容栅技术的电子树皮测量仪的设计与精度分析

蔡维 史留勇 张燕 李朋伟 朱永超

(海南大学机电工程学院,海南 海口 570228)

容栅技术的电子树皮测量仪的设计与精度分析

蔡维 史留勇 张燕 李朋伟 朱永超

(海南大学机电工程学院,海南 海口 570228)

树皮厚度能够预测病虫危害、林木生长和遗传变异,是一个极其重要的参数。在对树皮厚度的自动测量技术进行研究的基础上,设计了一套“容栅式”树皮厚度测量仪。通过对马占相思、非洲楝、面包树的树皮厚度测量试验,得到相应的标准偏差、变异系数,且效率提高了17～19倍。研究结果表明,该电子树皮测量仪具有精密度高、稳定性好、效率高的特点,其将在我国生态仪器中树皮厚度测量领域起着开拓作用。

容栅技术 树皮厚度 测量精度 生态仪器 传感器

0 引言

树皮对树的生长有着直接的影响作用,因此对树皮及树皮厚度的研究在科研领域中有着不可忽视的影响意义和实用价值[1]。研究表明,树皮厚度不仅能够预测病虫危害、树木生长和遗传变异,而且也能够评估树皮中经济成分的含量[2-6]。国内对树皮厚度的测量仍然处于传统手工卡尺测量阶段,该测量方法不仅效率低、误差大,且对树皮损伤大。在国外由瑞典研制了唯一一款机械式树皮厚度测量器。该测量器为机械式读数,量程在0～50 mm,价格昂贵、机械读数慢、效率低,同时读数存在主观误差,因此推广受到极大的限制。容栅传感器是一种新型的位移电容传感器[7-8],具有体积小、抗干扰能力强、造价低、耗电少等特点[9-10]。

基于以上背景,本文设计了一套高精密度、高效率、低成本的电子测量仪。

1 树皮测量仪的原理

容栅位移传感器可分为两类:长容栅位移传感器和圆容栅角位移传感器[12-13]。本设计所涉及的是长容栅位移传感器及其原理。其测量电路原理如图1所示。

图1 测量电路原理图Fig.1 Schematic diagram of the measurement circuit

在一定的条件下,电容变化量的大小与耦合面积变化量成正比[11],即:

式中:ΔC为电容变化量;Δs为耦合面积变化量;ε为介电常数;d为容栅位移传感器与电容两极板之间的间隙。

2 测量仪的设计与分析

2.1 总体设计

电子树皮厚度测量仪系统如图2所示,由动栅、定栅、介质层、导电橡胶、液晶、限位套弹簧、十字插刀、容栅传感器以及单片机控制系统组成。其中动栅、定栅、导电橡胶、液晶可以直接选型。电子树皮厚度测量仪的重点是单片机控制、容栅传感器控制电路和机械设计部分。

图2 电子树皮厚度测量系统总体框图Fig.2 Overall block diagram of the electronic tree bark thickness measurement system

2.2 仪器机械结构设计

本文设计的树皮厚度测量仪结构图如图3所示。

图3 测量仪结构示意图Fig.3 Structure schematic diagram of measuring instrument

测量仪机械结构主要由测尺、十字插刀、限位套、弹簧、手柄等组成。测量原理具体如下。

测尺一端与手柄连接,另一端与插刀连接。测尺包括无刻度线测尺和有刻度线测尺两部分,无刻度线测尺与手柄胶接相连,且无刻度测尺上表面缠绕有弹簧;有刻度线测尺上设有电子显示屏。弹簧一端与手柄连接,另一端与电子显示屏连接。电子显示屏的左端设有挡块,电子显示屏的右端设有限位套,限位套的最前端套在插刀的刃口处。其中显示屏的右端与有刻度线测尺的零刻度线对齐,且电子显示屏的读数结构是主刻度尺身、定栅、介质层、电子显示屏的尺框、动栅、集成电路、液晶、集成电路。

2.3 仪器电信号传递分析

为了实现测距,动栅与定栅必须满足以下要求:定栅节距为5.08 mm,动栅节距为0.635 mm,定栅节距是动栅节距的8倍,即每8条动栅对应1条定栅,但1个定栅节距内有一半是屏蔽板,则只有4条动栅与定栅耦合。同时接收板也与5节定栅耦合,接收板长为25.4 mm。若由ω=0.635 mm表示动栅节距,其中C1(x)至C8(x)表示各组每块动栅与定栅间的电容,它们是机械位移量x的函数。

动栅上共有6组极板,各组工作情况相同,则取一组来进行分析。每组8块发射极板,各自收到从驱动电路送来的方波信号或基波正弦信号e1(t)～e8(t)为8路驱动信号[14-16],依次以45°相位差递增。此信号周期T=512τ=2 816 μs。在1/8T开始处有较宽的凸波,而后在1/2T开始处又有较宽的凹波,因而在整个T周期内的基波就是正弦信号[17]。因此,该信号可当作正弦波,得出:

