CN103822829A - 作物茎秆抗倒伏强度测定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种作物茎秆抗倒伏强度测定方法及装置。该装置包括茎秆夹具、信号采集及放大模块、数据处理模块、信号电源模块、按键及显示模块，所述信号采集及放大模块包括拉力传感器、A/D转换器、拉力角度传感器、倾斜角度传感器及AD620。利用该装置在作物茎秆抗倒伏测定的同时获取拉力方向与作物茎秆方向之间的角度数据，将拉力校正到与作物茎秆垂直的方向上。本发明测定装置具有角度不敏感性，从不同角度对作物进行同强度拉力测量时，可获得一致的拉力数据，实现了拉力测量通用化；利用本发明方法进行作物茎秆抗倒伏强度测定可以明显减少拉力方向不同对测量结果的影响，使作物抗倒伏测量时的抗拉强度测量数据更加准确、可靠。

Description

作物茎秆抗倒伏强度测定方法及装置

技术领域

本发明涉及强度测量装置，具体涉及一种作物茎秆抗倒伏强度测定方法及装置。

背景技术

作物倒伏是由外界因素引发的农作物植株茎秆从自然直立状态到永久错位的现象，原因是植物生长时处于风雨等自然条件影响下而形成的一种与植株垂直的弯曲力，导致植株弯曲，甚至折断。当这种弯曲力在一定范围之内时，在自然的生长条件下，还可以进行恢复，但超过一定限度时，便会造成不可恢复的破坏，形成倒伏。倒伏可以根据倒伏发生的部位可将倒伏分为茎倒、节倒和根倒。而多数研究表明倒伏可分为茎倒(折)和根倒。可以将穗以下发生的茎节弯曲、折断称为茎倒，而将植株倾斜角度大于30°或45°，而茎杆可以维持挺直的倒伏称为根倒伏。倒伏现象常见于禾谷类作物如，玉米、水稻、小麦、大豆等。研究表明玉米、小麦、水稻、烟草等作物因倒伏造成作物的产量损失十分巨大，作物茎秆倒伏强度是一个影响作物产量十分重要的指标。培育出来的作物新品种，要确定该品种是否具有优良性能，其中抗倒伏特性的测定十分的重要。

为了测得作物抗倒伏强度的数据，针对作物抗倒伏特性的研究，国内外专家做出了一系列的大量的实验，专门对测定技术做出了研究，得出了一系列的力学上的分析及实验研究方法。抗倒伏的力学测定方法有以下几种：

(1)茎秆垂直压碎强度和茎秆硬皮穿孔强度：茎秆硬皮穿孔强度是将一定大小的探头，垂直于茎秆方向，刺入茎秆表皮，此时读取茎秆的最大读数。对应的测定仪器有3YJ-1型玉米茎秆硬度计(吉林农科院研制)，YN型作物茎秆抗倒伏强度测定仪(河南农大迅捷测试技术有限公司设计)。

(2)茎秆抗拉弯强度测定：具体的方法是在田间人为将植株拉弯，与地面呈30°～45°夹角，此时测得拉力值来判断作物抗倒伏性。该方法能综合评价茎秆的水平抗拉强度，但根系发育不良时不能利用此方法。

(3)茎秆横向折断强度测量：王勇等介绍了小麦茎秆抗折力的测定方法。取小麦基部第二节间(去叶鞘)，两端放于高50cm、间隔5cm的支撑木架凹槽内，在其中部挂一弹簧秤，计算茎秆被拉断时的拉力值。

(4)根拔力测定：作物根茬从土壤中垂直拔出所需的力，能间接地反映根系发达程度。因土壤结构的变化可能会使结果有很大出入。目前我国有3YC-1型玉米根茬拔出测力仪(吉林农科院研制)。

