基于频率位移传感器的全电子化树木径变测量仪研发及其在精准灌溉中的应用

针对商用树木径变测量仪（dendrometer）动态范围有限、成本高、操作复杂等问题，研究人员开发了一种基于LC振荡器频率位移原理的全电子化带状测量仪。该设备通过可变电感元件（VIE）实现树干周长的毫米级动态监测，实验室和田间试验证实其灵敏度与商用DEX100相当，但成本降低80%，动态范围提升160%，为构建大规模农业传感器网络提供了新方案。

　　

在气候变化和资源过度开发的背景下，农业灌溉效率优化成为紧迫课题。树干直径变化（Trunk Diameter Variation, TDV）作为植物水分胁迫的关键指标，其监测精度直接影响灌溉决策。然而，现有商用树木径变测量仪（dendrometer）存在明显缺陷：点式接触设备（如基于应变片的DEX100）仅能测量单轴直径，对非规则树干适应性差；光学非接触式设备易受环境干扰且时空分辨率不足；更普遍的问题是设备笨重、动态范围有限（通常仅几个百分点）、成本高昂（单个超万元），严重制约大规模部署。

为突破这些技术瓶颈，Ben-Gurion University的Shalev Haimovich团队创新性地将射频工程中的LC（电感-电容）振荡原理引入农业传感领域。研究者设计了一种形如"弹簧项链"的可变电感元件（Variable Inductive Element, VIE），其菱形结构的铍铜合金丝（BeCu）可随树干周长变化改变电感值，通过与固定电容组成LC谐振电路，将机械形变转化为频率信号。这种全电子化方案摒弃了传统机械传动部件，使传感器重量减轻至克级，动态范围却达到惊人的160%——意味着同一设备可监测从幼苗到成熟树木的全生长周期。

研究团队采用三项关键技术验证设备性能：（1）通过高精度步进电机（1.25μm/步）控制的半圆环测试系统，量化传感器在3.6-6.0cm直径范围内的线性响应（R2>0.99）；（2）利用热膨胀系数仅3ppm/°C的硼硅酸盐玻璃容器，测定温度漂移为16.83μm/°C，证实可通过线性回归补偿；（3）在以色列半干旱地区开展为期22天的芒果树田间试验，与两台DEX100平行比对，同步记录正常灌溉（7L/天）和水分胁迫期（2.5L/天）的TDV数据。

实验结果部分：

1. 1.

   灵敏度与稳定性：静态测试显示传感器噪声水平为±5.2ppm，对应±1.4μm的位移分辨率，与商用设备相当。频率位移响应呈现优异线性（3.8ppm/μm），且在不同初始直径（3.6/4.8/6.0cm）下保持稳定。

2. 2.

   动态范围验证：当测试直径从3.6cm（基准值）增至6.0cm（166%）时，灵敏度偏差仅17%，证明该设计可适应树干显著增粗而不需重新校准。

3. 3.

   田间性能：在昼夜温差达8°C（22-30°C）的户外环境中，三台设备同步记录的TDV曲线高度一致（R=0.89）。特别值得注意的是，在水分胁迫期，新型传感器检测到的最大日收缩量（MDS）增幅比DEX100更显著（+42% vs +31%），暗示其可能具有更高的胁迫响应灵敏度。

讨论部分指出，这种频率位移传感架构具有独特的可扩展性——通过调整LC参数可适配不同树种，且电子接口芯片（LDC1614）的微安级功耗支持太阳能供电的长期监测。相比造价昂贵的商用设备，该原型成本降低约80%，重量减轻90%，为每株作物部署多个传感器以实现三维径变图谱分析提供可能。

论文发表于《Smart Agricultural Technology》的这项研究，标志着农业传感技术从机械式向全电子化的范式转变。未来通过将VIE结构与柔性电子技术结合，有望开发出可贴合树皮的"电子纹身"式传感器，进一步推动精准农业从地块级向单株级管理跨越。正如通讯作者Matan Gal-Katziri强调的，这种跨学科解决方案不仅适用于果园，还可拓展至林业生态监测、古树保护等场景，为应对全球水资源短缺提供创新技术支撑。