蔡維 史留勇 張燕 李朋偉 朱永超

(海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,海南 海口 570228)

容柵技術(shù)的電子樹(shù)皮測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與精度分析

蔡維 史留勇 張燕 李朋偉 朱永超

(海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,海南 ?？?570228)

樹(shù)皮厚度能夠預(yù)測(cè)病蟲(chóng)危害、林木生長(zhǎng)和遺傳變異,是一個(gè)極其重要的參數(shù)。在對(duì)樹(shù)皮厚度的自動(dòng)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一套“容柵式”樹(shù)皮厚度測(cè)量?jī)x。通過(guò)對(duì)馬占相思、非洲楝、面包樹(shù)的樹(shù)皮厚度測(cè)量試驗(yàn),得到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差、變異系數(shù),且效率提高了17～19倍。研究結(jié)果表明,該電子樹(shù)皮測(cè)量?jī)x具有精密度高、穩(wěn)定性好、效率高的特點(diǎn),其將在我國(guó)生態(tài)儀器中樹(shù)皮厚度測(cè)量領(lǐng)域起著開(kāi)拓作用。

容柵技術(shù) 樹(shù)皮厚度 測(cè)量精度 生態(tài)儀器 傳感器

0 引言

樹(shù)皮對(duì)樹(shù)的生長(zhǎng)有著直接的影響作用,因此對(duì)樹(shù)皮及樹(shù)皮厚度的研究在科研領(lǐng)域中有著不可忽視的影響意義和實(shí)用價(jià)值[1]。研究表明,樹(shù)皮厚度不僅能夠預(yù)測(cè)病蟲(chóng)危害、樹(shù)木生長(zhǎng)和遺傳變異,而且也能夠評(píng)估樹(shù)皮中經(jīng)濟(jì)成分的含量[2-6]。國(guó)內(nèi)對(duì)樹(shù)皮厚度的測(cè)量仍然處于傳統(tǒng)手工卡尺測(cè)量階段,該測(cè)量方法不僅效率低、誤差大,且對(duì)樹(shù)皮損傷大。在國(guó)外由瑞典研制了唯一一款機(jī)械式樹(shù)皮厚度測(cè)量器。該測(cè)量器為機(jī)械式讀數(shù),量程在0～50 mm,價(jià)格昂貴、機(jī)械讀數(shù)慢、效率低,同時(shí)讀數(shù)存在主觀誤差,因此推廣受到極大的限制。容柵傳感器是一種新型的位移電容傳感器[7-8],具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、造價(jià)低、耗電少等特點(diǎn)[9-10]。

基于以上背景,本文設(shè)計(jì)了一套高精密度、高效率、低成本的電子測(cè)量?jī)x。

1 樹(shù)皮測(cè)量?jī)x的原理

容柵位移傳感器可分為兩類(lèi):長(zhǎng)容柵位移傳感器和圓容柵角位移傳感器[12-13]。本設(shè)計(jì)所涉及的是長(zhǎng)容柵位移傳感器及其原理。其測(cè)量電路原理如圖1所示。

圖1 測(cè)量電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of the measurement circuit

在一定的條件下,電容變化量的大小與耦合面積變化量成正比[11],即:

式中:ΔC為電容變化量;Δs為耦合面積變化量;ε為介電常數(shù);d為容柵位移傳感器與電容兩極板之間的間隙。

2 測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與分析

2.1 總體設(shè)計(jì)

電子樹(shù)皮厚度測(cè)量?jī)x系統(tǒng)如圖2所示,由動(dòng)?xùn)?、定柵、介質(zhì)層、導(dǎo)電橡膠、液晶、限位套彈簧、十字插刀、容柵傳感器以及單片機(jī)控制系統(tǒng)組成。其中動(dòng)?xùn)?、定柵、?dǎo)電橡膠、液晶可以直接選型。電子樹(shù)皮厚度測(cè)量?jī)x的重點(diǎn)是單片機(jī)控制、容柵傳感器控制電路和機(jī)械設(shè)計(jì)部分。

圖2 電子樹(shù)皮厚度測(cè)量系統(tǒng)總體框圖Fig.2 Overall block diagram of the electronic tree bark thickness measurement system

2.2 儀器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的樹(shù)皮厚度測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure schematic diagram of measuring instrument

測(cè)量?jī)x機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由測(cè)尺、十字插刀、限位套、彈簧、手柄等組成。測(cè)量原理具體如下。

測(cè)尺一端與手柄連接,另一端與插刀連接。測(cè)尺包括無(wú)刻度線測(cè)尺和有刻度線測(cè)尺兩部分,無(wú)刻度線測(cè)尺與手柄膠接相連,且無(wú)刻度測(cè)尺上表面纏繞有彈簧;有刻度線測(cè)尺上設(shè)有電子顯示屏。彈簧一端與手柄連接,另一端與電子顯示屏連接。電子顯示屏的左端設(shè)有擋塊,電子顯示屏的右端設(shè)有限位套,限位套的最前端套在插刀的刃口處。其中顯示屏的右端與有刻度線測(cè)尺的零刻度線對(duì)齊,且電子顯示屏的讀數(shù)結(jié)構(gòu)是主刻度尺身、定柵、介質(zhì)層、電子顯示屏的尺框、動(dòng)?xùn)?、集成電路、液晶、集成電路?/p>