(5)其他测定方法：根强度的测定，茎秆和根强度测定的时期及部位等测定方法。

作物的横向折断测量、垂直压碎强度测量及根拔力测量，需要将作物进行破坏性实验，实验测试不具有可重复性，而且需要带回实验室进行操作，无法对同一棵玉米进行生长周期内不同时期的抗倒伏强度进行评估，不符合现在测量工具的非破坏性测量趋势。而作物的抗拉强度测定，可以有效的对自然界风力等因素进行拟，而且对作物的伤害相对较小，但传统的抗拉强度测量方法有明显不足的地方，首先拉力方向不同对测量的结果有不确定性，给测试结果带来一定的误差；其次操作复杂性，测量上需要一人测量作物茎秆被拉弯的角度，另一人同时测量作物所受的拉力，读取弹簧的示数，而且在拉力测量时，人手的抖动也不能保证拉力值与角度值实时的匹配，因此给测量实验带来了数据上的误差和人力的浪费。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有角度不敏感的作物茎秆抗倒伏强度测定装置，可实现从不同方向进行拉力测量时，将拉力进行校正到同一方向，得到可靠一致的通用测量结果，并公开了利用该测定装置进行作物茎秆抗倒伏强度测定的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

设计一种作物茎秆抗倒伏强度测定装置，包括茎秆夹具、信号采集及放大模块、数据处理模块、信号电源模块、按键及显示模块，所述信号采集及放大模块包括拉力传感器、Ａ/D转换器、以及：

至少一个拉力角度传感器，用于测量拉力相对于水平方向的角度α；

至少一个倾斜角度传感器，固定在所述茎秆夹具上，用于测量作物茎秆相对于水平方向的倾斜角度β；及：

运算放大器AD620。

该装置还包括无线数据传输模块NRF2401和角度信号采集和处理的微处理器模块，用于将所述倾斜角度传感器采集到的茎秆的倾斜的角度信号传送至所述数据处理模块。

所述拉力传感器为JLBS拉力传感器。

所述拉力角度传感器或倾斜角度传感器为SCA60C角度传感器。

所述数据处理模块包括中央处理器S3C6410。

设计一种利用上述测定装置进行作物茎秆抗倒伏强度的测定方法，包括如下步骤：

(1)将权利要求1所述作物茎秆抗倒伏强度测定装置中的倾斜角度传感器与所述茎秆夹具固定在一起，然后将它们固定在待测作物茎秆上；

(2)并将所述拉力传感器经由茎秆夹具与之对应的传导绳／杆连接固定在待测作物茎秆上；

(3)再将所述拉力角度传感器固定在传导绳／杆连接或拉力传感器上；

(4)所述拉力传感器、倾斜角度传感器、拉力角度传感器分别采集对应时刻的拉力F信息、α角度信息、β夹角信息经由信号放大处理后送至数据处理模块根据如下方程进行数据处理得茎秆垂直方向上的力F′，以其作为判定作物茎秆抗倒伏强度的依据：

F′=F×sin(α+β)  (1)

在进行测量时，可先以如下方法对拉力传感器进行标定：

对拉力传感器施加一系列已知拉力值(N)的拉力，同时记录拉力传感器采集并经A／D转换器转换处理所得的对应的A／D值，以A／D值作为横坐标输入，以拉力值(N)为纵坐标作为输出，将拉力值与A／D值进行线性回归得：

y=A×x+B  (2)

其中，y表示实际转化输出的拉力值(N)，x表示接收到的A／D转换值的大小，而B代表拟合曲线的截距，A为斜率。

在进行测量时，可先以如下方法对角度传感器进行标定：

在角度传感器标识的-90°方向进行缓慢的方向上的改变，再对测量所得到的电压信息多次进行求平均，计算出电压信号的最小值；同样，在传感器默认的+90°方向附近，进行缓慢方向上的变化，找出输出电压信号的最大值；由最大值和最小值及角度变化时候电压的线性变化关系，拟合出角度值与A／D输出值的对应关系，以A／D作为输入，以角度做为输出，对应的输入输出关系如下：

y′=A′×x′+B′  (3)

其中y′代表经转换之后输出的角度值，x′为角度传感器经电路传送至A／D之后输出的值，而B′代表拟合曲线的截距，A′为斜率。

在所述步骤(4)中，所述拉力传感器、倾斜角度传感器、拉力角度传感器分别采集对应时刻的拉力F信息、α角度信息、β夹角信息经由信号放大处理后由数据处理模块按如下方法进行处理：

