CN107726947A - 一种基于剪尺的直径测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于剪尺的直径测量方法，通过剪尺(1)、直尺以及量角器(4)实现直径测量；直尺的第一端部与剪尺的铰接点A相连，直尺的第二端部用于与被测物表面接触；被测物为圆柱形或圆筒形；测量步骤如下：步骤1：张开剪尺；张开的方向与被测物的轴向垂直；步骤2：将直尺的第二端抵住被测物的表面；并将张开的剪尺的两臂夹紧被测物；步骤3：读数；读取的数据包括量角器测得的角度数据；步骤4：计算直径；基于直尺的长度以及量角器测量的剪尺张开的角度计算得到被测物的直径Φ。该基于剪尺的直径测量方法构思巧妙，易于实施，能实现直径的自动测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于剪尺的直径测量方法。
背景技术
立木直径，特别是胸高直径，简称胸径(diameter at breast height)，是森林计测工作中的重要基本测树因子，直接关系到森林生长量、森林蓄积量、森林生产力、森林质量的估测。
目前，测定直径的常用工具有轮尺、围尺、激光测径仪；
(1)轮尺：又称卡尺，有木制和铝制。构造如图1，可分为固定脚、滑动脚和尺身。测径时，尺身与两脚同时与所测树木断面接触、读数。
其缺点是：滑动脚与尺身接触紧了，不好滑动，松了，经常与固定脚不平行，量不准，且受湿度、晴雨天影响大，不便携带(滑动脚容易掉落)。
(2)直径卷尺：又称围尺，有布围尺、钢围尺与篾围尺。围尺一面的上下刻划圆周长、圆周长相对应的直径读数。测量时，围尺要拉紧绕树干一周，双手不可避免地与树干接触，如果施力有限，则难以拉紧；树木旁有沟、坑，树干上有蜂巢、刺(杉木、刺楸)或过敏性树种(漆树)，就不方便测定，树干测定部位如有凹陷，则尺子不能围紧树干，精度不高。
(3)CCD测径仪和激光扫描测径仪，利用光学几何原理。
将线阵CCD置于平行光路，被测物放于CCD前方光路中，射向CCD的光就被物体挡住一部分，因此CCD输出的信号就有一个凹口，通过凹口的宽度与物体的尺寸的对应关系得到被测对象直径，但大尺寸的CCD特别昂贵。
激光扫描测量：高速扫描置于测量区域的物件，投射到光电接收器上的光线在光束扫描物件时被遮断，通过分析光电接受器输出的信号，可获得与物件直径有关系的数据。
这两种光学产品，结构复杂、成本高、测定直径范围受限，对测定对象的操作环境要求高，携带、测定不方便。不适合大范围的林区、山地、野外复杂多变的森林环境应用推广。
因此，有必要设计一种新的直径测量方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于剪尺的直径测量方法，该基于剪尺的直径测量方法易于实施，测量方便。
发明的技术解决方案如下：
一种基于剪尺的直径测量方法，其特征在于，通过剪尺、直尺以及量角器实现直径测量；直尺的第一端部与剪尺的铰接点A相连，直尺的第二端部用于与被测物表面接触；被测物为圆柱形或圆筒形；
测量步骤如下：
步骤1：张开剪尺；
张开的方向与被测物的轴向垂直；
步骤2：将直尺的第二端抵住被测物的表面；并将张开的剪尺的两臂夹紧被测物；
步骤3：读数；
读取的数据包括量角器测得的角度数据；
步骤4：计算直径；
基于直尺的长度以及量角器测量的剪尺张开的角度计算得到被测物的直径Φ。
所述的直尺为丁字尺(2)。
被测物的直径Φ＝2R＝2*L0*sin(a/2)/[1-sin(a/2)]；
其中L0为直尺的从所述铰接点到第二端部的长度；
a为量角器测量的剪尺张开的角度。
采用MCU实施步骤4的计算；所述的量角器为电子量角器；显示屏与电子量角器均与MCU相连，显示屏用于显示测量结果。
MCU还连接有通信模块和定位模块。定位模块为北斗或GPS模块，通信模块为GPRS,3G,4G,或5G通信模块。
