CN107830796A

CN107830796A - 一种测定树木直径生长量的单箍式测定器及系统

Info

Publication number: CN107830796A
Application number: CN201711386270.0A
Authority: CN
Inventors: 张贵; 杨志高; 肖化顺
Original assignee: Central South University of Forestry and Technology
Current assignee: Central South University of Forestry and Technology
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2018-03-23

Abstract

本发明公开了一种测定树木直径生长量的单箍式测定器及系统，测定器包括抱箍、皮带和测定器本体，测定器本体包括安装板(1)和辊(2)；安装板上还设有固定抱箍一端的夹具(6)，抱箍的另一端与皮带的第一端连接抱箍为弧形，在测量时，抱箍固定在被测立木上，抱箍的弧度对应的圆心角大于180°，夹具固定在安装板上，辊的转轴固定在安装板上，辊的轴线垂直于安装板，且辊与夹具之间具有允许皮带穿过的间隙；测量时，抱箍箍在被测立木上，皮带的第二端从所述的间隙间穿出；测定器本体上设有长度读数装置。该测定树木直径生长量的单箍式测定器及系统结构紧凑，易于实施，能实现立木直径以及直径生长量的自动测量。

Description

一种测定树木直径生长量的单箍式测定器及系统

技术领域

本发明涉及一种测定树木直径生长量的单箍式测定器及系统。

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。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：滑动脚与尺身接触过紧，不好滑动，过松则导致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。

另外，现有的树木直径测量装置无法实现连续的测量，而且，计算的直径需要换算成周长。

因此，有必要设计一种新的周长/直径测量装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种测定树木直径生长量的单箍式测定器及系统，该测定树木直径生长量的单箍式测定器及系统易于实施，测量方便。

发明的技术解决方案如下：

一种测定树木直径生长量的单箍式测定器，包括抱箍、皮带和测定器本体，测定器本体包括安装板(1)和辊(2)；安装板上还设有固定抱箍一端的夹具(6)，抱箍的另一端与皮带的第一端连接

抱箍为弧形，在测量时，抱箍固定在被测立木上，抱箍的弧度对应的圆心角大于180°，这样能使得抱箍能独立固定在被测立木上，夹具固定在安装板上，辊的转轴固定在安装板上，辊的轴线垂直于安装板，且辊与夹具之间具有允许皮带穿过的间隙；