(1)夹角计算：由拉力方向与水平方向的夹角α，及茎秆求出拉力方向与作物茎秆垂直方向之间的夹角β，计算出拉力方向与作物茎秆之间夹角θ，

θ=α+β  (4)

(2)计算初始拉力值：由拉力对应的AD值ad,计算所得到的原始拉力值，计算公式由标定过程中式2可得，传感器返回的拉力值F可表示为，

F=A×ad+B  (5)

(3)转换拉力值：设经过自清零后的拉力设为F′，而测量时的作物茎秆抗倒伏强度测定装置的初始校正拉力值为JZ(是在测量装置启动后1秒内在零输入情况下对采样的数据求平均得到校正值JZ)，减去初始值后的拉力值F可表示为：

F′=F-JZ  (6)

(4)角度校正拉力值，设角度校正后的拉力值设为T，则可得到最终进行过角度较正过的拉力值为：

T=F′×|sinθ|  (7)

综合式4～式7可得出，需要的拉力数据T的表达式如式8所示：

T＝[(A×ad+B)-JZ×|sin(α+β)|  (8)

拉力值T为实时方向较正后的拉力值。

本发明具有积极有益的效果：

1.本发明作物茎秆抗倒伏强度测定装置具有角度不敏感性，实现了从不同角度对作物进行同强度拉力测量时，可获得一致的拉力数据，实现了拉力测量通用化。

2.利用本发明方法进行作物茎秆抗倒伏强度测定可以明显减少拉力方向不同对测量结果的影响，使作物抗倒伏测量时的抗拉强度测量数据更加准确、可靠。

附图说明

图1为本发明装置中拉力信号采集及放大的连接电路图；

图2为本发明装置中处理角度信号的缩减电路；

图3为拉力数据标定曲线图；

图4为拉力对比曲线图。

具体实施方式

以下结合具体实施例进一步阐述本发明。

实施例1一种作物茎秆抗倒伏强度测定装置，包括信号采集及放大模块、数据处理模块、信号电源模块、按键及LCD显示器、无线数据传输模块(NRF2401)，所述信号采集及放大模块包括拉力传感器(JLBS)、A／D转换器、用于测量拉力相对于水平方向的角度α的拉力角度传感器(SCA60C)、用于测量作物茎秆相对于水平方向的倾斜角度β的倾斜角度传感器、运算放大器AD620。

信号采集及放大模块的对信号的采集可以分为拉力信号的采集与角度信号的采集，拉力信号的采集采用拉力传感器的桥式电路，对作物所受的拉力进行采集，角度信号的采集利用倾角仪SCA60C进行信息的采集。

在拉力信号的采集中采用传统的拉力传感器对信号进行采集，通过拉力传感器将拉力信号转换为电信号，再通过AD620进行信号的放大，将信号转换为可以直接处理的电压信号，设计的信号采集及放大的连接电路如图1所示。图中JP2即是拉力传感器的接口，其中1管脚接电源，2、3管脚为输出的差模信号源，输出至AD620进行信号的放大。为了记录作物茎秆被拉倒过程中的实时的角度变化，设计采用了单轴倾角传感器SCA60C作为角度信号的采集源；SCA60C的工作电路图非常简单，测定倾斜角度时，只需连接上电源和地，输出引入下一级AD即可，输出在从-90°至+90°时，输出的电压变化范围为0.5V～4.5V，如果无特殊需要，此电压即可进行下一步的处理。

角度信号的处理：由于输出电压传送至ARM芯片时，所能处理的最大电压为3.3V，而角度传感器的输出为0.5V～4.5V，所以设计了一个减压电路(参见图2)对电压进行了比例缩小及整体的减去0.4V电压，然后再进行输出至A／D进行处理，图中J3即代表SCA60C的管脚图，J3的2管脚为角度信号的输出端，输入到TLV2404的一个10管脚，10管脚与8、9管脚是其中的一路运算放大器，从10管脚输入，8、9短接后管脚输出，即可组成一个电压跟随器，阻止下一级电压的影响。输出引入到12、13、14管脚组成的另一个单独的运放电路，由R10、R14、R18组成的一个比例缩小电路，把输入的信号缩小0.8倍，通过14管脚输入到下一端。而1、2、3管脚的组成的单运放组成了另外一个减法器电路，正的输入端在14管脚，由传感器接入，负的输入端输入一个标准的0.4V电压，0.4V电压由R15、R17、R20、R21分压得来，再通过5、6、7组成的一个电压跟随器，同样减小下一级电路对该电压的影响，输入到减法器的负输入端。经过比例缩小电路与减法器的处理，就完成了电压从0.5～4.5V到0～3.2V的线性转换。

