CN105653853A - 林果树固有特性的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够准确地测定出林果树存在扭转振动情况下固有特性的测试方法。该方法是对林果树树干施加一个瞬时外力，使得林果树做衰减振动，对林果树树干的位移数据进行采集，得到位移-时间响应曲线；当位移-时间响应曲线的外包络线呈周期性的起伏变化时，林果树的阻尼比固有频率A₁表示位移-时间响应曲线中的某个峰值；A_nm+1表示位移-时间响应曲线中的从A₁峰值开始计数的第nm+1个峰值，n为自然数，m为外包络线的一个周期所包含的位移-时间响应曲线的波峰或波谷的个数；A₁、A_nm+1均为正峰值或者均为负峰值，且|A₁|＞|A_nm+1|；t1、t2表示位移-时间响应曲线达到任意两个相邻的波峰或波谷的时间。

Description

林果树固有特性的测试方法

技术领域

本发明涉及林果树固有特性测试方法，具体地说，是林果树在自然衰减振动过程中出现扭转时阻尼比和固有频率的测试方法，属于农林业果树采收设备测试技术领域。

背景技术

林果产业是现代林业的重要组成部分，林果业的快速发展不仅促进社会经济发展，而且是帮助农民脱贫致富的重要途径，越来越受到政府部门的重视。采收作业是林果产业中的重要环节，其采收效率的高低决定了林果产业的经济效益。目前，国外主要林果生产国一般都实现了林果采收机械化，国内林果采收作业逐步趋于机械化。目前较为常见的林果采收是采用激振器对林果树进行振动，从而使得林果被振落。由于林果树生长形态及结构差异性较大，所以采收时树型结构、固有力学特性等参数对激振器的激振频率、幅值及时间、激振点位置、激振力大小及方向的设定产生影响，而国内在此方面的研究甚少。因此，对林果树固有特性的研究为设计出更高效率的采摘系统奠定了基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够准确地测定出林果树存在扭转振动情况下固有特性的测试方法。

本发明所述的林果树固有特性的测试方法，对林果树树干施加一个瞬时外力，使得林果树做衰减振动，通过包括位移传感器、数据采集卡、电脑在内的信号处理系统对林果树树干的位移数据进行采集，得到位移-时间响应曲线；

当位移-时间响应曲线的外包络线呈周期性的起伏变化时，林果树的阻尼比固有频率其中，A₁表示位移-时间响应曲线中的某个峰值；A_nm+1表示位移-时间响应曲线中的从A₁峰值开始计数的第nm+1个峰值，n为自然数，m为外包络线的一个周期所包含的位移-时间响应曲线的波峰或波谷的个数；A₁、A_nm+1均为正峰值或者均为负峰值，且|A₁|＞|A_nm+1|；t1、t2表示位移-时间响应曲线达到任意两个相邻的波峰或波谷的时间。

上述的林果树固有特性的测试方法，其特征是：n＝1或n＝2。

本发明的有益效果：对林果树树干施加一个瞬时外力，使得林果树做衰减振动。正常的自然衰减振动，参见图1，其振幅(位移)是随着时间呈对数衰减，应用公式： 即可计算得到阻尼比和固有频率；A₁表示位移-时间响应曲线中的某个峰值；A_n+1表示位移-时间响应曲线中的从A₁峰值开始计数的第n+1个峰值，n为自然数；A₁、A_n+1均为正峰值或者均为负峰值，且|A₁|＞|A_n+1|；t1、t2表示位移-时间响应曲线达到任意两个相邻的波峰或波谷的时间。

但申请人在测试过程中，对林果树树干施加一个瞬时外力，使得林果树振动时，常常发现其位移-时间响应曲线的外包络线即外轮廓呈现出上下对称的周期性起伏变化的，外包络线振幅成规律性的由小到大、由大到小，再由小到大，由大到小，依次类推，且每一个周期的最大振幅逐渐缩小。外包络线振幅每一次从小到大再到小成周期性变化，所包含位移-时间响应曲线的波峰和波谷的个数均相等(非正常衰减振动)，参见图3，这种情况下采用以前的方法无法计算出林果树的固有特性。但采用本发明的方法可以分析出林果树的固有特性。

