CN101363826A - 一种测量植株抗拔力与抗张强度的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量植株抗拔力与抗张强度的方法，其步骤包括：用霍尔电流传感器测量驱动电机的空载电流；用与驱动电机相连的细绳绑住待测量植株；用所述的霍尔电流传感器测量驱动电机在拉拔植株状态下的工作电流，直到拔出植株或拉断植株，测量出拉拔过程中工作电流的变化曲线；根据所述工作电流与空载电流的差值求出负载电流的变化曲线；把所述负载电流的变化曲线转化成植株拉拔过程中受到拉力的变化曲线，求出植株抗拔力。本发明还公开了一种测量植株抗拔力与抗张强度的装置。本发明的方法和装置能够克服传统测量方法和装置在精度、价格、适用性等方面的缺陷，为植物的固土本质和绿化工程研究提供了可靠的途径。

Description

一种测量植株抗拔力与抗张强度的方法和装置

技术领域

本发明涉及植物根系力学特性测量领域，特别涉及一种测量植株抗拔力与抗张强度的方法和装置。

背景技术

植被可用于沙漠防治和生态恢复，其在固土防沙，提高土壤抗侵蚀强度，稳定土壤结构、稳固边坡，水土保持等方面的作用已逐渐被人们所认识。植物根系是植物固土的重要器官，了解和明确植物根系力学性质及其加固土壤的机制，揭示其固土本质，无论是对基础科学研究，还是对绿化工程等方面都具有重大意义。

目前，国内外关于植物根系力学特性及其固土机理研究尚处于起步阶段，各方面都有待深入。诸多学者对植物根系的土壤增强作用的大量研究表明：土壤抗剪强度(土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力)的增加主要归因于土壤——根系的相互作用——植物根系对根际土壤的牵引效应，并且还建立了根——土相互作用的分析模型。

根——土相互作用模型和植物根系力学特性的研究，主要通过拉拔试验，根系抗拉试验来完成。但是在测量方法和测量工具上，国内外均没有形成统一的标准，这就使得凡是能够用来测量力学特性的工具都有可能应用在拉拔或根系抗拉试验中。据相关文献描述，周跃、李绍才等人用弹簧秤、液压仪或其他各种拉力仪测量拉拔试验中的拉力大小。在实验过程中，应用人力拉动绑住植株的拉力仪，缓慢将其拔出，读取拉拔过程中拉力仪的最大数值，作为植物根系对根际土壤的牵引力。但是此方法难以确保拔出植株的瞬间不产生加速度，并且很难准确读取拉力仪形变的瞬时最大值，因此测量出的牵引力与真实值间存在误差；而且这种方法不能连续测量拉拔过程中的拉力值，不利于整个拉拔过程的研究。

Bruce Abernethy、S.De Baets等人设计出的机械测量仪能够克服上述缺点，他们用垫有胶皮的器械夹住植株杆茎，电机驱动恒速拉拔植株，并且应用拉力传感器测量拉力值，数据采集器定时采集拉力传感器输出值，直到将植株拔出。此方法在电机启动、还未达到稳定运行的情况下，就开始拉拔植株，其开始测量的拉力值缺乏准确性，且精度较大的拉力传感器价格较高，大大增加了整个系统的开发成本。

发明内容

本发明的目的在于克服上述测量过程中出现的各种问题，提供一种基于霍尔电流传感器和驱动电机的测量方法，该方法能测量植物根系对根际土壤牵引力、植株杆茎和植株根系的抗拉强度。