利用上述测定装置进行茎杆抗倒伏强度测定的步骤主要包括：

(1)拉力传感器标定

当数据从拉力传感器通过A／D传送过来时，需要将其与标准的拉力值进行标定，将A／D值转换为实际的测量值拉力值。以A／D值作为横坐标输入，以拉力值(N)为单位作为输出，将拉力值与A／D值进行数据的分析，可以得出对应的关系表，如图3所示。

经过数据分析可以得出，A／D值与所受的拉力值之间的对应关系为公式9所示：

y=0.0279x-2.6321  (9)

其中，y表示实际转化输出的拉力值(N)，x表示接收到的A／D信号的值的大小，而2.6321代表拟合曲线的截距，其来源是传感器拉力信号在0输入时输出并不为0，而所造成的零点漂移，经计算进行软件清零，那么实测物体的所受的拉力与处理器检测到的A／D信号之间的对应关系，通过可以用公式9来计算得出。

(2)角度传感器的标定：在传感器标识的-90°方向左右进行缓慢的方向上的改变，将电压信息出现的尖刺去掉，再对测量所得到的电压信息多次进行求平均，计算出电压信号的最小值。同样，在传感器默认的+90°方向度附近，进行缓慢方向上的变化，找出输出电压信号的最大值，就可以作为角度传感器的最大最小值信息。经多次测量，最大值与最小值经A／D转换后的值分别是：3678和385，分别对应的是+90°与-90°时所对应的A／D值输出。

由最大值和最小值及角度变化的时候电压的线性变化关系，可以容易的计算出角度值与A／D输出值的对应关系，以A／D作为输入，以角度做为输出，对应的输入输出关系如公式10所示：

y=0.1324x-101.91  (10)

其中y代表经转换之后输出的角度值，x为角度传感器经电路传送至AD之后输出的值，整体为线性的输入输出，经过公式10的转换可以计算出出检测到的输入的AD值与角度值之间输出的对应关系。

(3)将所述作物茎秆抗倒伏强度测定装置中的倾斜角度传感器固定在待测作物茎秆上；并将所述拉力传感器经由对应的传导绳／杆连接固定在待测作物茎秆上；再将所述拉力角度传感器固定在所述传导绳／杆上；

(4)所述拉力传感器、倾斜角度传感器、拉力角度传感器分别采集对应时刻的拉力F信息、α角度信息、β夹角信息经由信号放大处理后送至数据处理模块进行数据处理：

第一步，夹角计算。由拉力方向与水平方向的夹角α，及茎秆求出拉力方向与作物茎秆垂直方向之间的夹角β，计算出拉力方向与作物茎秆之间夹角θ：

θ=α+β  (11)

第二步，计算初始拉力值。由拉力对应的A／D值ad，计算所得到的原始拉力值，计算公式由标定过程中公式9可得，传感器返回的拉力值F可表示为：

F=0.0279×ad-2.632  (12)

第三步，转换拉力值。设经过自清零后的拉力设为F′，而测量时的初始校正拉力值为JZ，减去初始值后的拉力值F可表示为：

F′=F-JZ  (13)

第四步，角度校正拉力值，设角度校正后的拉力值设为T，则可得到最终进行过角度较正过的拉力值为：

T=F′×|sinθ|  (14)

综合公式9～14可得出，需要的拉力数据T的表达式如公式15所示：

T=((0.0279×ad-2.6321)-JZ)×|sin(α+β)|  (15)

