植物树干生长量实时精密测量装置的研制

张印香，禹　静，姚静远

(1.呼伦贝尔市产品质量计量检测所，内蒙古 呼伦贝尔 021000；2.中国计量学院 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018)



植物树干生长量实时精密测量装置的研制

张印香1，禹静2，*，姚静远2

(1.呼伦贝尔市产品质量计量检测所，内蒙古 呼伦贝尔 021000；2.中国计量学院 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018)

植物树干生长量的实时精密测量可以用于观测植物生长情况，为此研制了一种植物树干生长量实时精密测量装置。首先设计了该装置的机械支架、各部分电路系统，并进行联调，完成整机制作。其次，在晴天、雨天、阴天3种不同天气条件下，以澳洲杉为材料，进行树木胸径日变化量的测量，并总结得到了周变化规律。结果表明，该装置能够实时精密测量植物树干生长量。

植物胸径；胸径生长量；实时精密测量

大气中CO2的排放是影响气候变化的主要因素之一，森林作为陆地生态系统主体，具有可重复再生的特性，有碳源和碳汇的双重作用[1-2]。目前主要的碳汇方式都是宏观碳汇法，所得到的结果都难以保证量值的准确和统一，使量值溯源成为急需解决的难题。因此，开发微观的林木碳汇计量方式是当前研究的重点问题。胸径和树高是影响植物固定CO2量(即其生长量)的因素之一[3]。由于树高测量时的不准确性，在测量植物生长量时，树木直径显得尤为重要。依据环境或生理节律，树干会出现周期性的膨胀和收缩，这些生理活动直接反映了树干的生理状态[4]。树干生理扩张是因为树干蓄有水分，其水分蒸发使木质压力下降，引起树干收缩，而其固定CO2又会引起树干生长扩张[5]。因此，为了解树木短期的直径变化、长期的生长量和生长速率变化及其与环境的关系，对树木直径生长量进行精确实时测量具有十分重要的意义。

树木胸径最原始、最直接的测量方式是用围尺，但围尺无法精密测量胸径的变化量。现有树木胸径生长量的测量方法主要有支架式和拉绳式2种，支架式直径测量仪器[6]主要采用相互垂直的4个支架将直线位移传感器装夹到树干上，夹具过紧会影响树干直径测量准确度，此外风大时易造成的仪器倾斜，也会增大误差。与支架式树干直径仪类似的有利用围绳将直线位移传感器装夹到树干上的直径生长量测量仪[7-8]。拉绳式树干直径测量仪主要通过拉绳传感器进行测量。类似原理的有美国新墨西哥州立大学Juming Wang研制的树木直径测量仪[9]。此外，也有利用新技术如激光、超声等方法测量胸径值[10-14]。现有测量方法设计精度不足以测量胸径的实时变化量，因此，本文设计了一个多支点式测量仪器，用以稳定精确地测量树木胸径值以及胸径的实时变化量，该仪器对植物的压力小，同时结构简单，易于携带且制作成本低。

1　测量装置设计要求

1.1测量方法的选择

树木的直径可达10 m以上，而其平均日变化量属于微米量级，因此依据胸径值可采取不同的测试方法。当树干较细(胸径值<100 mm)，树表皮较为脆弱时，采用微型支架式测量装置较为合适。树干尺寸较适宜时(100 mm<胸径值<300 mm)宜采用支架式测量方法，既能测量树干静态值，又能测量动态值。若树干直径过大(胸径值>300 mm)，采用支架式测量装置由于自重过大导致装置会以一定速度下移，从而影响测量

精度，过重的测量装置会损伤树表皮，因此宜采用拉绳式测量方法。

本文以胸径100 ～ 150 mm的澳洲杉(Araucaria heterophyll)作为测量对象，为此设计了尺寸合适、质量轻的支架式测量装置。

1.2测量装置工作原理

植物树干生长量实时精密测量仪采用3点法测量直径，由2个部分组装成夹角为120°的V型体，结合安装在与V型角对角线重合处的微位移传感器，实现胸径实时变化量的测量。而其静态值的测量主要通过微位移传感器与测量仪支架链接部分上安装的传感器获得，其设计原理如图1所示。

r：树干半径，b∶V型支架斜边长度，α：夹具顶端夹角，β：栅类尺所在支架的夹角，l1：栅类尺测量值，l0：传感器夹具与树干的间距，x：微米级位移传感器测量值，γ：传感器夹具与栅类尺所在支架的夹角。图1　胸径测量仪原理图Fig.1　The schematic diagram of the tree diameter measuring device

根据图1可推得，该测量装置的胸径计算公式为：

(1)

式(1)中：d为树干直径，r为树干半径，b为V型支架斜边长度，α为夹具顶端夹角，β为栅类尺所在支架的夹角，l1为栅类尺测量值，l0为传感器夹具与树干的间距，x为微米级位移传感器测量值，γ为传感器夹具与栅类尺所在支架的夹角。

