容柵技術的電子樹皮測量儀的設計與精度分析

蔡維 史留勇 張燕 李朋偉 朱永超

(海南大學機電工程學院,海南 海口 570228)

容柵技術的電子樹皮測量儀的設計與精度分析

蔡維 史留勇 張燕 李朋偉 朱永超

(海南大學機電工程學院,海南 海口 570228)

樹皮厚度能夠預測病蟲危害、林木生長和遺傳變異,是一個極其重要的參數。在對樹皮厚度的自動測量技術進行研究的基礎上,設計了一套“容柵式”樹皮厚度測量儀。通過對馬占相思、非洲楝、面包樹的樹皮厚度測量試驗,得到相應的標準偏差、變異系數,且效率提高了17～19倍。研究結果表明,該電子樹皮測量儀具有精密度高、穩定性好、效率高的特點,其將在我國生態儀器中樹皮厚度測量領域起著開拓作用。

容柵技術 樹皮厚度 測量精度 生態儀器 傳感器

0 引言

樹皮對樹的生長有著直接的影響作用,因此對樹皮及樹皮厚度的研究在科研領域中有著不可忽視的影響意義和實用價值[1]。研究表明,樹皮厚度不僅能夠預測病蟲危害、樹木生長和遺傳變異,而且也能夠評估樹皮中經濟成分的含量[2-6]。國內對樹皮厚度的測量仍然處于傳統手工卡尺測量階段,該測量方法不僅效率低、誤差大,且對樹皮損傷大。在國外由瑞典研制了唯一一款機械式樹皮厚度測量器。該測量器為機械式讀數,量程在0～50 mm,價格昂貴、機械讀數慢、效率低,同時讀數存在主觀誤差,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、造價低、耗電少等特點[9-10]。

基于以上背景,本文設計了一套高精密度、高效率、低成本的電子測量儀。

1 樹皮測量儀的原理

容柵位移傳感器可分為兩類:長容柵位移傳感器和圓容柵角位移傳感器[12-13]。本設計所涉及的是長容柵位移傳感器及其原理。其測量電路原理如圖1所示。

圖1 測量電路原理圖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;d為容柵位移傳感器與電容兩極板之間的間隙。

2 測量儀的設計與分析

2.1 總體設計

電子樹皮厚度測量儀系統如圖2所示,由動柵、定柵、介質層、導電橡膠、液晶、限位套彈簧、十字插刀、容柵傳感器以及單片機控制系統組成。其中動柵、定柵、導電橡膠、液晶可以直接選型。電子樹皮厚度測量儀的重點是單片機控制、容柵傳感器控制電路和機械設計部分。

圖2 電子樹皮厚度測量系統總體框圖Fig.2 Overall block diagram of the electronic tree bark thickness measurement system

2.2 儀器機械結構設計

本文設計的樹皮厚度測量儀結構圖如圖3所示。

圖3 測量儀結構示意圖Fig.3 Structure schematic diagram of measuring instrument

測量儀機械結構主要由測尺、十字插刀、限位套、彈簧、手柄等組成。測量原理具體如下。

測尺一端與手柄連接,另一端與插刀連接。測尺包括無刻度線測尺和有刻度線測尺兩部分,無刻度線測尺與手柄膠接相連,且無刻度測尺上表面纏繞有彈簧;有刻度線測尺上設有電子顯示屏。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有擋塊,電子顯示屏的右端設有限位套,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尺的零刻度線對齊,且電子顯示屏的讀數結構是主刻度尺身、定柵、介質層、電子顯示屏的尺框、動柵、集成電路、液晶、集成電路。

2.3 儀器電信號傳遞分析

為了實現測距,動柵與定柵必須滿足以下要求:定柵節距為5.08 mm,動柵節距為0.635 mm,定柵節距是動柵節距的8倍,即每8條動柵對應1條定柵,但1個定柵節距內有一半是屏蔽板,則只有4條動柵與定柵耦合。同時接收板也與5節定柵耦合,接收板長為25.4 mm。若由ω=0.635 mm表示動柵節距,其中C1(x)至C8(x)表示各組每塊動柵與定柵間的電容,它們是機械位移量x的函數。

動柵上共有6組極板,各組工作情況相同,則取一組來進行分析。每組8塊發射極板,各自收到從驅動電路送來的方波信號或基波正弦信號e1(t)～e8(t)為8路驅動信號[14-16],依次以45°相位差遞增。此信號周期T=512τ=2 816 μs。在1/8T開始處有較寬的凸波,而后在1/2T開始處又有較寬的凹波,因而在整個T周期內的基波就是正弦信號[17]。因此,該信號可當作正弦波,得出:

式中:e1～e8為8路驅動電動勢;E為電動勢。

測量距離與相角函數近似符合線性關系,其關系如圖4所示為測量移動距離x與相角之間的關系。

圖4 測量距離與相角的關系圖Fig.4 The relationship between measuring distance and the phase angle