为实现上述目的，本发明的技术方案提供了一种测量植株抗拔力与抗张强度的方法，该方法包括以下步骤：

S1，用霍尔电流传感器测量驱动电机的空载电流；

S2，用与驱动电机相连的细绳绑住待测量植株；

S3，用S1中所述的霍尔电流传感器测量驱动电机在拉拔植株状态下的工作电流，直到拔出植株或拉断植株，测量出拉拔过程中工作电流的变化曲线；

S4，根据所述工作电流与空载电流的差值求出负载电流的变化曲线；

S5，把S4中所述负载电流的变化曲线转化成植株拉拔过程中受到拉力的变化曲线，求出植株抗拔力。

其中，所述的霍尔电流传感器为电压输出式霍尔电流传感器。

其中，所述霍尔电流传感器的输出电压由工作于向上运行方式的圆锥指数仪采集。

其中，根据权利要求3所述的测量植株抗拔力与抗张强度的方法，其特征在于，所述的拉力由公式 $f_p=\frac{V_{\mathrm{out}}-V_{\mathrm{out}}\′}{R}\·\frac{K}{r}$ 求出，其中V_out为拉拔植株时所述霍尔电流传感器的输出电压，V_out′为空载状态下所述霍尔电流传感器的输出电压，R为所述霍尔电流传感器的电压/电流转换系数，r为传动机构旋转半径，K所述驱动电机的转矩系数。

其中，所述细绳柔软无弹性，所述细绳的长度能使电机空载运行达到匀速运动状态后才开始拉拔植株。

其中，在步骤S3中，若拉断植株，且断裂位置与细绳捆绑位置不同，则此时测得的拉力值为该植株的抗张强度。

本发明还公开了一种测量植株抗拔力与抗张强度的装置，其特征在于，该装置包括细绳，驱动电机，霍尔电流传感器，圆锥指数仪，其中，

所述细绳的一端绑住植株，另一端与所述驱动电机相连；

所述驱动电机的电源线穿过所述霍尔电流传感器的电流感应区；

所述霍尔电流传感器安装在所述圆锥指数仪上；

所述霍尔电流传感器的输出参数由工作于向上运行方式的所述圆锥指数仪采集；

根据霍尔电流传感器在空载状态和拉拔植株状态下的输出参数变化求算出植株的抗拔力。

在上述装置中，所述细绳柔软无弹性，所述细绳的长度能使电机空载运行达到匀速运动状态后才开始拉拔植株。

在上述装置中，其中所述的霍尔电流传感器为电压输出式霍尔电流传感器。

在上述装置中，若植株在拉拔状态下的测量过程中被拉断，且断裂位置与细绳捆绑位置不同，则此时测得的拉力值为该植株的抗张强度。

本发明提供的测量植株抗拔力与抗张强度的方案具有以下优点：采用驱动电机拉拔植株，保证拉拔过程不产生加速度，其测量结果比传统方法中人力拉动拉力仪测量的结果更加精确；使用柔软无弹性的细绳代替机械夹具，不仅起到了缓冲电机的作用，还大大降低系统成本。

附图说明

图1为本发明实施例的一种测量植株抗拔力与抗张强度的方法的流程图；

图2为本发明实施例中所用霍尔电流传感器实际连接示意图；

图3为本发明实施例中所用圆锥指数仪改造示意图。

其中，1—霍尔电流传感器，2—驱动电机电源线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。一、工作原理：

利用负载电流求得驱动电机所受拉力的原理参见发明专利“一种圆锥指数仪及测量土壤圆锥指数的方法”(专利申请号：200810057861.8)。霍尔电流传感器按照该发明专利中所述方法安装在圆锥指数仪上，该电流传感器为电压式输出，圆锥指数仪上的控制盒中数据采集系统采集该输出电压，并通过以下公式计算得到拉力过程中拉力值：

$f_p=\frac{V_{\mathrm{out}}-V_{\mathrm{out}}\′}{R}\·\frac{K}{r}---\left(1\right)$