2.3 儀器電信號(hào)傳遞分析

為了實(shí)現(xiàn)測(cè)距,動(dòng)?xùn)排c定柵必須滿(mǎn)足以下要求:定柵節(jié)距為5.08 mm,動(dòng)?xùn)殴?jié)距為0.635 mm,定柵節(jié)距是動(dòng)?xùn)殴?jié)距的8倍,即每8條動(dòng)?xùn)艑?duì)應(yīng)1條定柵,但1個(gè)定柵節(jié)距內(nèi)有一半是屏蔽板,則只有4條動(dòng)?xùn)排c定柵耦合。同時(shí)接收板也與5節(jié)定柵耦合,接收板長(zhǎng)為25.4 mm。若由ω=0.635 mm表示動(dòng)?xùn)殴?jié)距,其中C1(x)至C8(x)表示各組每塊動(dòng)?xùn)排c定柵間的電容,它們是機(jī)械位移量x的函數(shù)。

動(dòng)?xùn)派瞎灿?組極板,各組工作情況相同,則取一組來(lái)進(jìn)行分析。每組8塊發(fā)射極板,各自收到從驅(qū)動(dòng)電路送來(lái)的方波信號(hào)或基波正弦信號(hào)e1(t)～e8(t)為8路驅(qū)動(dòng)信號(hào)[14-16],依次以45°相位差遞增。此信號(hào)周期T=512τ=2 816 μs。在1/8T開(kāi)始處有較寬的凸波,而后在1/2T開(kāi)始處又有較寬的凹波,因而在整個(gè)T周期內(nèi)的基波就是正弦信號(hào)[17]。因此,該信號(hào)可當(dāng)作正弦波,得出:

式中:e1～e8為8路驅(qū)動(dòng)電動(dòng)勢(shì);E為電動(dòng)勢(shì)。

測(cè)量距離與相角函數(shù)近似符合線性關(guān)系,其關(guān)系如圖4所示為測(cè)量移動(dòng)距離x與相角之間的關(guān)系。

圖4 測(cè)量距離與相角的關(guān)系圖Fig.4 The relationship between measuring distance and the phase angle

計(jì)算得出交流電壓源。因每條電路都是交流電路,則由克?；舴虻谝?、第二定律求得等效電路中的電流和電壓方程。

當(dāng)0≤x≤ω時(shí),有:

式中:x為測(cè)量移動(dòng)距離;Θ(x)為移動(dòng)相角。

同理亦可得出ω≤x≤2ω,2ω≤x≤3ω,……

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

為了得出儀器的測(cè)量精度與穩(wěn)定性,將該儀器與傳統(tǒng)樹(shù)皮測(cè)量方式(游標(biāo)卡尺測(cè)量)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。為此,根據(jù)不同樹(shù)的樹(shù)皮硬度及厚度的差異,選取馬占相思、非洲楝、面包樹(shù)分別進(jìn)行樹(shù)皮厚度測(cè)量。試驗(yàn)地點(diǎn)選為海南大學(xué)。試驗(yàn)時(shí)間:2013年3月20日上午8點(diǎn)至10點(diǎn)。選取該三種樹(shù)在垂直距離地面為樹(shù)高的1 m處15 mm×15 mm的方形平整面積作為測(cè)量范圍,為了避免主觀因素,則由同一個(gè)人進(jìn)行三種樹(shù)皮厚度的測(cè)量,兩種方法測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 兩種方法測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 The measured test data obtained by two methods mm

精密度反映了用同種備用樣品進(jìn)行重復(fù)測(cè)定所得到測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性、重現(xiàn)性、集中性。數(shù)據(jù)分析如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)分析Tab.2 Analysis of the data mm

從表2可以看出,每一種樹(shù)由電子厚度儀所測(cè)得的樹(shù)皮厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于游標(biāo)卡尺所測(cè)得的,標(biāo)準(zhǔn)偏差越小,其偏離平均值就越少。每一種樹(shù)測(cè)量范圍相同,但由于測(cè)量?jī)x器存在一定誤差,導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)平均值不同;又由于不同量綱和不同水平下的數(shù)據(jù)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差大小有很大的影響,因此用變異系數(shù)將可消除平均值不同的影響,從而較準(zhǔn)確地比較各組數(shù)據(jù)之間的穩(wěn)定性即精密度。若變異系數(shù)越小,離散程度越小,數(shù)據(jù)穩(wěn)定性越好;反之穩(wěn)定性越差。由表2還可知,經(jīng)電子厚度儀測(cè)量的數(shù)據(jù)變異系數(shù)均小于經(jīng)游標(biāo)卡尺測(cè)量得出數(shù)據(jù)的變異系數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明,前者數(shù)據(jù)精密度優(yōu)于后者。

