CN203940845U - 一种树径生长量精密测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种植物树径生长量精密测量装置，装置能够实时测量树木直径，减少测量误差。测量装置包括支架、栅类尺、传感器夹具、微米级位移传感器传感器和信号传输处理电路。支架采用三点法测量直径，由两个部分组装成夹角为90°至150°间的V型体，结合安装在与V型角的对角线重合处的微位移传感器，实现树径的测量。微米级位移传感器及磁栅尺通过信号传输处理电路与上位机间进行远程数据传输。本实用新型能够稳定实时地同时测量树径及其微变化量，减少测量误差。该装置对植物的压力小，同时结构简单使用方便，质量轻体积小，易携带。

Description

一种树径生长量精密测量装置

技术领域

本实用新型涉及测试计量技术领域，具体涉及一种植物树径生长量精密测量装置。

背景技术

森林是地球上生命的源泉，是人类生存的必要条件，森林为人类健康及居住环境提供了保障。为保护植物的现状及长远发展，必须对各环境因素对植物生长的影响进行研究。在此之中对植物生长量，尤其是树木直径增长量的测量尤为重要。植物树径生长量与所在生长环境密切相关，其纵向与横向生长速率及树径弯曲程度直接反映植物的生长状况，通过检测树径纵向与横向生长速率及树径弯曲变化量不仅能够获知植物生长状况，还能够结合群体同化箱研究环境对植物生长量的影响。

现有测量方法中，树木直径的测量主要分为两种：(1)支架式树径测量装置，主要采用相互垂直的四个支架将直线位移传感器装夹到树干上，但由于装配误差的存在使得该方法只能获得某一条直径或者弦线的数据，存在较大误差。同时，夹紧时易造成夹具过紧影响树径测量准确度，此外风大时易造成的装置倾斜，也会增加增大误差；(2)拉绳式树径测量装置，主要通过拉绳传感器进行测量。其中，由于拉绳传感器是通过切向拉力固定，钢丝绳对树的压力取决于树的大小。若树径差异大，测量结果之间则可比性差。因此有必要设计一个多支点式的测量装置，用以稳定精确的测量树径值以及树径的实时变化量，该装置对植物的压力小，同时结构方便，易于携带。

发明内容

针对植物树径精密测量的现有技术的不足，本实用新型提供一种植物树径生长量精密测量装置，该装置能够实时测量树木直径，减少测量误差。

为了解决上述存在的技术问题，本实用新型采用下述技术方案：

本实用新型包括定位支架、测量单元和信号传输处理电路。

所述定位支架呈V型，其张角为90°～150°，其中一条边的末端装有可调节夹具，另一条边的末端装有测量单元，所述的定位支架每条边与树木接触处装有不易磨损的不锈钢片，从而形成两个接触测量点。

所述测量单元包括传感器支架、微米级位移传感器、传感器夹具、栅类尺动尺、直线导轨和栅类尺定尺；直线导轨垂直固定在定位支架上，利用与其相配合的滑轨滑块控制传感器夹具及栅类尺动尺的运动，其中栅类尺动尺与栅类尺定尺配合，栅类尺定尺与直线导轨平行，传感器夹具的一端装栅类尺动尺，传感器夹具的另一端装微位移传感器，所述传感器支架与V型定位支架将测量装置装夹在树干上，所述传感器支架与树木接触处设置有橡胶垫，所述微米级位移传感器与信号传输处理电路信号连接。

所述微米级位移传感器安装在定位支架张角相对的直径测量点处，其测头位移方向与张角的平分线相重合，从而形成第三接触测量点。

该装置测量范围为60-200mm，实现两个参数的测量，即树径的静态测量及树径每日、每月或季微变化量的动态测量，其测量结果由两部分组成：第一部分为栅类尺的读数，第二部分为微米级位移传感器的读数，二者之和为测量结果。

本实用新型的有益效果：

(1)测量装置有两个参数，分别为树干直径及树干直径的实时微变化量。

(2)适用于植物的生长量测量问题，测量范围大，对树干表面要求低。

(3)机械结构简单使用方便并且质量轻体积小，方便携带且夹具对树干伤害小。

(4)采用微米级位移传感器，灵敏度和分辨力高，工作寿命长，能实现信息的远距离传输。

(5)可直接显示树干直径、周长等数据，测量结果简洁明了，清晰易读。

附图说明

图1为本实用新型的原理图；

图2为本实用新型的俯视图；

图中：1、第一锁紧旋钮；2、上支架；3、不锈钢片；4、下支架；5、可调节夹具；6、橡胶垫；7、第二锁紧旋钮；8、传感器支架；9、微米级位移传感器；10、传感器夹具；11、栅类尺动尺；12、直线导轨；13、栅类尺定尺。

