可视化监测植物生长的高精度无源传感器的研究

作     者：赵晨 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘湘江

授予年度：2021年

学科分类：082804[工学-农业电气化与自动化] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 

主      题：植物生长监测 结构色传感器 可视化 高精度 无源 

摘      要：植物监测技术是运用各种传感器对植物生长环境、外部表型和内部特征进行监测的一种方法,它能够获取植物的生理信息,并为作物育种和作业生产提供指导。传统监测植物生长方法,如直接测量法、图像识别和处理法以及应变传感器法,存在测量步骤繁多、精度低以及需要外接电源等缺陷,难以对植物生长进行高效、高精度、长时间的监测。针对以上问题,本文受光子晶体颜色具有角度依赖性现象的启发,采用屈曲力诱导的3D折纸技术,将光子晶体薄膜制备成了一种能够可视化监测植物生长并具有高精度、无源特性的可穿戴结构色传感器。(1)本文对结构色传感器进行了设计和制备。设计方面,图案化的2D光子晶体薄膜被选择性地键合在预拉伸基底的表面。基底的释放会使薄膜翻转,导致传感器展示出不同颜色。制备方面,主要包括光子晶体薄膜的制备和光子晶体薄膜的变形两大过程。采用大面积自组装聚苯乙烯(Polystyrene,PS)颗粒方法制备的光子晶体薄膜色彩均匀,在不同角度下可以展示出不同色彩。通过结构变形加工后,薄膜能够随着基底的释放进行翻转,形成一个单元面积仅占0.08 cm的结构色传感器。(2)本文对结构色传感器的力学性能和光学性能进行了表征。力学方面,首先通过对比实验与仿真结果可以发现制备的传感器具有良好的变形效果;其次,建立了基底应变与薄膜翻转角度之间的关系曲线,并证实了器件具有良好的重复性和长时间稳定性;同时,为了减少测量步骤,薄膜的翻转角度θ可由cos(L/L)公式推算出来,其相对误差小于1.5°;最后,为了在同一基底应变下可以实现更大的翻转角度,本文探究了传感器扇叶节点位置对于翻转角度的影响。光学性能方面,首先确定了制备光子晶体薄膜的PS颗粒最佳直径为600 nm;其次,优化后材料制备的传感器具有良好的可视化变色过程;同时,建立了基底应变、翻转角度与散射波长之间的关系,其中1%的应变ε可使光谱峰值发生33 nm偏移的现象,表明了该传感器变色性能优于传统光子晶体(小于10 nm/(1%ε));另外,为了简化色彩的测量过程,本文证实了用相机替代光谱仪的可行性;最后,本文探究出温、湿度不会对光谱产生较大影响,该现象证明了传感器具有良好的环境稳定性。(3)本文对结构色传感器进行了实际应用测试,建立起植物生长时间与长度变化之间定量化的关系。以甜瓜为研究对象,在搭建好生长信息采集平台后,将传感器贴附在果实表面。基底随着果实的生长产生应变,进而传感器会展现出不同色彩,其RGB值也随之发生改变。该传感器可以监测出10 min内植物的生长变化,监测精度可达20μm。本文提出的传感器具有可视化特性,监测结果可以直观展示出来;同时,通过传感器颜色变化的方法来监测植物的生长,克服了传统方法精度低的缺陷;此外,该传感器是一种无源器件,无需连接电源或其它设备,监测过程简单,可以长时间无耗能地监测植物生长。该传感器的提出为可视化、高精度及无源监测植物的生长提供了新的思路。