测量时，抱箍箍在被测立木上，皮带的第二端从所述的间隙间穿出；

测定器本体上设有长度读数装置。

所述的长度读数装置为附着在皮带上的皮尺。或者皮带上直接设有刻度。或皮带本身就是一个皮尺。这样可以直接人工读数，无需采用电子读数设备。

所述的长度读数装置为电子读数装置。

电子读数装置包括MCU和传感器，传感器与MCU相连；所述的传感器为设置在第一辊或第二辊上的码盘；码盘能随第一辊或第二辊同步旋转；

电子读数装置还包括与MCU相连的无线通信模块或显示屏。

无线通信模块用于将测量数据发送到现场的数据处理中心或远程的数据处理平台。

无线通信模块为WiFi模块、ZigBee模块、蓝牙模块、GPRS、3G、4G或5G通信模块。

读数机构上设有与MCU(处理器)相连的定位模块。定位模块为GPS定位模块或北斗定位模块。

电子读数机构上设有锂电池，锂电池为MCU供电。光伏模组通过充电电路与锂电池相连。使用太阳能为电池充电，可以保障电子装置持续稳定工作。

一种用于连续测量立木周长的测定系统，包括远程数据收集平台以及多个前述的皮带式测定器；

多个皮带式测定器采集的数据传输到远程数据收集平台；实现多个立木周长数据的远程采集。

所述的用于连续测量立木周长的测定系统还包括现场数据汇集装置，多个皮带式测定器采集的数据先汇集到现场数据汇集装置，再由现场数据汇集装置统一发送到远程数据收集平台。

另外，作为改进，所述的皮带的一部分为硬质抱箍，用于抱紧树干，另一部分为柔性的皮带，便于与2个辊配合实现测量。

皮带式测定器可以受控于远程收集平台，如在远程收集平台唤醒皮带式测定器，并控制皮带式测定器采集数据并传输数据。

检测原理说明：树木直径增大时，其扩张力会导致皮带的外端(自由端)从所述的2个辊之间的间隙从外向内缩进，并使得2个辊转动，码盘随着一个辊转动，转动的同时输出脉冲，计算脉冲即可换算辊转动的角度，进而计算处皮带缩进的长度，从而计算出周长。

测量过程：将抱箍的一端固定，另一端连接皮带，采用单抱箍将测量装置固定在树干上，连接在抱箍上的皮带再穿过辊与安装板之间的间隙，辊上设有码盘，辊旋转带动码盘旋转，从而通过对码盘旋转发出的脉冲进行计数，即可测得周长及周长的变化量。

一种单箍式立木周长连续测量方法，采用测定树木直径生长量的单箍式测定器实施测量；

将抱箍的一端固定在测定器本体上，另一端与皮带连接，围绕被测的立木后从测定器本体穿出，采用长度读数装置获取周长值；

测定树木直径生长量的单箍式测定器包括抱箍、皮带和测定器本体，测定器本体包括安装板(1)和辊(2)；安装板上还设有固定抱箍一端的夹具(6)，抱箍的另一端与皮带的第一端连接

测定器本体上设有长度读数装置。

显示屏用于现场读数。

本装置先测量得到周长数据，再根据C＝pi*D换算成直径，即直径D＝C/pi,其中pi为圆周率；

另外，直径增量(即直径生长量)为△D＝D(k)-D(k-1)；D(k)为本次测量直径数据，D(k-1)为上次测量数据，两次测量间隔时间为预设的周期(如3个月或半年或一年)。

有益效果：

本发明的测定树木直径生长量的单箍式测定器及系统，具有以下特点：

(1)本发明设计了新的单抱箍-辊-皮带式的测量装置，稳定性好，而且抱箍和皮带本身具有柔性，能良好地附着在树干上，因此能实现连续地进行周长测量。特别的是，抱箍本身可以单独固定在树干上，无需其他固定机构，不容易滑动，因此，特别适合树木周长的连续测量。

(3)采用2种长度测量机构实现位移测量，其中，基于辊-码盘的测量机构精度高，而基于电阻计算的测量方案可以作为补偿，一旦辊-码盘的测量机构失效，则基于电阻计算的测量方案也可以测量得到周长数据。

(4)能实现全自动的测量，无需人员干预，而且数据能远程传输。能极大地提高测量效率和精度(原有的测量需要人工跑到现场进行测量，效率低，测量环境艰苦)，以及保障数据的一致性(因为人工测量时，不同的人测量有不同的结果和精度)。

(5)采用太阳能供电，无需格外配置电源，另外，采用恒流充电电路，能保障较高的充电效率，且有利于维持锂电池的长期稳定工作。

综上所述，本发明的测定树木直径生长量的单箍式测定器及系统，结构巧妙，易于实施，测量精确度高，适合推广应用。

附图说明

图1为连续测量树木直径的装置的总体结构示意图；

图2为电原理框图；

图3为长度测量示意图；

图4为长度测量电路原理图。

图5为恒流充电电路的原理图。

图6为具体应用场景时的原理图。

标号说明：1-安装板，2-辊，5-皮带，6-夹具，7-防脱件，8-被测树木。9-抱箍，51-皮带自由端。20-电阻式位移传感器，21-电阻，22-导电刺，23-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1-2,一种测定树木直径生长量的单箍式测定器，包括抱箍、皮带和测定器本体，测定器本体包括安装板1和辊2；安装板上还设有固定抱箍一端的夹具6，抱箍的另一端与皮带的第一端连接