图3为本实用新型的主视图；

图中：1、第一锁紧旋钮；4、支架b；6、橡胶垫；7、第二锁紧旋钮；8、传感器支架；9、微米级位移传感器；10、传感器夹具；12、直线导轨；14、盖；15、锁紧螺母；17、螺柱。

图4为本实用新型的左视图。

图中：1、第一锁紧旋钮；2、上支架；4、下支架；5、可调节夹具；7、第二锁紧旋钮；8、传感器支架；10、传感器夹具；11、栅类尺动尺；12、直线导轨；13、栅类尺定尺；14、盖；15、锁紧螺母；16、滑轨滑块；17、螺柱。

具体实施方式

本实用新型具体实施方式植物直径生长量精密测量装置，根据树木直径变化量与其装置机械结构的函数关系而设计的，以下结合附图对本实用新型作进一步描述。

如图1所示，为植物直径生长量精密测量装置的原理，可推导出如式(1)公式：

$d=2r=2[b\cos \frac{\mathrm{\α}}{2}+(l_1-l_0)\cos (\mathrm{\β}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})-x\cos (\mathrm{\β}+\mathrm{\γ}-\frac{\mathrm{\π}}{6})]/\left(\frac{1}{\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}}\right)---\left(1\right)$

其中，d为树干直径，r为树干半径，b为V型支架斜边长度，α为夹具顶端夹角(90°≤α≤150°)，l₁为栅类尺测量值，l₀为传感器夹具与树干的间距，x为微米级位移传感器测量值。

假设各参数间相互独立，植物直径生长量精密测量装置的系统误差为：

$\begin{array}{c}\mathrm{dr}=[-\frac{b{\left(\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}\right)}^2}{2(\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}+1)}+\frac{[b\cos \frac{\mathrm{\α}}{2}-l_1\cos (\mathrm{\β}+\frac{\mathrm{\π}}{3})+(l_0-x)\sin (\mathrm{\β}+\mathrm{\γ}+\frac{\mathrm{\π}}{3})]\·\cos \frac{\mathrm{\α}}{2}}{2{\left(\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}\right)}^2}\·{\left(\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}\right)}^4]\mathrm{d\α}\\ -\frac{\cos (\mathrm{\β}+\frac{\mathrm{\π}}{3})\·\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}}{(\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}+1)}{\mathrm{dl}}_1+\frac{\sin (\mathrm{\β}+\mathrm{\γ}+\frac{\mathrm{\π}}{3})\·\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}}{(\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}+1)}{\mathrm{dl}}_0-\frac{\sin (\mathrm{\β}+\mathrm{\γ}+\frac{\mathrm{\π}}{3})\·\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}}{(\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}+1)}\mathrm{dx}+\frac{\sin \mathrm{\α}}{2(\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}+1)}\mathrm{db}\\ +\frac{[l_1\sin (\mathrm{\β}+\frac{\mathrm{\π}}{3})+(l_0-x)\cos (\mathrm{\β}+\mathrm{\γ}+\frac{\mathrm{\π}}{3})]\·\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}}{(\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}+1)}\mathrm{d\β}+\frac{(l_0-x)\cos (\mathrm{\β}+\mathrm{\γ}+\frac{\mathrm{\π}}{3})\·\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}}{(\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}+1)}\mathrm{d\γ}\end{array}---\left(2\right)$

其中，β为栅类尺所在支架的夹角γ为传感器夹具与栅类尺所在支架的夹角。在α＝120°，β＝120°，γ＝90°时，其误差为：

$d4=\frac{\sqrt{3}}{\sqrt{3}+2}({\mathrm{dl}}_1-{\mathrm{dl}}_0+\mathrm{dx})---\left(3\right)$

本实施例包括定位支架、栅类尺、传感器夹具、微米级位移传感器和信号传输处理电路。利用V型定位支架和一个微米级位移传感器实现三点接触式测量。V型体作为两个接触测量点，其V型角范围为90°～150°；微位移传感器安装在与V型角相对的直径测量点处，其测头位移方向与V型角的对角线相重合。测量装置可以实现两个参数的测量，即树径的静态测量及树径每日、每月(或季)微变化量的动态测量。测量结果由两部分组成：第一部分为栅类尺的读数，第二部分为微米级位移传感器的读数，二者之和为测量结果。测量装置需采用标准圆柱进行校准及调零，同时建立将被测树径值的量值溯源至国家长度单位米的校准方法

