应用电感式位移传感器设计的叶片厚度检测仪1)

刘九庆 朱福安

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

植物检测方面的植物物理信息学，是对植物物理形态结构等进行微量检测分析，从而在物理形态学的层面上对植物的水分缺乏、营养成分缺失以及生长状况等一系列情况进行检测和控制[1]。其中植物叶片厚度，是植物物理信息学中非常重要的一个检测量。植物形态学的变化，是一个极其微小的变化量，只有当测量纲量达到微米级及其以上时，才能准确的分析出需要的信息[2]。对植物的生长状况进行准确的观察和控制，需要测量植物叶片厚度变化；然而，现有的植物叶片厚度检测，多为非接触式测量，测量结果受到环境等因素影响很大，不能满足要求。为此，本研究针对植物叶片厚度测量设计了一种接触式无损植物叶片检测仪，解决了现有非接触式植物叶片测量时，受环境影响大、测量结果不准确以及传统接触式测量易损伤叶片的缺点。

1 设计方案

1.1 设计过程

当植物叶片厚度增量变化达到μm/min时，传统的非接触式测量方式(如激光、光谱分析等)不能达到预期的要求，所以需要选择更为精确的接触式检测仪[3]。接触式测量进行测量时，探测装置会直接和叶片接触，由于叶片属于柔性材料，其测量结果会极大的受到检测时叶片所受的接触力的影响。所以，本文选择探针式作为测量的测量方式，以最大程度的减少叶片接触面积。叶片生长过程中进行的水分吸收、光合作用、呼吸作用、蒸腾作用等一系列生理活动，会使叶片厚度处于一种不规律的往复变化中[4]，所以需要随时控制探针升降，测量过程中对叶片不造成损伤，不影响测量结果。

设计的检测仪探针升降系统，是通过单片机经由步进电机控制的。同时在探针与叶片接触的端部，安装压力传感器，实时感应探针探测压力的变化，将探测到的压力作为输入信号传入单片机，从而相应的发出输出信号控制探针的升降。通过这样的设计，能使检测时叶片所受的接触力一直处于预设的范围内，从而最大程度的减少叶片的受损。

1.2 工作流程

根据流程图(见图1)可见：检测仪的测量过程，是一带有负反馈的闭环系统，比现有的开环式的检测系统的测量准确度、精度以及对于叶片的无损伤度将会更好。

图1 工作流程图

1.3 主要元器件的选择

位移传感器的选择：植物叶片厚度无损检测仪中的位移传感器，是与被测叶片直接接触并且进行最终检测的部件，仪器测量结果的准确性和精确度主要由位移传感器决定。植物叶片厚度是不间断的微小距离变化，所以，对于位移传感器的选择主要考虑其测量的准确性与精确度，可以忽略量程及对测量环境的要求。

为满足设计检测仪高精度、微型化要求，本研究选择电感式位移传感器。电感式传感器主要分为轴向式和旁向式[5]。由于叶片厚度为微小变化，并且属于柔性材质，所以选用旁向式电感传感器(见图2)。

1为外壳；2为线圈；3为骨架；4为磁芯；5为测杆；6为柔性支撑；7为固定平台；8为接线端；9为信号电缆。

图2传感器机构

测量时，将被测叶片放置于位移传感器测杆和预压力杆之间；固定平台主要用于放置被测叶片，减小由于重力、叶片形变产生的测量误差。测杆会跟随叶片厚度变化而进行微小升降，以柔性支撑为支点，根据杠杆原理，从而带动磁芯移动；磁芯在线圈中的上下移动，切割磁感线，引起线圈内电流变化，经过转换后进行位移的测量[6]。

压力传感器的选择：压力传感器主要作用是对叶片受到的预压力进行实时监控，控制探测杆的升降，做到无损测量。根据设计要求，压力传感器主要考虑反应速度以及分辨率。根据仪器设计的规格及检测精度，本研究选用微型压力传感器(PX600系列超小型齐平膜片压力传感器)。

电机的选择：根据设计对探测杆升降速度以及检测仪设计规格的要求，选择PG28系列的行星减速步进电机。

1.4 检测仪机械结构三维模型及工作过程

运用solidwork进行三维模型建造(见图3)。对照图4中的各个部件序号，叶片厚度检测仪的工作原理：电感式位移传感器(3)安装于检测装置支架(2)内；预压力杆(16)安装于预压力提供机构中，通过弹簧(17)消除其安装间隙，并使预压力杆在弹簧力的作用下稳定在机构中；预压力杆上安装有齿条，使其与小齿轮(11)啮合；小齿轮(11)和蜗轮(14)经齿轮轴(12)联接，并且进行联动；压力传感器(8)安装于预压力杆(16)的端部；减速电动机(4)通过联轴器(5)与蜗杆(9)相联接，并控制其旋转，控制整个预压力提供机构的升降。