通过求取平均的方式获取被测物的直径，即被测物的直径Φ＝2*(R1+R2+R3)/3；
其中:
R1为直尺的第二端与被测物表面接触处D对应的半径；
R2为剪尺的第一臂与被测物表面相切处B对应的半径；
R3为剪尺的第二臂与被测物表面相切处C对应的半径；
R1＝L1*tan(a1)；
R2＝L2*tan(a-a1)；
R3＝L1/cos(a1)-L0；
其中L0为直尺的从所述铰接点到第二端部的长度；L1为剪尺的第一臂从A到B点的长度；L2为剪尺的第二臂从A到C点的长度；
a为量角器测量的剪尺张开的角度；a1为剪尺的第一臂与直尺的夹角。
采用MCU实施步骤4的计算；所述的量角器为电子量角器；显示屏与电子量角器均与MCU相连，显示屏用于显示测量结果；还通过长度测量电路实现L1和L2的测量。
长度测量电路包括恒流源、电阻串和电压检测电路；恒流源为电阻串供电；电压检测电路用于检测实际有效的电阻上的总压降U；
则长度L＝n*△k＝U*△k/(R0*I0)；
其中，n为实际有效的电阻个数；△k为相邻导电刺之间的距离；R0为单个电阻的电阻值；I0为恒流源的供电电流；
在剪尺的第一臂和第二臂的内侧设有多个串联的阻值相同的电阻(11)，相邻的电阻的连接点设有一个导电刺(12)，导电刺等间距设置；第一臂和第二臂内均设有条形的接地的导电片(13)。
工作原理说明，一旦某一点与被测物接触，在压力在作用下，与该点最近的导电刺与导电片相连，则实际接入电路中的电阻的个数n与接触点到铰接点A的距离L则有一个对应关系，L＝n*△k，n又可以通过伏安定律计算出来，即n＝U/(R0*I0)，具体运算过程在MCU中完成。
△k为2～20mm。优选5mm或10mm。
MCU还连接有通信模块和定位模块。定位模块为北斗或GPS模块，通信模块为GPRS,3G,4G,或5G通信模块。
直尺可以变换长度，也可以固定长度。
两把刻度尺靠近铰接点A的5cm处，可增添一个弹簧，拉开测定时易贴紧树干且易于收尺。
有益效果：
本发明的基于剪尺的直径测量方法，具有以下特点：
(1)首先，采用剪尺和直尺配合实现直径测量，构思新颖，步骤简单，无需使用激光器或图像传感器等，易于实施。操作手不与树干直接接触，操作方便。
(2)针对多个不同点，采用不同方式计算半径，再取平均值，精确度高。
(3)整个测量能实现电子读数，无需人工读数，避免了误读数的产生。
(4)具有显示模块和通信模块，显示模块用于显示测量数据，通信模块能将测量结果上传到上位机或远程平台，有利于远程数据收集。
(5)本发明针对具体的测量场景，设计了专用的独一无二的测量臂长的机构和电路；这是本发明的最大的独创点之一。
(6)携带方便，操作简单，适应复杂的森林环境，成本低
(7)MCU连接有语音读数模块，语音读数、可设计存储1000条数据功能、可避免读数误差。
综上所述，本发明的基于剪尺的直径测量方法，构思巧妙，易于实施，测量精确度高，适合推广应用。
附图说明
图1为现有的直径测量装置的示意图；
图2为本发明的直径测量装置的示意图；
图3为电原理框图；
图4为长度测量示意图；
图5为长度测量电路原理图。
标号说明：1-剪尺，2-丁字尺，3-树干，4-量角器，11-电阻，12-导电刺，13-导电片。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：
实施例1：如图2，一种基于剪尺的直径测量方法，其特征在于，通过剪尺1、直尺以及量角器4实现直径测量；直尺的第一端部与剪尺的铰接点A相连，直尺的第二端部用于与被测物(如树干3)表面接触；被测物为圆柱形或圆筒形；
测量步骤如下：
步骤1：张开剪尺；
张开的方向与被测物的轴向垂直；
步骤2：将直尺的第二端抵住被测物的表面；并将张开的剪尺的两臂夹紧被测物；
步骤3：读数；
读取的数据包括量角器测得的角度数据；
步骤4：计算直径；