以下结合图2、图3、图4对测量装置进行详细阐述。

上支架2与下支架4通过配合卡槽结合，并由一个M6的蝶形螺母固定组合成一个夹角为α的支架。上支架2与下支架4上分别装有不易磨损的不锈钢片3，两个不锈钢片3分别由四个M2的螺钉固定在两支架上。上支架上装有一个可调节夹具5，旋转可调节夹具5并拧紧第一锁紧旋钮1可进一步将测量装置固定在树干上。直线导轨12通过M2螺钉固定在下支架4上，利用与其相配合的滑轨滑块16控制传感器夹具10及栅类尺动尺11的运动。栅类尺定尺13可黏贴在测量单元凹槽底端，凹槽的悬空端设置有盖14。传感器夹具通过四个M2螺钉固定在滑轨滑块16上，而栅类尺动尺11由两个M3的螺钉固定在传感器夹具上，由传感器夹具上装有的M3螺柱17，通过与M3螺柱17配合锁紧螺母15可将传感器夹具10固定在直线导轨直线部分的任意位置，以测量树干直径。微米级位移传感器9装在夹具体10中间并第二旋紧锁紧旋钮7，完成微米级位移传感器的装夹，传感器支架8前端贴有橡胶垫6，可在支撑测量装置的同时保护树干不受损害。通过第二锁紧旋钮7可调节夹具力度，方便取出、夹紧微米级位移传感器。微米级位移传感器9与信号处理传输电路相连，信号处理传输电路可接收微米级位移传感器信号并进行处理，将处理好的数据通过无线收发数传模块上传的上位机，信号处理传输电路中设有定时唤醒程序，可在固定时间间隔采集数据并上传到上位机显示，上位机远程接收数据后处理，上位机接收存储数据并绘制相应表格，获得所需时间段内树干的变化量。

本实用新型具体操作流程为：将上支架2与下支架4装夹到直径60mm的标准圆柱上，拧紧螺钉，调节上支架2上的第一锁紧旋钮1，使得测量装置固定在标准圆柱上。推动传感器夹具10使栅类尺动尺11示数为l₀(mm)，拧紧锁紧螺母15以固定传感器夹具10。装夹微米级位移传感器9使得微米级位移传感器示数x₀(mm)，按下按键记录上位机树干直径初始值为60mm，树径变化量初始值为x₀(mm)，即此位置为测量原点。取下测量装置，将其装夹与被测树干上，调节传感器夹具，使得微米级位移传感器示数接近x₀(mm)，并记录微米级位移传感器示数为x₁(mm)，拧紧锁紧螺母15，记录栅类尺动尺示数l₁(mm)，树径实时变化量△x₁。则此时树干直径的实际值为：

$d=2r=2[b\cos \frac{\mathrm{\α}}{2}+(l_1-l_0)\cos (\mathrm{\β}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})-(x_1-x_0)\cos (\mathrm{\β}+\mathrm{\γ}-\frac{\mathrm{\π}}{6})]/\left(\frac{1}{\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}}\right)---\left(5\right)$

本实用新型能够实时完成植物树干直径及周长的测量，对植物树干表面要求低，测量范围大，减少了测量误差和工作量。以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权力要求的保护范围为准。

Claims (1)

1. 一种树径生长量精密测量装置，包括定位支架、测量单元和信号传输处理电路，其特征在于：

所述定位支架呈V型，其张角为90°~150°，其中一条边的末端装有可调节夹具，另一条边的末端装有测量单元，所述的定位支架每条边与树木接触处装有不易磨损的不锈钢片，从而形成两个接触测量点；

所述测量单元包括传感器支架、微米级位移传感器、传感器夹具、栅类尺动尺、直线导轨和栅类尺定尺；直线导轨垂直固定在定位支架上，利用与其相配合的滑轨滑块控制传感器夹具及栅类尺动尺的运动，其中栅类尺动尺与栅类尺定尺配合，栅类尺定尺与直线导轨平行，传感器夹具的一端装栅类尺动尺，传感器夹具的另一端装微位移传感器，所述传感器支架与V型定位支架将测量装置装夹在树干上，传感器支架与树木接触处设置有橡胶垫，所述微米级位移传感器与信号传输处理电路信号连接；

所述微米级位移传感器安装在定位支架张角相对的直径测量点处，其测头位移方向与张角的平分线相重合，从而形成第三接触测量点。