計算得出交流電壓源。因每條電路都是交流電路,則由克希霍夫第一、第二定律求得等效電路中的電流和電壓方程。

當0≤x≤ω時,有:

式中:x為測量移動距離;Θ(x)為移動相角。

同理亦可得出ω≤x≤2ω,2ω≤x≤3ω,……

3 試驗結果與討論

3.1 試驗結果

為了得出儀器的測量精度與穩定性,將該儀器與傳統樹皮測量方式(游標卡尺測量)進行對比試驗。為此,根據不同樹的樹皮硬度及厚度的差異,選取馬占相思、非洲楝、面包樹分別進行樹皮厚度測量。試驗地點選為海南大學。試驗時間:2013年3月20日上午8點至10點。選取該三種樹在垂直距離地面為樹高的1 m處15 mm×15 mm的方形平整面積作為測量范圍,為了避免主觀因素,則由同一個人進行三種樹皮厚度的測量,兩種方法測得的數據如表1所示。

表1 兩種方法測得試驗數據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行重復測定所得到測量結果的重復性、重現性、集中性。數據分析如表2所示。

表2 數據分析Tab.2 Analysis of the data mm

從表2可以看出,每一種樹由電子厚度儀所測得的樹皮厚度的標準偏差均小于游標卡尺所測得的,標準偏差越小,其偏離平均值就越少。每一種樹測量范圍相同,但由于測量儀器存在一定誤差,導致測量數據平均值不同;又由于不同量綱和不同水平下的數據對標準差大小有很大的影響,因此用變異系數將可消除平均值不同的影響,從而較準確地比較各組數據之間的穩定性即精密度。若變異系數越小,離散程度越小,數據穩定性越好;反之穩定性越差。由表2還可知,經電子厚度儀測量的數據變異系數均小于經游標卡尺測量得出數據的變異系數。計算結果表明,前者數據精密度優于后者。

三種樹的測量精密度折線圖如圖5～圖7所示。

圖5 馬占相思數據折線圖Fig.5 The data line chart of Acacia Mangium

圖6 非洲楝數據折線圖Fig.6 The data line chart of African neem

圖7 面包樹數據折線圖Fig.7 The data line chart of breadfruit

本設計大大提高了測量研究效率,為此在滿足測量要求的前提下進行統計兩種測量儀器的一次工作時間或效率。電子樹皮厚度測量儀只需將插刀插入樹干即可測量樹皮厚度,統計該儀器對每種樹進行20次測試所需時間;而游標卡尺測量需要鑿開樹皮進行測量,對每種樹則進行一次測量。其測量時間結果如表3所示。

表3 測試時間結果Tab.3 Result of the test time

3.2 試驗分析討論

由圖5～圖7可以看出,顯示的數據變動幅度,可以得出:經電子厚度儀測量的數據上下波動幅度較游標卡尺的小。同時電子厚度儀測出的數據集中度較好,并不發生很尖銳的變動,數據分布較集中。偶然誤差的誤差值比較大,即跟其他幾個值的誤差比較大,而系統誤差無法克服且系統誤差值比較小,即所測的每個數字跟平均值誤差都比較小。由表3數據分析得出:電子樹皮厚度測量儀的測量時間遠遠低于傳統游標卡尺的測量時間,其效率分別提高了17.2、18.2、17.1倍。

本設計選取了三種樹種進行測量試驗,一方面是考慮到每種樹的表面硬度、厚度、粗糙度以及其他客觀因素對測試所帶來的影響;另一方面也是為了更加科學地得出試驗結果。

根據上述結果分析得出電子樹皮厚度儀的精密度優于傳統電子游標卡尺測量儀,并且效率是游標卡尺的17～19倍,為此采用本設計的電子樹皮厚度儀在測量精密度、穩定性、效率方面均遠遠勝過游標卡尺。本設計的電子厚度測量儀,不僅結構簡單,而且成本低、易操作。該儀器完全體現了精密度高、效率高、穩定性強的特點。

4 結束語

針對容柵技術的測長位移傳感器的研究和橡膠樹皮厚度的物理特性分析,設計了一套結構簡單的電子樹皮厚度測量儀。測量數據分析得出,變異系數均小于傳統的卡尺測量,其效率也提高了近20倍,體現了該儀器精密度高、穩定性強和效率高等特點。但設計的儀器也存在不足之處。其一,不同樹的樹皮厚度有較大的差異,使用具有一定的局限性;其二,該儀器對樹也有一定的微損傷,希望能夠設計出無損傷儀器。該研究對我國生態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

國家級大學生創新訓練計劃基金資助項目(編號:201210589012);

海南省自然科學基金資助項目(編號:513137);

海南大學科研啟動金資助項目(編號:kyqd1313)

修改稿收到日期:2014-02-06。

蔡維(1991-),男,2014年畢業于海南大學機械設計制造及其自動化專業,獲學士學位;主要從事機械制造及其自動化。