基于直尺的长度以及量角器测量的剪尺张开的角度计算得到被测物的直径Φ。
所述的直尺为丁字尺2。
被测物的直径Φ＝2R＝2*L0*sin(a/2)/[1-sin(a/2)]；
其中L0为直尺的从所述铰接点到第二端部的长度；
a为量角器测量的剪尺张开的角度。
采用MCU实施步骤4的计算；所述的量角器为电子量角器；显示屏与电子量角器均与MCU相连，显示屏用于显示测量结果。
MCU还连接有通信模块和定位模块。定位模块为北斗或GPS模块，通信模块为GPRS,3G,4G,或5G通信模块。
实施例2：
如图2～5，一种基于剪尺的直径测量方法，其特征在于，通过剪尺1、直尺以及量角器3实现直径测量；直尺的第一端部与剪尺的铰接点A相连，直尺的第二端部用于与被测物表面接触；被测物为圆柱形或圆筒形；
测量步骤如下：
步骤1：张开剪尺；
张开的方向与被测物的轴向垂直；
步骤2：将直尺的第二端抵住被测物的表面；并将张开的剪尺的两臂夹紧被测物；
步骤3：读数；
读取的数据包括量角器测得的角度数据；
步骤4：计算直径；
基于直尺的长度以及量角器测量的剪尺张开的角度计算得到被测物的直径Φ。
所述的直尺为丁字尺2。
通过求取平均的方式获取被测物的直径，即被测物的直径Φ＝2*(R1+R2+R3)/3；
其中:
R1为直尺的第二端与被测物表面接触处D对应的半径；
R2为剪尺的第一臂与被测物表面相切处B对应的半径；
R3为剪尺的第二臂与被测物表面相切处C对应的半径；
R1＝L1*tan(a1)；
R2＝L2*tan(a-a1)；
R3＝L1/cos(a1)-L0；
其中L0为直尺的从所述铰接点到第二端部的长度；L1为剪尺的第一臂从A到B点的长度；L2为剪尺的第二臂从A到C点的长度；
a为量角器测量的剪尺张开的角度；a1为剪尺的第一臂与直尺的夹角。
采用MCU实施步骤4的计算；所述的量角器为电子量角器；显示屏与电子量角器均与MCU相连，显示屏用于显示测量结果；还通过长度测量电路实现L1和L2的测量。
长度测量电路包括恒流源、电阻串和电压检测电路；恒流源为电阻串供电；电压检测电路用于检测实际有效的电阻上的总压降U；
则长度L＝n*△k＝U*△k/(R0*I0)；
其中，n为实际有效的电阻个数；△k为相邻导电刺之间的距离；R0为单个电阻的电阻值；I0为恒流源的供电电流；
在剪尺的第一臂和第二臂的内侧设有多个串联的阻值相同的电阻(11)，相邻的电阻的连接点设有一个导电刺(12)，导电刺等间距设置；第一臂和第二臂内均设有条形的接地的导电片(13)。
工作原理说明，一旦某一点与被测物接触，在压力在作用下，与该点最近的导电刺与导电片相连，则实际接入电路中的电阻的个数n与接触点到铰接点A的距离L则有一个对应关系，L＝n*△k，n又可以通过伏安定律计算出来，即n＝U/(R0*I0)，具体运算过程在MCU中完成。
△k为2～20mm。优选5mm或10mm。
MCU还连接有通信模块和定位模块。定位模块为北斗或GPS模块，通信模块为GPRS,3G,4G,或5G通信模块。
丁字尺为可伸缩(折叠)的三段式(每段10cm)的钢制丁字尺。
测定时对于一片树木，大径木用三段或二段的丁字尺，中、小径木用一段的丁字尺贴紧需测定直径处的树干，打开剪尺，剪尺平面与树干垂直,剪尺贴靠树干。
测量时，读取AC、AB长度刻度和∠a和∠a1的角度刻度，得到树干直径，即2(R1+R2+R3)/3。可重复测量，取平均值。
如果测定树干规整、圆满的树种，测定其直径(近似于圆的直径)，则只需要读取∠a和AC数据，得到树干直径2R1。可重复测量。
计算公式如下：
R1＝AB*tan∠a1
R2＝AC*tan(∠a-∠a1)
R3＝AB/cos∠a1-AD AD:10cm或20cm、30cm
此次测定的树干平均直径D＝2(R1+R2+R3)/3
R1、R2、R3为树干某高度处的各部位的半径。