申请人发现，之所以出现非正常衰减振动，是因为林果树在振动时，树干出现了扭转运动。这就导致通过位移传感器测定的树干上的某个被测试点在振动的同时，该被测试点还随着树干的扭转发生周期性的变化。在一个扭转周期过程中，随着树干扭转角度的增加，位移幅值逐渐增加，当树干扭转至最大角度时，位移幅值达到最大。随着树干扭转角度的减小，位移幅值逐渐减小。一个扭转周期结束后，又会接着产生下一个扭转周期，只是后面扭转周期中的扭转最大角度逐渐减小、最大位移幅值逐渐减小。这是由林果树本身的树形和生长结构所决定的，并且树在扭转的过程中以一定的周期做着相同的运动，每一个扭转周期中包含的波峰和波谷数为某个特定的常数。因而，当位移-时间响应曲线的外包络线呈周期性的起伏变化时，该外包络线的周期就是扭转周期。

本发明针对测试林果树固有特性时林果树出现的扭转现象，提出了一种通过选取不同扭转周期中相对应的数据计算得到林果树在扭转下的固有频率和阻尼比的方法，不同扭转周期中相对应位置上的数据均能重新拟合出果树扭转过程中出现的衰减函数。该方法能够真实反应出林果树自然衰减的现象，并且比较准确地对样品树的固有特性进行测试，适合于所有出现扭转的林果固有特性的测试，为林果振动采收时激振频率和振幅的设定提供了一定的理论支持，有利于提高林果的振动采收效率和果实采净率。

附图说明

图1是林果树正常自然衰减振动的波形图。

图2是测试林果树主干固有特性的装置示意图。

图3是林果树为银杏树时的主干非正常衰减振动的波形图。

图4是画出外包络线的银杏树主干非正常衰减振动的波形图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1

如图2所示，林果树主干固有特性测试方法，样品树主干2被夹持在固定装置3上，通过绳子1施加外力使样品树主干2做衰减振动，利用位移传感器4、12V稳压电源5、USB数据采集卡6和电脑7测试样品树主干在自由衰减振动下的位移响应，从而得到其位移-时间响应曲线，如图3所示，样品树主干的位移-时间响应曲线，位移随着时间的推移并不是标准的衰减。参见图4，画出位移-时间响应曲线的外包络线，外包络线成周期性的起伏变化，外包络线的周期即扭转周期。选取不同扭转周期中相对应的数据计算得到样品树的阻尼比和固有频率。其中，阻尼比：固有频率：

表1为实施例1样品树主干为银杏树的实验数据，由图4可以得到每一个扭转周期所包含的位移-时间响应曲线的波峰和波谷数均为12，平衡值为A0，第一个波峰值a1，从a1波峰值开始计数的第13个波峰值a13。位移-时间响应曲线中达到两个相邻的波峰的时间t1、t2。则第1个峰值A₁＝a1-A0＝2.1958，第13个峰值A₁₃＝a13-A0＝1.071，阻尼比为： $\mathrm{\δ}=\frac{\ln (A_1/A_{13})}{12\·2\mathrm{\π}}=0.01,$ 固有频率为： $w_n=\frac{1}{t_2-t_1}=\mathrm{10.56.}$

表1样品树主干为银杏树的实验数据

图1、3、4中，横坐标表示时间，单位为秒(s)，纵坐标表示振幅，单位是毫米(mm)。

Claims (2)

1.林果树固有特性的测试方法，对林果树树干施加一个瞬时外力，使得林果树做衰减振动，通过包括位移传感器、数据采集卡、电脑在内的信号处理系统对林果树树干的位移数据进行采集，得到位移-时间响应曲线；其特征是：

当位移-时间响应曲线的外包络线呈周期性的起伏变化时，林果树的阻尼比固有频率其中，A₁表示位移-时间响应曲线中的某个峰值；A_nm+1表示位移-时间响应曲线中的从A₁峰值开始计数的第nm+1个峰值，n为自然数，m为外包络线的一个周期所包含的位移-时间响应曲线的波峰或波谷的个数；A₁、A_nm+1均为正峰值或者均为负峰值，且|A₁|＞|A_nm+1|；t1、t2表示位移-时间响应曲线达到任意两个相邻的波峰或波谷的时间。

2.如权利要求1所述的林果树固有特性的测试方法，其特征是：n＝1或n＝2。