2　树干直径生长量实时精密检测装置的设计

2.1机械结构设计

树干直径的测量要求能够稳定装夹在树木枝干上，不受环境等因素影响，对树干无压迫。此外，还应具备可单人操作、便携等特点。本文研制的测量仪机械装置简图如图2所示。装置由定位支架和传感器装夹单元组成，定位支架采用四接触测量点结构，利用V型定位支架及与其V型角相对的2个定位支架形成的空间4点稳定结构，保证在不影响测量的同时装置能稳定装夹在树干上。电感传感器装在与V型角相对的直径测量点处，其测头位移方向与V型角的对角线重合。

测量仪机械测量装置采用可折叠式，各部分连接处装有高精度活动铰链或轴承，使得测量臂与夹紧臂可折叠，在测量时配合挡板及碰珠实现精确定位。此外，装置还采用2根支架的机械结构设计，以先夹紧后测量的方式代替了夹紧、测量同时进行的方式。实行夹紧与测量串行的方式，夹紧装置与测量装置相互配合且互不干扰，单人即可完成测量工作。为减轻装置重量，在各部件满足使用要求的同时，对测量仪的结构进行了轻量化设计，如测量仪定位支架、传感器夹具、定位夹具采用骨架式结构，夹紧臂和测量臂采用中空式结构，在保证结构强度和刚度要求的同时使测量仪夹具质量大幅度减小。另外，对测量仪的制作材料和制作工艺进行了优化，在减轻测量仪质量的同时提高了装置的耐磨性，保证了其使用寿命。

如图2所示，将折叠装置打开后，将其装夹至直径60 mm的标准圆柱上，调节滑块锁紧固定旋钮，再旋转调节手轮使装置稳定装夹在标准圆柱上，后缓慢调节滑块至使传感器示数接近0 mm处，锁紧旋钮，此时微米级位移传感器示数x0，栅类尺动尺示数为l0。记录上位机树干直径初始值为60 mm，胸径变化量初始值为x0，即此位置为测量原点。取下测量装置，将其装夹在被测树干上，调节传感器夹具，使微米级位移传感器示数接近x0，并记录微米级位移传感器示数为x1，拧紧锁紧旋钮，记录栅类尺动尺示数l1，胸径实时变化量Δx1。则此时树干直径的实际值为：

1：定位支架a；2：不锈钢块；3：挡板a；4：轴；5：支架a；6：传感器夹具；7：滑块a；8：锁紧旋钮a；9：调节手轮；10：微米级位移传感器；11：螺杆；12：锁紧旋钮b；13：滑块b；14：A字形支架；15：凹形块；16：树干；17：支架b；18：轴；19：挡板b；20：定位支架b。图2　机械装置三维示意图Fig.2　3-D schematic diagram of the machinery

(3-1)

2.2电路设计

植物胸径测量仪测控电路包括传感器信号调理模块、磁栅尺接口模块、正交编码模块、光合有效辐射测量模块、温湿度测量模块、串口通信模块、MSP430F149、数据存储及时钟模块、液晶显示模块、太阳能电池等，硬件系统总体结构如图3所示。微位移传感器进入传感器信号调理模块，所得模拟信号由AD转换模块转换为数字信号上传至MSP430F149，磁栅尺信号经过磁栅尺接口模块屏蔽外界干扰后，进入细分辨向模块运算获得磁栅尺输出的方波信号数，由MSP430计数并结合磁栅尺分辨力获得磁栅尺的位移。该信号传输处理电路可实时显示直径静态值与动态值并进行存储，也可进行串口通信将存储的数据上传至上位机。此外，由于直径测量试验多为野外试验，该电路在阴天和雨天时由电池供电，晴天时直接由太阳能供电，延长了试验周期。仪器电路设计包括电源电路、胸径测量电路、时钟电路、存储电路、温湿度测量电路、转换电路等。结合上位机软件程序编写完成样机的设计及制作，本文着重描述有关胸径静态测量及动态测量电路。

图3　硬件系统框图Fig.3　Hardware system

2.2.1胸径静态测量电路

胸径静态测量电路核心是磁栅式传感器。由于本研究要求精度较高，因此胸径静态测量模块采用MSR50H磁栅尺位移传感器。磁栅接口电路如图4所示，采用高速光电隔离器6N137，其转换速率达10 MBit·s-1，不仅电路设计简单，而且提高了测量精度和数据处理速度。

磁栅尺位移传感器的输出信号为两路相位差为90°的TTL电平信号，需正交编码后进行计数，磁栅尺位移传感器的位移与正交编码后的电平信号的关系为：位移=电平信号个数×传感器分辨力。选用HCTL-2032四细分辨向芯片对磁栅尺位移传感器输出信号进行正交编码处理。该芯片具有四细分和辨向的功能，同时还具有抗干扰设计，并将可逆计数器设计在芯片上，可大大简化外围电路的设计。来自传感器的两路方波信号分别经CHA0和CHB0端送入芯片，且输入信号经过施密特触发器和数字滤波器的预处理后，消除了噪声可能引起的误计数，增加了抗干扰能力。同时，为了防止在读取高、低片字节的间隙锁存器内容发生变化，读取的高、低字节互不对应，内设有禁止逻辑，使锁存器数值保持不变，但不影响计数器照常计数，直到读取低字节后，禁止逻辑才接触，锁存器回复正常工作。