测定器本体上设有长度读数装置。

所述的长度读数装置为电子读数装置。

电子读数装置还包括与MCU相连的无线通信模块或显示屏。

测量过程：将抱箍的一端固定，另一端连接皮带，皮带一端固定在抱箍上，另一端环绕树干再从2个辊的间隙之间穿出，一个辊上设有码盘，辊旋转带动码盘旋转，从而通过对码盘旋转发出的脉冲进行计数，即可测得周长及周长的变化量。

测定器本体上设有长度读数装置。

显示屏用于现场读数。

电子读数机构上设有锂电池，锂电池为MCU供电。另外，光伏模组通过充电电路与锂电池相连，使用太阳能为电池充电，可以保障电子装置持续稳定工作。

实施例2：

另一种测量长度的装置如下：作为码盘测量长度的补充或冗余。测量长度的装置用于测量皮带端部(固定端)到两个滚轴压紧点的距离，此时在至少一个辊的辊面上设有一圈凸起，用于压紧皮带，使得在2个辊与皮带的压紧处导电刺与导电片接触。这种测量长度的装置设置在皮带的内侧。

如图3-4，长度(位移)测量电路安装在导轨的凹槽中，长度(位移)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；

电阻式位移传感器上设有多个串联的阻值相同的电阻21，相邻的电阻的连接点设有一个导电刺22，导电刺等间距设置；电阻式位移传感器上设有条形的接地的导电片23。

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。

另外，采用光伏组件通过恒流充电电路为锂电池充电，锂电池为MCU供电。如图5-6，恒流充电电路包括恒压驱动芯片和电流反馈电路；

(1)恒压驱动芯片的电压输出端为恒流充电电路的正输出端VOUT+；恒压驱动芯片的负输出端接地；

恒压驱动芯片由直流电压供电端VIN+和VIN-供电；

(2)所述的电流反馈电路包括电阻R1、R2和R5和参考电压端VREF+；

参考电压端VREF+通过依次串联的电阻R1、R2和R5接地；

电阻R5与R2的连接点为恒流充电电路的负输出端VOUT-；

电阻R1与R2的连接点接恒压驱动芯片的反馈端FB。

图6为原理图，各元件或标号说明：

VIN+-----输入电源正极。

VIN------输入电源负极。

VOUT+-----输出电源正极。

VOUT-----输出电源负极。

VREF+-----参考电源的正极

C1为输入滤波电容。

C2为输出滤波电容。

C3为电流采样反馈滤波。

R1，R2，R5，C3组成电流采样反馈线路。

R3，R4，为电压采样反馈电路。

D1为隔离二级管。

工作原理说明：

采用稳定参考电源作为基准电压，采用R1，R2，R5分压得到与FB相等的电压，从而通过FB去调整DCDC IC的内部PWM而控制输出电流的大小。例如，当输出电流变大，在取样电阻R5上的电压就会升高，由于VRFE+是固定的值，从而是FB电压变大，FB变大，占空比就会减少，从而是输出电流减少，而完成一个完整的反馈，达到稳定电流输出的目的。

恒流计算：

设R5上流过电流产生的电压为VIo,输出电流为Io

参考电压为VREF+＝2.5V，

FB电压为VFB＝0.6V，

R5＝0.1Ω，R1＝40KΩ，R2＝10KΩ

则：

VIo＝Io*R5

VFB＝VIo+((VREF+-VIo)*R2/(R1+R2))

计算得：

Io＝(VFB*(R1+R2)-R2*VREF+)/R1*R5

如果取K＝(VFB*(R1+R2)-R2*VREF+)/R1则等式

Io＝K/R5

从计算公式看,Io输出电流与输出电压和输入电压没有任何关系，只与VFB.R1,R2,VREF有关，而这些参数在具体的设计中，它们都是固定的(VFB在稳态时是固定的，对于芯片fp7192恒压芯片，其稳态值为0.6v)，所以K必然为一个固定的值，所以算式：

