在这项研究中，一种新的微波传感系统，由一个微带自谐振螺旋线圈电感耦合到外部同心平面探针环，提出并应用于非破坏性检测植物的形态生理响应水分胁迫。拟议传感器的优化设置确保了高度灵敏的螺旋线圈，这是获取与水分胁迫条件相关的植物行为改变的准确信息的基本要求。提出的微波传感器进行了测试，它对两个盆栽玉米品种（玉米L.），即“Cinquantino Bianchi”（CB）和“Scagliolo Frassine”（SF）。对于每个品种，一半的样品保持在100%（T100）田间持水量，而另一半在播种后46至74天（DAS）保持在25%（T25）田间持水量。通过将传感器定位在杆上，每天获得外部平面探头输入阻抗（Zinput）的真实的分量的频率（fr）偏移和振幅峰值变化。这些测量的数据与破坏性地获得在四个不同的生长阶段的形态生理参数。茎的淡水含量（FWCstem）与fr（r >-0.64）和振幅峰值(ℜ (Zinput))（r > -0.70）之间的线性相关性提供了传感器识别两种水处理之间茎介电特性变化的能力的证据。同时，传感器响应证明了识别股骨柄形态学和组织学变化的能力。根据初步研究结果，拟议的传感器显示就业的潜力，在实时监测植物水分状况，有助于更经济和环境可持续的作物管理措施。虽然目前植物含水量和传感器测量值之间的相关性需要进一步改进，以满足严格的工业标准，但可以通过利用物联网方法来实现大规模采用。

表1  螺旋传感器的几何设计特点。

图1  (a)所述传感系统的3D CAD模型。内部螺旋传感器与外部无负载探针回路电感耦合;（b）探针回路CAD结构;（c）预制PCB螺旋谐振器;（d）预制PCB探针回路。

图2  (a)所提出的感测系统设置的图示;（b）对应的等效电路：非谐振探针回路（左侧）与内部螺旋传感器（右侧）相互耦合;（c）数值CAD模型：单个探针回路主动地馈送定位在玉米茎组织上的螺旋传感器。

表2 从1（无应力）到7（应力）的水应力状态模拟介电性能。

表3  从播种后46天（DAS）开始，“Cinquantino Bianchi”（CB）和“Scagliolo Frassine”（SF）玉米样品以克（g）计的平均重量（±标准误差）保持在100%（T100）和25%的FCW（T25;每个T100和T25处理x栽培品种分别为15和12个样品）。

图3  实验设置：（a）将传感器用纸带固定在54个玉米样品中的每一个的第二节间上方。(b)获取输入阻抗Zinput的方法：将连接到VNA的外部探头环路同心放置并靠近传感器。

图4 数值结果：（a）在工作频率范围（100-550 MHz）内评估的独立探头回路阻抗的真实的和虚部。考虑到馈电端口处的寄生电容，独立探针环路自谐振约为464 MHz;（B）不同水应力状态下输入阻抗的真实的部分（Zinput）的变化;（c）在垂直于杆的平面上评估的归一化磁场图（见图2c）。

图5  在工作频率范围（100 MHz-550 MHz）内评估的测量独立探头回路阻抗。由于连接器焊接的寄生电容的效果是在良好的协议与数值模拟，在460 MHz观察到的自谐振。

图6  实验结果：（a）-（b）处理T25（蓝线）和T100（红线）、栽培品种CB（左）和SF（右）的系统的真实的输入阻抗的最大值的变化;（c）-（d）处理T25（蓝线）和T100（红线）、栽培品种CB（左）和SF（右）的自谐振频率偏移。星号表示根据t检验，T25下的植物与T100下的植物之间的显著统计学差异（*：p ≤ 0.05）。垂直条表示标准误差。

图7  FWCAGB+BGB =地上+地下生物量鲜基含水量; FWCAGB =地上生物量鲜基含水量; FWCBGB =地下生物量鲜基含水量; FWC茎=茎鲜基含水量; FWC叶=叶鲜基含水量; DWCAGB+BGB =地上+地下生物量干基含水量; DWCAGB = =地上生物量干基含水量; DWCBGB = =地下生物量干基含水量; DWCstem = =茎干基含水量; DWCleaves =叶干基含水量; H2OAGB+BGB =地上+地下生物量含水量; H2Ostem =茎含水量; ⍴stem =茎密度；Ψmin =最小叶水势；fr =谐振频率；max(ℜ (Zinput ))=输入阻抗的真实的部分的最大值；蓝线代表有助于区分治疗的所有变量。

表4 螺旋传感器参数（(max (ℜ (Zinput)), fr）与不同品种（CB，SF）和处理（T25，T100）之间FWCstem的关系的相关和回归分析总结。