孢子捕捉仪采集农业生物信息数据.doc

1、孢子捕捉仪采集农业生物信息数据摘要：设计一台在野外使用的、能连续7天进行捕捉空中真菌孢子的仪器，该仪器可以对作物周围环境中的真菌孢子相对数量或密度进行连续监测，从而对作物病害进行准确预测，是采集农业生物信息数据，保证环境和农产品安全的有效工具。我国危害农作物的重要病害有550多种，其中很多是由真菌引起的。一部分真菌病害主要是通过孢子在空气中传播对作物进行侵染和再侵染。对作物周围环境中的孢子相对密度的监测，成为植物病害预测和防治的重要依据。目前我国对空中孢子量的测定方法多采用玻片法或旋转玻片法。这些方法的缺点是仪器存在一些问题。孢子捕捉效率和效果易受气候变化影响，或不能进行连续捕捉等。这直接影响

2、我国农业生物信息的合理采集、病害预报工作的准确性和防治的有效性。为此，设计了连续式空中孢子捕捉器TPBZ3。1 设计基本原则大多数植物病原物的个体微小或计数单元无法划分，很难测定。只有一些病原菌的传播体如孢子、菌核等可直接测定，但也只能测定它们的相对数量，空中孢子捕捉即出于这一目的u J。为适合野外工作、减轻劳动强度，设计的孢子捕捉器应能连续7d工作，并能防雨防虫。采集到的样品应便于显微镜下观察，并能反映每小时空中孢子数量的变化。在任何风向条件下能达到很好的捕捉效果。2 连续式孢子捕捉仪的结构和工作原理TPBZ3孢子捕捉器由浙江托普仪器设计，设计包含捕捉带及捕捉带驱动装置、进气嘴及吸气装置、捕

3、捉仓及捕捉仓转动装置、支架等组成。如图1所示，孢子捕捉器工作时，吸气装置使捕捉仓(e)内形成负压，外面夹带着孢子的空气就由进气嘴(d)吸入捕捉仓内，以一定速度进入捕捉仓的孢子撞到粘性捕捉带(a)上被粘住，这样就完成了对孢子的捕捉。捕捉带固定在捕捉带驱动装置上，由捕捉带驱动装置带动进行转动，转速为每7天转一圈，捕捉带每小时转过2mm，即捕捉带可连续纪录7d中每小时空中孢子的数据。孢子捕捉器能够在风向改变的状况下通过捕捉仓转动装置自动调整取样方向。图 1 连续式空中孢子捕捉器工作原理示意图3 主要部件设计31捕捉带及捕捉带驱动装置设计311捕捉带以往的捕捉方法和捕捉器采用涂抹凡士林的载玻片u J或

4、胶棒作捕捉载体。这两种捕捉载体都不适于连续捕捉。借鉴产孢量测定方法中的粘贴法?1，本仪器采用透明胶带作为捕捉载体。透明胶带柔软可弯折，采样长度相对不受限制，适于连续采样。因采样的透明胶带取回室内需以乳酚油作浮载剂将其粘于载玻片上放到显微镜下计数孢子，还因载玻片宽度为26mm，所以采用20ram宽的透明胶带作捕捉带。为能实现连续孢子捕捉，每一时段空中孢子的数据应记录在捕捉带不同的区域上。同样为便于显微镜下计数，设计将空中孢子一小时的数据记录在捕捉带2mm的长度上，即每小时取样面积为20mm2mm。本仪器为连续7d工作，所以可以计算出捕捉带的最小长度为336mm。312捕捉带驱动装置为实现本仪器的

5、连续工作，捕捉带应能运动或捕捉嘴应能运动。分析后认为，实现捕捉带运动相对比较容易。捕捉带驱动装置是孢子捕捉器的核心部件，它应保证捕捉带以2rnmh的速度移动、并可连续工作7d。由于捕捉带的运动速度低、本仪器又是野外工作，这给捕捉带驱动装置的设计带来一定的困难。考虑了以下几种方案：(1)采用电机、减速器传统的机械结构，但电机速度高，使减速器复杂，且电源不易解决；(2)由PCL控制继电器每小时通断电一次，继电器中的衔铁每小时作一次直线运动，将间歇的直线移动通过一些机械机构可使捕捉带间歇运动，这种结构可行，但机械部分有些复杂；(3)由指针式钟表得到启示，可用钟表式的驱动装置带动捕捉带运动。钟表体积小