其中，V_out为拉拔植株时霍尔电流传感器的输出电压；V_out′为空载状态下输出电压；R为霍尔电流传感器的电压/电流转换系数；r为传动机构旋转半径；K电机转矩系数。其中R，r和K均为常量，R由所述霍尔电流传感器确定，K和r分别由所述圆锥指数仪中的驱动电机和传动机构确定，公式(1)的推导过程在申请号为200810057861.8的发明专利申请中有详细描述。图1给出的是公式(1)中参数表示的本实施例的一种测量植株抗拔力、植株杆茎与植株根系抗张强度方法的流程图。

二、所用仪器：

本实施例主要用到了霍尔电流传感器和圆锥指数仪。

所用霍尔电流传感器由南京茶花港联传感测控技术有限公司生产，为型号CS010G的电压式输出霍尔电流传感器，其输入电源电压为5V，电压/电流转换系数为0.2VA^-1，最大输出电压为5V。通过其输出电压，根据电流传感器的电压/电流转换系数和电源电压计算出所测得的电流。图2给出了本发明实施例中所用霍尔电流传感器实际连接示意图。

圆锥指数仪原是一种用来测量土壤坚实度的专用仪器，通常使用其向下运行的方式测量压力，目前尚未有人具体利用其上行方式。本实施例创新地利用了其向上运行方式，为圆锥指数仪扩展了测量植物根系对根际土壤牵引力、植株杆茎抗张强度的功能，在产品的功能扩展和应用推广上具有创新意义。图3为本发明实施例中所用圆锥指数仪改造示意图，具体使用实用新型专利ZL 00420120131.5中所涉及的圆锥指数仪，该圆锥指数仪上行进速度恒定为30mm/s。

安装时，将所述圆锥指数仪中用于测量土壤压实度的圆锥杆和压力传感器卸掉，在所述圆锥指数仪的滑块上系上细绳，使细绳与滑块同步运动。

此外，驱动电机的数据采集系统的模数转换模块为12位A/D转换，该数据采集系统分辨率约为0.86N。

三、实施步骤：

本实施例中用霍尔电流传感器，圆锥指数仪测量植株抗拔力与抗张强度的方法，该方法的具体实施步骤包括：

步骤一：将确定型号与参数的霍尔电流传感器按发明专利(申请号200810057861.8)所述方法安装到实用新型专利ZL(申请号200420120131.5)中所提到的圆锥指数仪上，用于测量电机电流。对于所确定的霍尔电流传感器，必须要知道其电压/电流转换系数R与电源电压Vcc，该参数由实际中选用的霍尔电流传感器的型号确定，不需要用户自行设定。

步骤二：测量空载状态下霍尔传感器的输出电压V_out′，在控制盒的CPU上记录并保存V_out′，此数值测定一次即可。

步骤三：用柔软无弹性细绳绑住待测量植株，细绳柔软保证捆绑不伤害植株杆茎，无弹性保证拉拔过程细绳所受合外力始终为零。并且捆绑时细绳长度留有余量，使电机能够空载运行一段距离，恒速稳定后再开始拉拔植株。

步骤四：启动电机，圆锥指数仪上行拉动细绳。细绳绷直后，电机稳定恒速拉拔植株。测量拉拔状态下霍尔传感器的输出电压V_out。

步骤五：根据霍尔电流传感器的空载输出电压V_out′与正常工作状态下的输出电压V_out的差值，并由已知的直流电机参数(传动机构旋转半径r和电机转矩系数K)以及步骤四所计算出的实际负载电流I，根据式(1)计算出圆锥指数仪拉拔植株时所受拉力fp。

在步骤五结束后，重新返回步骤四，继续下一次测量，直至将植株拔出或将植株杆茎拉断。所测量数据为拉拔过程圆锥指数仪所受拉力，由牛顿第三定理知拉力fp值大小与植株所受力大小相等，方向相反，其中fp最大值为植株根系抗拔力。