拉力值T为实时方向较正后的拉力值，可输出到显示器进行实时的显示，并存储到存储卡，进行数据的保存。

实施例2利用实施例1中的测量装置和方法进行抗拉强度试验

选取一侧拉弹簧模拟玉米等作物，进行抗拉强度实验，而且用弹簧作为实验对象，可以使实验具有较好的重复性，对比性更明显，使实验验证更具说服力。

(1)实验的材料主要有弹簧，固定弹簧的夹具，设计的拉力测定仪，绳子等。

(2)验证方法：通过对比实验来进行，分别对比不同角度将弹簧从拉到同一位置时，拉力的原始数据与校正角度之后的拉力数据，如果原始数据变化明显，而校正之后的拉力数据比较稳定，即可表明，进行过角度校正的拉力数据，更能可靠的表现作物在拉倒过程中所受的力的大小，从而验证的角度不敏感的作物茎秆抗倒伏测定技术的实现。

(3)验证过程如下：将弹簧一端卡在夹具上，使其固定，方向竖直向上，在另一端固定角度传感器，并绳子对另一端进行拉力测试，实验时，将弹簧沿同一平面稳定拉至与水方向呈75°左右，保证每次测量时拉力的弯曲程度(力矩)是一定的。

开始测量时，绳子的拉力方向与弹簧的轴线方向上从与水平方向上呈负40°到缓慢拉到正40°左右，在测量过程中，尽量保证弹簧的倾斜角度保持在75°左右，以尽可能多的获取有用数据，避免无效拉力数据的产生。

(4)实验数据及分析

实验测量结束后，将数据进行筛选，舍去茎秆与水平夹角大于76°的数据及小于75°之间的数据，为了保证弹簧是处在同一位置，进行数据的分析，统计部分的结果如下表1所示。

表1试验数据对比表

对拉力测量选取100组数据，以拉力方向的变化为横坐标，以拉力值的大小对纵坐标，画出对应的坐标曲线，对应的曲线如图4所示。

由图上可以看出，蓝色曲线代表原始拉力随拉力方向与弹簧之间夹角变化的曲线，从受力曲线的走向趋势来看，在未校正拉力之前，在拉力与作物弹簧呈45°到90°之间测量时，拉力值呈明显减小趋势，拉力值从夹角为45.2°时的29.06N，变化至夹角为86°的21.03N，变化程度为最大值的39.1％，而且拉力方向越与弹簧的受力方向越接近90°，所需要的拉力值趋势越小，符合作物受力的力学分析。

红色曲线表示拉力经过角度校正之后的拉力值随弹簧与拉力方向之间夹角关系的变化曲线。由图中可以看出，虽然拉力值呈现一定的波动(分析原因是手在拉的时候出现一定的抖动)，但在角度变化从50°到100°之间，拉力值的大小基本稳定在某一个平均值附近，从45°20.618N变化到时86°时的21.67N，变化的程度是最大值的4.85％，变化趋势比校正前有明显改善。说明把弹簧拉取到同一角度拉力值的大小与拉力与弹簧之间的角度的关联性不大，实现了测量拉力对拉力的角度不敏感的特性。

从对比曲线可以看出，未经过校正的原始拉力数据明显的随拉力方向的变化而变化，在90°左右，拉力值最小。经过角度校正之后的拉力在角度变化的时候，基本稳定在一定的区间，随角度的变化并不明显，且整体维持在拉力角度为90°时的拉力值，对拉力角度变化引起的拉力的变化有了明显的改善。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种作物茎秆抗倒伏强度测定装置，包括茎秆夹具、信号采集及放大模块、数据处理模块、信号电源模块、按键及显示模块，所述信号采集及放大模块包括拉力传感器、AD转换器，其特征在于，所述信号采集及放大模块还包括： 

至少一个拉力角度传感器，用于测量拉力相对于水平方向的角度α； 

至少一个倾斜角度传感器，固定在所述茎秆夹具上，用于测量作物茎秆相对于水平方向的倾斜角度β；及运算放大器AD620。 

2.根据权利要求1所述的作物茎秆抗倒伏强度测定装置，其特征在于，该装置还包括无线数据传输模块NRF2401和角度信号采集和处理的微处理器模块，用于将所述倾斜角度传感器采集到的茎秆的倾斜的角度信号传送至所述数据处理模块。 