6、、运动准确可靠等。经过几个方案的比较，本设计采用钟表作为捕捉带驱动装置的动力部件。经与多个钟表厂家进行联系，选用山东烟台北极星钟表公司提供的石英式定时钟。该钟体积小，价格便宜；输出轴每7天转一圈，输出轴每转转角误差为0064度(7d取样长度误差006ram)，工作可靠；电源为5号干电池，可连续工作。捕捉带驱动装置由捕捉盘(b)、定时钟(C)等组成(图1)。捕捉盘与定时钟输出轴相连，带动捕捉带移动。由于定时钟输出轴转速为每7天一转，捕捉带移动速度为2mmh，所以根据以下计算可得知捕捉盘工作直径D值：32 进气嘴及吸气装置设计捕捉载体应在密闭的箱体中才能适于连续的野外工作，只有在箱体中形成负压造成

7、空气的流动捕捉带才能在任何环境下捕获足够的孢子。进气嘴及吸气装置的结构尺寸及参数决定孢子捕捉器的捕捉效果。321进气嘴为实现每小时的捕捉面积和好的捕捉效果并防止蚜虫或其他昆虫的进入，进气嘴上进气口的截面大小设计为15mm X 20mm，进气嘴的安装应正对捕捉带训2。322 吸气装置捕捉效果取决于吸气装置的排气量。排气量在1520Lrain之间的捕捉效果最好。形成负压的装置有真空泵、排风扇。真空泵体积大、排气量大、功率大、成本高，不适于孢子捕捉器使用。本设计选择我国台湾CPFAN公司生产的H05350789T型风扇作为本机的吸气装置。风扇外形大小为25ram25mm X 10mm，最大风量为08

8、CFM(19Lrain)，转速为9000rmin，额定功率为073KW，额定电压为直流6V，额定电流为0145A。该风扇体积小、价格便宜，可采用蓄电池供电，适于野外作业。图 2 连续式空中真菌孢子捕捉器结构简图33 捕捉仓及捕捉仓转动装置为获得较好的捕捉真菌孢子效果，捕捉仓应能转动，使捕捉嘴始终处于迎风状态。本设计捕捉仓的转动是通过风力推动实现的旧J。捕捉仓转动装置由捕捉仓(d)、测风板(f)、轴(j)、轴承(m)、档雨板(i)等组成(图2)。本仪器应能在风速为2-20ms的范围正常工作。设计时将捕捉仓转动装置的转动部分的各组成零件一字排列，并经过力平衡的计算。轴承主要承受的是轴向力，故轴承选

9、用一盘单向推力球轴承、一盘深沟球轴承。经分析捕捉仓的转动阻力主要来自推力球轴承的摩擦阻力，只要在风速2ms时在测风板产生的推力力距大于轴承的摩擦阻力力矩，捕捉仓就可自由转动。下面是计算过程4：Fl=q=49100025=0123N.(2)1、12F1。rl2 0123002252 00028Nin(3)1 F2=i1032707510 412310322Z=527N(4)T2=F2。r2=5570128=071N。ITI。F，推力球轴承所受摩擦力(N)；q捕捉仓转动装置转动部分质量(kg)；弘推力球轴承摩擦系数；T，推力球轴承摩擦力转距(Nm)；rl摩擦力作用半径m)；F，测风板所受风力(N)

10、；CD系数，查设计手册为CD=032；A测风板面积(m2)；D空气密度，p=123103kgm3；“风速，为2ms；T，测风板风力转距(NIn)；r2风力作用部分质心半径(m)。由以上计算可知，T2T1。所以在220ms风速下，捕捉仓可由风力吹动进行转动，由于测风板两面承受风力，因此当力达到平衡后，捕捉仓将不再转动，这时捕捉口冲着风来的方向。4 试验及结果分析试验地点选在石油物探局安新基地果园，该园种植的苹果品种主要有富士、红星、青香蕉等，采取混合种植，往年都有斑点落叶病发生。试验结果表明连续式孢子捕捉器可以连续、准确、方便地获取农作物周围环境中的病原真菌孢子，监视孢子数量和密度的动态变化，准确预测植物病害以便准时精确喷施农药(图4)。基于此，孢子捕捉器将是各科研院所、植保站进行病害预报的重要工具，也是建筑在空间差异的数据采集和处理概念上的精细农业进行农业生物信息合理采集的有力工具，将会受到农业科学工作者的青睐。另一方面，为满足经济发展和人民生活水平Et益提高的要求，在不断提高农业劳动生产率和农资利用率的同时必须减少对环境的污染，达到经济效益、社会效益、生态效益同步增长、持续发展。图 3 不同时段孢子捕捉器捕捉孢子量占全天捕捉量的百分比