2.2.2胸径动态测量电路

胸径动态测量电路由DP-S4电感传感器、AD598调理电路和AD转换电路组成，如图5所示。该传感器的量程为1 mm，分辨力为± 0.0 μm，精度为0.2 μm，可以满足胸径动态测量的要求。电感传感器输出的是位移信号，数据采集一般为电压或电流信号，因此需要通过信号调理电路将位移信号转换成电信号。如图5所示，其中J5为GT22差动电感传感器的接口，R22用于调节输出激磁的幅度，实现激励信号的频率补偿，R24可以调节输出电压幅值，电路后续加一阶RC低通滤波和稳压二极管，减少纹波电压。

图4　磁栅接口电路Fig.4　Magnetic grid interface circuit

图5　信号调理电路Fig.5　Signal conditioning circuit

3　胸径测量试验

于2014年8—10月，选取中国计量学院校园内的澳洲杉为试验对象，用本研究研制的植物生长量实时精密测量仪进行树木胸径及其日变化量的数据采集。采集位置为树木胸径处(离地约1.3 m)，并用标记笔标记测量区域。

试验选择在晴天、阴天、雨天3种不同天气条件下进行，选取年龄相近、长势一致的澳洲杉进行测量，采集时间为每天0:00～23:30，每隔30 min记录一次胸径变化量数据。图6-A，B，C分别为3种天气条件下，澳洲杉胸径的日变化曲线。

如图6所示，在晴天和阴天条件下，每天早上7:30～9:00，胸径变化量降到最小；9:00以后胸径变化量开始变大并在下午15:30～16:30达到最大，之后减小，一天间出现1次波峰和1次波谷；雨天胸径变化量并未出现增大现象，而是呈稳定降低趋势，未出现波峰或波谷。

如图7所示，对澳洲杉进行连续一周的测量后(前半周阴天、后半周晴天)发现，阴天时虽然每天仍出现波峰和波谷，但胸径变化量总体呈下降趋势，而天气转晴以后胸径变化量呈上升趋势。因此，推测植物对环境的实时响应机制不仅体现在植物叶片上[15-16]，还一定程度地体现在树木枝干上。

图6　晴天(A)、阴天(B)和雨天(C)条件下澳洲杉胸径日变化曲线Fig.6　Diameter daily changing curve of Araucaria heterophyll on sunny，cloudy and rainy day

横坐标的“15”表示周一第一次测量结果，“360”表示周日最后一次测量结果。图7　澳洲杉胸径的周变化曲线Fig.7　Diameter weekly changing curve of Araucaria heterophyll

4　结论

本文结合当前碳汇交易的大环境，针对能有效吸收大气中的CO2并将其固定的最主要途径——树木，提出了树木胸径微变化量的实时测量。树干除根据环境或其生理节律出现周期性的膨胀和收缩以外，其固定CO2也会引起树干生长扩张。本研究研制了一种树木胸径生长量实时精密测量仪，设计了机械支架，将测量用传感器装入支架，使传感器与树干稳定接触；然后利用电感传感器解决了胸径日变化量微小不易测量的问题，设计了电路部分并结合上位机软件程序完成样机制作。采用该仪器长期测量澳洲杉胸径变化量，得到澳洲杉胸径日变化规律及周变化规律。该研究结果为研究树木生长规律与环境因素之间的关系提供了良好的测量途径。

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(责任编辑侯春晓)

Research of real-time precision measuring device for measuring tree diameter growth

ZHANG Yin-xiang1，YU Jing2，*，YAO Jing-yuan2

(1.Hulun Buir Production Quality Test and Metrology Institute，Hulun Buir 021000，China;2.College of Metrology and Measurement Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China)

Plant growth could be directly observed by real-time precision measurement of tree diameter.So the real-time precision measuring device for tree diameter was developed in this study.The mechanical bracket and circuit system of each part had been designed firstly，and the real-time precision measuring device was then completed.Then，the diameter of Araucaria heterophyll had been measured by this device during sunny day，rainy day and cloudy day，respectively.And the week change law of tree diameter was summarized.The results showed that this real-time precision measuring device could be well used for measuring tree diameter.

tree diameter;tree diameter growth;real-time precision measuring

浙江农业学报Acta Agriculturae Zhejiangensis，2016，28(3):528-534http://www.zjnyxb.cn

张印香，禹静，姚静远.植物树干生长量实时精密测量装置的研制[J].浙江农业学报，2016，28(3):528-534.

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.03.27

2015-12-07

国家自然科学基金(60671052)

张印香(1968—)，女，内蒙古呼伦贝尔人，高级工程师，研究方向为植物检测。E-mail:hlpsb@163.com

，禹静，yujing88@cjlu.edu.cn

S758.1

A

1004-1524(2016)03-0528-07