3.根据权利要求1所述的作物茎秆抗倒伏强度测定装置，其特征在于，所述拉力传感器为JLBS拉力传感器。 

4.根据权利要求1所述的作物茎秆抗倒伏强度测定装置，其特征在于，所述拉力角度传感器或倾斜角度传感器为SCA60C角度传感器。 

5.根据权利要求1所述的作物茎秆抗倒伏强度测定装置，其特征在于，所述数据处理模块包括中央处理器S3C6410。 

6.一种作物茎秆抗倒伏强度的测定方法，包括如下步骤： 

(1)将权利要求1所述作物茎秆抗倒伏强度测定装置中的倾斜角度传感器与所述茎秆夹具固定在一起，然后将它们固定在待测作物茎秆上； 

(2)并将所述拉力传感器经由茎秆夹具与之对应的传导绳／杆连接固定在待测作物茎秆上； 

(3)再将所述拉力角度传感器固定在传导绳／杆连接或拉力传感器上； 

(4)所述拉力传感器、倾斜角度传感器、拉力角度传感器分别采集对应时刻的拉力F信息、α角度信息、β夹角信息经由信号放大处理后送至数据处理模块，根据如下方程进行数据处理及计算获得茎秆垂直方向上的力F′，以其作为判定作物茎秆抗倒伏强度的依据： 

F′=F×sin(α+β)  (6-1)。 

7.根据权利要求6所述作物茎秆抗倒伏强度的测定方法，其特征在于，在进行测量时，先以如下方法对所述拉力传感器进行标定： 

对拉力传感器施加一系列已知拉力值(N)的拉力，同时记录拉力传感器采集并经A／D转换器转换处理所得的对应的A／D值，以A／D值作为横坐标输入，以拉力值(N)为纵坐标作为输出，将拉力值与A／D值进行线性回归得： 

y＝A×x+B  (7-1) 

其中，y表示实际转换的输出拉力值(N)，x表示接收到的A／D转换值的大小，而B代表拟合曲线截距，A为斜率。 

8.根据权利要求7所述作物茎秆抗倒伏强度的测定方法，其特征在于，在进行测量时，先以如下方法对角度传感器进行标定： 

在所述拉力角度传感器或倾斜角度传感器标识的-90°方向进行缓慢的方向上的改变，再对测量所得到的电压信息多次进行求平均，计算出电压信号的最小值；同样，在传感器默认的+90°方向附近，进行缓慢方向上的变化，找出输出电压信号的最大值；由最大值和最小值及角度变化时输出电压的线性变化关系，拟合出角度值与A／D输出值的对应关系，以A／D作为输入，以角度做为输出，对应的输入输出关系如下： 

y′=A′×x′+B′  (8-1) 

其中y′代表经转换之后输出的角度值，x′为角度传感器经电路传送至A／D 之后输出的值，而B′代表拟合曲线的截距，A′为斜率。 

9.根据权利要求8所述作物茎秆抗倒伏强度的测定方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，所述拉力传感器、倾斜角度传感器、拉力角度传感器分别采集对应时刻的拉力F信息、α角度信息、β夹角信息，并经由信号放大处理后由数据处理模块按如下方法进行处理： 

(1)夹角计算：由拉力方向与水平方向的夹角α，及茎秆求出拉力方向与作物茎秆垂直方向之间的夹角β，计算出拉力方向与作物茎秆之间夹角θ， 

θ=α+β  (9-1) 

(2)计算初始拉力值：由拉力对应的AD值ad,计算所得到的原始拉力值，计算公式由标定过程中式7-1可得，传感器返回的拉力值F可表示为， 

F=A×ad+B  (9-2) 

(3)转换拉力值：经过自清零后的拉力设为F′，而测量时的作物茎秆抗倒伏强度测定装置的初始校正拉力值为JZ，减去初始值后的拉力值F可表示为： 

F′=F-JZ  (9-3) 

(4)角度校正拉力值，设角度校正后的拉力值设为T，则可得到最终进行过角度较正过的拉力值为： 

T=F′×|sinθ|  (9-4) 

综合式9-1～式9-4可得出，需要的拉力数据T的表达式如式9-5所示： 

T＝[(A×ad+B)-JZ]×|sin(α+β)|  (9-5) 

拉力值T为实时方向较正后的拉力值。 

Images