三種樹(shù)的測(cè)量精密度折線圖如圖5～圖7所示。

圖5 馬占相思數(shù)據(jù)折線圖Fig.5 The data line chart of Acacia Mangium

圖6 非洲楝數(shù)據(jù)折線圖Fig.6 The data line chart of African neem

圖7 面包樹(shù)數(shù)據(jù)折線圖Fig.7 The data line chart of breadfruit

本設(shè)計(jì)大大提高了測(cè)量研究效率,為此在滿(mǎn)足測(cè)量要求的前提下進(jìn)行統(tǒng)計(jì)兩種測(cè)量?jī)x器的一次工作時(shí)間或效率。電子樹(shù)皮厚度測(cè)量?jī)x只需將插刀插入樹(shù)干即可測(cè)量樹(shù)皮厚度,統(tǒng)計(jì)該儀器對(duì)每種樹(shù)進(jìn)行20次測(cè)試所需時(shí)間;而游標(biāo)卡尺測(cè)量需要鑿開(kāi)樹(shù)皮進(jìn)行測(cè)量,對(duì)每種樹(shù)則進(jìn)行一次測(cè)量。其測(cè)量時(shí)間結(jié)果如表3所示。

表3 測(cè)試時(shí)間結(jié)果Tab.3 Result of the test time

3.2 試驗(yàn)分析討論

由圖5～圖7可以看出,顯示的數(shù)據(jù)變動(dòng)幅度,可以得出:經(jīng)電子厚度儀測(cè)量的數(shù)據(jù)上下波動(dòng)幅度較游標(biāo)卡尺的小。同時(shí)電子厚度儀測(cè)出的數(shù)據(jù)集中度較好,并不發(fā)生很尖銳的變動(dòng),數(shù)據(jù)分布較集中。偶然誤差的誤差值比較大,即跟其他幾個(gè)值的誤差比較大,而系統(tǒng)誤差無(wú)法克服且系統(tǒng)誤差值比較小,即所測(cè)的每個(gè)數(shù)字跟平均值誤差都比較小。由表3數(shù)據(jù)分析得出:電子樹(shù)皮厚度測(cè)量?jī)x的測(cè)量時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)游標(biāo)卡尺的測(cè)量時(shí)間,其效率分別提高了17.2、18.2、17.1倍。

本設(shè)計(jì)選取了三種樹(shù)種進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn),一方面是考慮到每種樹(shù)的表面硬度、厚度、粗糙度以及其他客觀因素對(duì)測(cè)試所帶來(lái)的影響;另一方面也是為了更加科學(xué)地得出試驗(yàn)結(jié)果。

根據(jù)上述結(jié)果分析得出電子樹(shù)皮厚度儀的精密度優(yōu)于傳統(tǒng)電子游標(biāo)卡尺測(cè)量?jī)x,并且效率是游標(biāo)卡尺的17～19倍,為此采用本設(shè)計(jì)的電子樹(shù)皮厚度儀在測(cè)量精密度、穩(wěn)定性、效率方面均遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過(guò)游標(biāo)卡尺。本設(shè)計(jì)的電子厚度測(cè)量?jī)x,不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,而且成本低、易操作。該儀器完全體現(xiàn)了精密度高、效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)容柵技術(shù)的測(cè)長(zhǎng)位移傳感器的研究和橡膠樹(shù)皮厚度的物理特性分析,設(shè)計(jì)了一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的電子樹(shù)皮厚度測(cè)量?jī)x。測(cè)量數(shù)據(jù)分析得出,變異系數(shù)均小于傳統(tǒng)的卡尺測(cè)量,其效率也提高了近20倍,體現(xiàn)了該儀器精密度高、穩(wěn)定性強(qiáng)和效率高等特點(diǎn)。但設(shè)計(jì)的儀器也存在不足之處。其一,不同樹(shù)的樹(shù)皮厚度有較大的差異,使用具有一定的局限性;其二,該儀器對(duì)樹(shù)也有一定的微損傷,希望能夠設(shè)計(jì)出無(wú)損傷儀器。該研究對(duì)我國(guó)生態(tài)儀器研究有著積極作用。

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Design of the Electronic Tree Bark Measuring Instrument Based on Capacitive Grid Technology and Analysis on Accuracy

Pest damage,forest growth and genetic variation can be predicted by measuring the thickness of tree bark,so the thickness of tree bark is extremely important parameter.The automatic thickness measuring technology for tree bark is researched,and the capacitive grid type tree bark thickness measuring instrument is designed.Through the thickness measuring tests for Acacia Mangium,African neem and breadfruit, the standard deviations and the variation coefficient are obtained,and the efficiency increases by 17～19 times.The result of research shows that the electronic bark thickness measuring instrument features high accuracy,good stability,and high efficiency.This plays the role of pioneer in tree bark thickness measurement area for ecological instrument in our country.

Capacitive grid technology Tree bark thickness Measurement accuracy Ecological instrument Sensor

TP273

A

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào):201210589012);

海南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào):513137);

海南大學(xué)科研啟動(dòng)金資助項(xiàng)目(編號(hào):kyqd1313)

修改稿收到日期:2014-02-06。

蔡維(1991-),男,2014年畢業(yè)于海南大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè),獲學(xué)士學(xué)位;主要從事機(jī)械制造及其自動(dòng)化。