式中:e1～e8为8路驱动电动势;E为电动势。

测量距离与相角函数近似符合线性关系,其关系如图4所示为测量移动距离x与相角之间的关系。

图4 测量距离与相角的关系图Fig.4 The relationship between measuring distance and the phase angle

计算得出交流电压源。因每条电路都是交流电路,则由克希霍夫第一、第二定律求得等效电路中的电流和电压方程。

当0≤x≤ω时,有:

式中:x为测量移动距离;Θ(x)为移动相角。

同理亦可得出ω≤x≤2ω,2ω≤x≤3ω,……

3 试验结果与讨论

3.1 试验结果

为了得出仪器的测量精度与稳定性,将该仪器与传统树皮测量方式(游标卡尺测量)进行对比试验。为此,根据不同树的树皮硬度及厚度的差异,选取马占相思、非洲楝、面包树分别进行树皮厚度测量。试验地点选为海南大学。试验时间:2013年3月20日上午8点至10点。选取该三种树在垂直距离地面为树高的1 m处15 mm×15 mm的方形平整面积作为测量范围,为了避免主观因素,则由同一个人进行三种树皮厚度的测量,两种方法测得的数据如表1所示。

表1 两种方法测得试验数据Tab.1 The measured test data obtained by two methods mm

精密度反映了用同种备用样品进行重复测定所得到测量结果的重复性、重现性、集中性。数据分析如表2所示。

表2 数据分析Tab.2 Analysis of the data mm

从表2可以看出,每一种树由电子厚度仪所测得的树皮厚度的标准偏差均小于游标卡尺所测得的,标准偏差越小,其偏离平均值就越少。每一种树测量范围相同,但由于测量仪器存在一定误差,导致测量数据平均值不同;又由于不同量纲和不同水平下的数据对标准差大小有很大的影响,因此用变异系数将可消除平均值不同的影响,从而较准确地比较各组数据之间的稳定性即精密度。若变异系数越小,离散程度越小,数据稳定性越好;反之稳定性越差。由表2还可知,经电子厚度仪测量的数据变异系数均小于经游标卡尺测量得出数据的变异系数。计算结果表明,前者数据精密度优于后者。

三种树的测量精密度折线图如图5～图7所示。

图5 马占相思数据折线图Fig.5 The data line chart of Acacia Mangium

图6 非洲楝数据折线图Fig.6 The data line chart of African neem

图7 面包树数据折线图Fig.7 The data line chart of breadfruit

本设计大大提高了测量研究效率,为此在满足测量要求的前提下进行统计两种测量仪器的一次工作时间或效率。电子树皮厚度测量仪只需将插刀插入树干即可测量树皮厚度,统计该仪器对每种树进行20次测试所需时间;而游标卡尺测量需要凿开树皮进行测量,对每种树则进行一次测量。其测量时间结果如表3所示。

表3 测试时间结果Tab.3 Result of the test time

3.2 试验分析讨论

由图5～图7可以看出,显示的数据变动幅度,可以得出:经电子厚度仪测量的数据上下波动幅度较游标卡尺的小。同时电子厚度仪测出的数据集中度较好,并不发生很尖锐的变动,数据分布较集中。偶然误差的误差值比较大,即跟其他几个值的误差比较大,而系统误差无法克服且系统误差值比较小,即所测的每个数字跟平均值误差都比较小。由表3数据分析得出:电子树皮厚度测量仪的测量时间远远低于传统游标卡尺的测量时间,其效率分别提高了17.2、18.2、17.1倍。

本设计选取了三种树种进行测量试验,一方面是考虑到每种树的表面硬度、厚度、粗糙度以及其他客观因素对测试所带来的影响;另一方面也是为了更加科学地得出试验结果。

根据上述结果分析得出电子树皮厚度仪的精密度优于传统电子游标卡尺测量仪,并且效率是游标卡尺的17～19倍,为此采用本设计的电子树皮厚度仪在测量精密度、稳定性、效率方面均远远胜过游标卡尺。本设计的电子厚度测量仪,不仅结构简单,而且成本低、易操作。该仪器完全体现了精密度高、效率高、稳定性强的特点。

4 结束语

针对容栅技术的测长位移传感器的研究和橡胶树皮厚度的物理特性分析,设计了一套结构简单的电子树皮厚度测量仪。测量数据分析得出,变异系数均小于传统的卡尺测量,其效率也提高了近20倍,体现了该仪器精密度高、稳定性强和效率高等特点。但设计的仪器也存在不足之处。其一,不同树的树皮厚度有较大的差异,使用具有一定的局限性;其二,该仪器对树也有一定的微损伤,希望能够设计出无损伤仪器。该研究对我国生态仪器研究有着积极作用。

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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

国家级大学生创新训练计划基金资助项目(编号:201210589012);

海南省自然科学基金资助项目(编号:513137);

海南大学科研启动金资助项目(编号:kyqd1313)

修改稿收到日期:2014-02-06。

蔡维(1991-),男,2014年毕业于海南大学机械设计制造及其自动化专业,获学士学位;主要从事机械制造及其自动化。