蜗轮直径大于小齿轮直径，并且为一定比例(本次设计中，蜗轮直径为小齿轮直径的4倍)，小齿轮与蜗轮为同轴联动机构。当蜗轮带动小齿轮转动时，两个齿轮线位移的比值为其直径的反比；由于预压力杆是通过齿条与小齿轮啮合，实现在小齿轮的带动下进行升降的，所以当电动机控制蜗轮蜗杆进行运动时，预压力杆在小齿轮的带动下只会进行小距离的移动，实现预压力杆的微量调节。

图3 叶片厚度检测仪三维模型

1为叶片安放台；2为检测装置支架；3为电感式位移传感器；4为PG28行星减速步进电机；5为梅花形弹性联轴器；6为预压力提供机构外盖；7为紧固螺栓；8为压力传感器；9为蜗杆轴；10为轴承；11为小齿轮；12为齿轮轴；13为轴承；14为蜗轮；15为预压力提供机构壳体；16为预压力杆；17为弹簧。

图4叶片厚度检测仪装配爆炸图

1.5 PID控制系统设计

控制探测杆升降的执行部件，是PG28系列的行星减速步进电机。步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成角位移或直线位移的电动机。它的输出角位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比[7]。为了检测结果的精确性，对步进电机进行精准控制，则运用单片机进行PID闭环反馈控制。根据检测的工作原理可知其控制系统流程图(见图5)。

图5 控制系统流程图

探测杆的升降及停止是通过蜗轮蜗杆及齿轮啮合，根据步进电机输出转速(n)的变化来调节，并通过压力传感器传给单片机的反馈信号形成整个闭环控制系统的。由于涡轮蜗杆及齿轮的传动，在整个控制过程中可以用一个比例环节表示，所以可以将其整合到单片机PID控制部件中，从而得到一个相对简单的控制系统数学模型(见图6)、控制系统结构图(见图7)。

图6 PID控制系统数学模型

图7 PID控制系统结构图

1.6 软件系统设计

植物叶片厚度微增量检测仪的系统软件设计，采用模块化编程技术，系统程序主要由主程序、中断服务程序和一系列具有不同模块功能的子程序组成。主程序主要负责完成系统的初始化、人机交互功能(即液晶显示及按键)初始化、数据的存储和开中断等；系统的植物叶片厚度测量、数据查看以及通讯等功能，通过中断完成。系统主程序流程图如图8所示。

图8 主程序流程图

系统功能模块子程序，是在主程序流程图中“执行操作”一步通过按下的键值不同，系统进行不同模块的操作。主要将系统分为以下几个模块：系统设置模块、测量模块、查看模块、通信模块。液晶显示、键盘设置等功能，在主程序软件设计初始化部分一起完成。具体各个模块的软件设计流程见图9所示。

2 检测仪精度评估

采用标准量块，对设计的植物叶片厚度无损检测仪进行误差检测。在水平平台上放置标准量块，通过标准量块组合使被测量的组合量块分别以10、100 μm的间隔递增，用植物叶片厚度无损检测仪对每个组合量块进行测量(见表1)。

表1 误差测量数据统计表 μm

根据测量数据得出检测仪的最大相对误差为0.42%，将测量误差进行统计规律分析得到其分布图(见图10)。由图10可见：植物叶片厚度无损检测仪的误差分布，是具有周期性的复杂变化曲线。由于检测仪中蓄电池电压，随着放电时间而降低会引起线性系统误差；检测仪机械结构中的齿轮、蜗轮蜗杆等部件，会引起周期性的系统误差。分析误差形成原理及其规律，可在测量过程中采用相消法提高检测精度。

图9 软件系统流程图

图10 误差分布曲线

3 结论

解决了对叶片厚度进行测量存在的准确度与精度问题。

设计了一种对柔性材料进行测量的高精度检测仪，解决了对传统柔性材料测量时易变形影响测量精度的缺点。

对检测仪的控制系统进行了分析，为其他测量机构的控制系统提供借鉴。

确定了植物叶片厚度无损检测仪的精度，并对检测仪的误差来源、种类及其消除方法进行了分析。为其他仪器设计的误差分析提供借鉴。

[1] LEE K C， YANG J S， YU H H. Development and evaluation of a petal thickness measuring device based on the dual laser triangulation method[J]. Computers and Electronics in Agriculture，2013，99：85-92.

[2] BRÉDA N J J. Ground-based measurements of leaf area index： a review of methods， instruments and current controversies[J]. Journal of Experimental Botany，2003，54：2403-2417.

[3] CAI X， SUN Y， ZHAO Y， et al. Smart detection of leaf wilting by 3D image processing and 2D Fourier transform[J]. Computers and Electronics in Agriculture，2013，90：68-75.

[4] 李庆祥，王东生，李玉和.现代精密仪器设计[M].北京：清华大学出版社，2004.

[5] 张音，何满喜，李东升.植物器官几何量测量仪原理误差的研究[J].计量技术，2007(4)：19-21.

[6] 韩冰，雷志强，朱来普，等.一种新型的果实尺寸传感器[J].吉林大学学报(理学版)，2010，48(2)：303-306.

[7] 郭天太，郭冲冲，李东升，等.植物器官尺寸变化的传感器测量技术综述[J].机床与液压，2012，40(13)：184-186.