拉拔过程中，若将植株杆茎拉断，且断裂位置与细绳捆绑位置不同，则测得拉力值为植株杆茎抗张强度。

若要测量植株单根抗张强度，则可直接拉拔植株单根，直到将其拉断，且若单根断裂位置与捆绑位置不同，则测量的拉力值为该植株单根的抗张强度。

按步骤一安装完后，在空载状态下，按步骤二测得电机空载向上运行时，霍尔电流传感器输出电压V_out′为2.840V，由实施例中给出公式(1)计算得最大拉力值为3524.21N；在拉拔某一植株的试验中，按步骤四至步骤五测量得此时的电机工作时霍尔电流传感器的输出电压V_out，其中最大值为2.935V；按步骤五计算此植株抗拔力为155N。

该实施例测量的是植株的抗拔力，用同样的方法也可以测量植株杆茎或植株根系的抗张强度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种测量植株抗拔力与抗张强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，用霍尔电流传感器测量驱动电机的空载电流；

S2，用与驱动电机相连的细绳绑住待测量植株；

S3，用S1中所述的霍尔电流传感器测量驱动电机在拉拔植株状态下的工作电流，直到拔出植株或拉断植株，测量出拉拔过程中工作电流的变化曲线；

S4，根据所述工作电流与空载电流的差值求出负载电流的变化曲线；

S5，把S4中所述负载电流的变化曲线转化成植株拉拔过程中受到拉力的变化曲线，求出植株抗拔力。

2、根据权利要求1所述的测量植株抗拔力与抗张强度的方法，其特征在于，所述的霍尔电流传感器为电压输出式霍尔电流传感器。

3、根据权利要求2所述的测量植株抗拔力与抗张强度的方法，其特征在于，所述霍尔电流传感器的输出电压由工作于向上运行方式的圆锥指数仪采集。

4、根据权利要求3所述的测量植株抗拔力与抗张强度的方法，其特征在于，所述的拉力由公式 $f_p=\frac{V_{\mathrm{out}}-V_{\mathrm{out}}\′}{R}\·\frac{K}{r}$ 求出，其中V_out为拉拔植株时所述霍尔电流传感器的输出电压，V_out′为空载状态下所述霍尔电流传感器的输出电压，R为所述霍尔电流传感器的电压/电流转换系数，r为传动机构旋转半径，K所述驱动电机的转矩系数。

5、根据权利要求1所述的测量植株抗拔力与抗张强度的方法，其特征在于，所述细绳柔软无弹性，所述细绳的长度能使电机空载运行达到匀速运动状态后才开始拉拔植株。

6、根据权利要求1所述的测量植株抗拔力与抗张强度的方法，其特征在于，在步骤S3中，若拉断植株，且断裂位置与细绳捆绑位置不同，则此时测得的拉力值为该植株的抗张强度。

7、一种测量植株抗拔力与抗张强度的装置，其特征在于，该装置包括细绳，驱动电机，霍尔电流传感器，圆锥指数仪，其中，

所述细绳的一端绑住植株，另一端与所述驱动电机相连；

所述驱动电机的电源线穿过所述霍尔电流传感器的电流感应区；

所述霍尔电流传感器安装在所述圆锥指数仪上；

所述霍尔电流传感器的输出参数由工作于向上运行方式的所述圆锥指数仪采集；

根据霍尔电流传感器在空载状态和拉拔植株状态下的输出参数变化求算出植株的抗拔力。

8、根据权利要求7所述的一种测量植株抗拔力与抗张强度的装置，其特征在于，所述细绳柔软无弹性，所述细绳的长度能使电机空载运行达到匀速运动状态后才开始拉拔植株。

9、根据权利要求7所述的一种测量植株抗拔力与抗张强度的装置，其特征在于，其中所述的霍尔电流传感器为电压输出式霍尔电流传感器。

10、根据权利要求7所述的测量植株抗拔力与抗张强度的方法，其特征在于，若植株在拉拔状态下的测量过程中被拉断，且断裂位置与细绳捆绑位置不同，则此时测得的拉力值为该植株的抗张强度。

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