Io＝K/R5具有极好的线性度，及具有优良的可控性。

把上面的参数赋予上面设定的具体值可得：

Io＝(VFB*(R1+R2)-R2*VREF+)/R1*R5

＝(0.6*(40+10)-10*2.5)/40*0.1

＝1.25A

恒压芯片。成本约0.8元

从以上的等式中可以看到，此方案引入固定的VREF+，从而使Io变成一个只与R5取样电阻成线性关系的等式，使Io变成恒定，从而达到恒流的目的。

本方案参考电压恒流法的特点如下：

1.使用稳定固定VREF+电压，便于精度的控制和稳定性控制。

2.使用将电流采样变成电阻分压反馈，更简单可靠。

3.适用性广，任何需要恒流的线路都可以使用。

4.成本大幅降低，例如使用IC恒流方案做12V/1A输出要3元以上,而使用本方案在1元以内。

所述的恒压驱动芯片采用ZTP7192器件。也可以是市场上其他的恒压驱动芯片。如MP1495,MP1593,RT8296,MC34063,FP5138…………。

为防止测量装置倾斜，可以设置必要的支撑机构(如支架等)。光伏组件可以安装在地面上，防止测量装置过重。

为了适配不同直径的树木，抱箍可以分为多种规格，如直径15cm，30cm，50cm的规格等。

Claims

1.一种测定树木直径生长量的单箍式测定器，其特征在于，包括抱箍、皮带和测定器本体，测定器本体包括安装板(1)和辊(2)；安装板上还设有固定抱箍一端的夹具(6)，抱箍的另一端与皮带的第一端连接

抱箍为弧形，在测量时，抱箍固定在被测立木上，抱箍的弧度对应的圆心角大于180°，夹具固定在安装板上，辊的转轴固定在安装板上，辊的轴线垂直于安装板，且辊与夹具之间具有允许皮带穿过的间隙；

测定器本体上设有长度读数装置。

2.根据权利要求1所述的测定树木直径生长量的单箍式测定器，其特征在于，所述的长度读数装置为附着在皮带上的皮尺。

3.根据权利要求1所述的测定树木直径生长量的单箍式测定器，其特征在于，所述的长度读数装置为电子读数装置。

4.根据权利要求3所述的测定树木直径生长量的单箍式测定器，其特征在于，电子读数装置包括MCU和传感器，传感器与MCU相连；所述的传感器为设置在第一辊或第二辊上的码盘；码盘能随第一辊或第二辊同步旋转；

电子读数装置还包括与MCU相连的无线通信模块或显示屏。

5.根据权利要求4所述的测定树木直径生长量的单箍式测定器，其特征在于，无线通信模块用于将测量数据发送到现场的数据处理中心或远程的数据处理平台。

6.根据权利要求5所述的测定树木直径生长量的单箍式测定器，其特征在于，无线通信模块为WiFi模块、ZigBee模块、蓝牙模块、GPRS、3G、4G或5G通信模块。

7.根据权利要求4所述的测定树木直径生长量的单箍式测定器，其特征在于，读数机构上设有与MCU相连的定位模块。

8.根据权利要求4所述的测定树木直径生长量的单箍式测定器，其特征在于，电子读数机构上设有锂电池，锂电池为MCU供电。光伏模组通过充电电路与锂电池相连。

9.一种用于连续测量立木周长的测定系统，其特征在于，包括远程数据收集平台以及多个如权利要求5-7任一项所述的皮带式测定器；

10.根据权利要求9所述的用于连续测量立木周长的测定系统，其特征在于，还包括现场数据汇集装置，多个皮带式测定器采集的数据先汇集到现场数据汇集装置，再由现场数据汇集装置统一发送到远程数据收集平台。