等.银杏幼苗对水分胁迫的生理响应[J].南京林业大学学报，2002（26）： 55-58.
[7] 贾功贤，刘成康，李兵，等. 基于PC的虚拟仪器的发展趋势[J]. 电子技术应用，1999（12）： 4-6.