使用时，如果读数：∠a＝60.0°，∠a1＝31.0°，AD＝10cm(定值)，AB＝20.0cm，AC＝20.5cm
则：R1＝12.017，R2＝11.363，R3＝13.331；R＝24.5cm。
另外，对于树干圆满的树种直径的测定，因R1、R2、R3近似相等，∠a-∠a1＝∠a1
则：R1＝R2＝AB*tan[(1/2)*∠a]，树干直径R＝2R1。
使用时，如读数：∠a＝60.0°，AD＝10cm(定值)，AB＝20.0cm，
则：R1＝23.1cm。
剪尺(无刻度的一端)安装一台微型单片机，采集剪尺的长度和角度数据、有存储处理系统(1000组数据即可)、其结果可以进行数显和语音播报。
Claims (10)
1.一种基于剪尺的直径测量方法，其特征在于，通过剪尺(1)、直尺以及量角器(4)实现直径测量；直尺的第一端部与剪尺的铰接点A相连，直尺的第二端部用于与被测物表面接触；被测物为圆柱形或圆筒形；
测量步骤如下：
步骤1：张开剪尺；
张开的方向与被测物的轴向垂直；
步骤2：将直尺的第二端抵住被测物的表面；并将张开的剪尺的两臂夹紧被测物；
步骤3：读数；
读取的数据包括量角器测得的角度数据；
步骤4：计算直径；
基于直尺的长度以及量角器测量的剪尺张开的角度计算得到被测物的直径Φ。
2.根据权利要求1所述的基于剪尺的直径测量方法，其特征在于，所述的直尺为丁字尺(2)。
3.根据权利要求1所述的基于剪尺的直径测量方法，其特征在于，被测物的直径Φ＝2R＝2*L0*sin(a/2)/[1-sin(a/2)]；
其中L0为直尺的从所述铰接点到第二端部的长度；
a为量角器测量的剪尺张开的角度。
4.根据权利要求1所述的基于剪尺的直径测量方法，其特征在于，采用MCU实施步骤4的计算；所述的量角器为电子量角器；显示屏与电子量角器均与MCU相连，显示屏用于显示测量结果。
5.根据权利要求4所述的基于剪尺的直径测量方法，其特征在于，MCU还连接有通信模块和定位模块。
6.根据权利要求1所述的基于剪尺的直径测量方法，其特征在于，通过求取平均的方式获取被测物的直径，即被测物的直径Φ＝2*(R1+R2+R3)/3；
其中:
R1为直尺的第二端与被测物表面接触处D对应的半径；
R2为剪尺的第一臂与被测物表面相切处B对应的半径；
R3为剪尺的第二臂与被测物表面相切处C对应的半径；
R1＝L1*tan(a1)；
R2＝L2*tan(a-a1)；
R3＝L1/cos(a1)-L0；
其中L0为直尺的从所述铰接点到第二端部的长度；L1为剪尺的第一臂从A到B点的长度；L2为剪尺的第二臂从A到C点的长度；
a为量角器测量的剪尺张开的角度；a1为剪尺的第一臂与直尺的夹角。
7.根据权利要求6所述的基于剪尺的直径测量方法，其特征在于，采用MCU实施步骤4的计算；所述的量角器为电子量角器；显示屏与电子量角器均与MCU相连，显示屏用于显示测量结果；还通过长度测量电路实现L1和L2的测量。
8.根据权利要求7所述的基于剪尺的直径测量方法，其特征在于，长度测量电路包括恒流源、电阻串和电压检测电路；恒流源为电阻串供电；电压检测电路用于检测实际有效的电阻上的总压降U；
则长度L＝n*△k＝U*△k/(R0*I0)；
其中，n为实际有效的电阻个数；△k为相邻导电刺之间的距离；R0为单个电阻的电阻值；I0为恒流源的供电电流；
在剪尺的第一臂和第二臂的内侧设有多个串联的阻值相同的电阻(11)，相邻的电阻的连接点设有一个导电刺(12)，导电刺等间距设置；第一臂和第二臂内均设有条形的接地的导电片(13)。
9.根据权利要求7所述的基于剪尺的直径测量方法，其特征在于，△k为2～20mm。
10.根据权利要求7-9任一项所述的基于剪尺的直径测量方法，其特征在于，MCU还连接有通信模块和定位模块。
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