CN204177341U

CN204177341U - 一种折叠式树径生长量实时精密测量仪

Info

Publication number: CN204177341U
Application number: CN201420600665.1U
Authority: CN
Inventors: 冷国强; 李东升; 姚静远; 陈爱军; 于航; 郭明明
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2014-10-16
Filing date: 2014-10-16
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2024-10-16

Abstract

本实用新型公开了一种折叠式树径生长量实时精密测量仪，该装置能够实时精确地测量树木直径，且体积小巧可折叠，方便携带。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。装置采用多点定位、三点测量直径的方式，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。该装置采用可折叠式方便携带，而且使用方便并且质量轻体积小，夹具对树干伤害小。

Description

一种折叠式树径生长量实时精密测量仪

技术领域

本实用新型属于测试计量技术领域，具体涉及一种折叠式树径生长量实时精密测量仪。

背景技术

森林作为陆地生态主体，能有效地吸收大气中的CO₂并将其固定在植被或土壤中，而评价植物固定CO₂量（即其生长量）主要通过树径和树高这两个量来实现。由于树高这一参数测量时的不准确性，在测量植物生长量时，树木直径这一参数显得尤为重要。树干依据环境或其生理节律会出现周期性的膨胀和收缩，这些生理活动直接反映了树干的生理状态。树干生理扩张是因为树干蓄有水分，其水分蒸发使木质压力下降，引起树干收缩，而其固定CO₂又会引起树干生长扩张。因此，为了解树木短期内的直径变化、长期的生长量和生长速率的变化及其与环境间的关系，对树木直径生长量进行精确实时地测量具有十分重要的意义。

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，该装置采用可折叠式，携带方便，适用于林业人员随身携带以完成森林实地测量。

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折叠式树径生长量实时精密测量仪，该装置能够实时精确地测量树木直径，且体积小巧可折叠，方便携带。

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：

本实用新型定位支架a和定位支架b通过活动铰链相连，组合后组成一个夹角为α的定位支架，定位支架a和定位支架b上有燕尾槽，与不锈钢块配合在固定定位支架的同时防止定位支架磨损影响测量精度及使用寿命；定位支架a与支架a通过轴相连，由挡板a控制使用时两者间的角度，挡板a内装有高精度碰珠，也起到定位作用；支架a主要为测量工具提供支架，其上装有滑块a，滑块a的一面装有栅类尺动尺，与装在支架a内侧底部的栅类尺定尺平行，完成树径静态值的测量；滑块a的另一面装有传感器夹具，利用锁紧旋钮a固定传感器夹具，通过移动滑块a可同时移动栅类尺动尺与微位移传感器达到测量目的；支架b主要用于与定位支架a、b共同组成定位系统，支架b和V型定位支架b通过轴相连，由挡板b控制使用时两者间的角度，支架b上的滑块b与A字形支架相连，通过锁紧旋钮b固定A字形支架，A字形支架上的两个螺孔与两个M10螺杆相连，螺杆（11）前端装有凹形块，后端装有调节手轮，两个凹形块与定位支架a、b组成空间上的四个点，保证整个装置的稳定装夹；滑块a、b上与传感器夹具和A字形支架的连接处都装有活动铰链，用于传感器夹具和A字形支架的折叠；栅类尺动尺的信号传输线通过支架b底面的孔穿出，栅类尺动尺的信号传输线和微米级位移传感器的传输线分别与信号处理传输电路相连，信号处理传输电路接收传感器信号，信号处理传输电路通过无线收发数传模块连接上位机。

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）机械结构采用可折叠式方便携带，而且使用方便并且质量轻体积小，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）测量装置采用太阳能供电，适合长期野外测量试验。

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.定位支架a；2.不锈钢块；3.挡板a；4.轴；5.支架a；6.传感器夹具；7.滑块a；8.锁紧旋钮a；9.调节手轮；10. 微米级位移传感器；11.螺杆；12.锁紧旋钮b；13.滑块b；14.A字形支架；15.凹形块；16.树干；17.支架b；18.轴；19.挡板b；20.定位支架b。

图3为本实用新型的等轴侧视图；

图中：2.不锈钢块；5.支架a；6.传感器夹具；7.滑块a；8.锁紧旋钮a；9.调节手轮；10.微米级位移传感器；11.螺杆；12.锁紧旋钮b；13.滑块b；14.A字形支架；15.凹形块；16.树干；17.支架b；18.轴；19.挡板b；20.定位支架b；21.连接铰链；22.磁栅尺信号传输线；23.磁栅尺定尺；24.磁栅尺动尺。

图4为本实用新型的等轴侧视图。

图中：1.定位支架a；2.不锈钢块；5.支架a；6.传感器夹具；7.滑块a；8.锁紧旋钮a；9.调节手轮；10. 微米级位移传感器；11.螺杆；15.凹形块；16.树干；17.支架b；18.轴；19.挡板b；20.定位支架b；21.连接铰链。

图5为折叠后视图。

2.不锈钢块；3.挡板a；5.支架a；6.传感器夹具；7.滑块a；8.锁紧旋钮a；9.调节手轮；11.螺杆；12.锁紧旋钮b；13.滑块b；14.A字形支架；15.凹形块；17.支架b；19.挡板b；20.定位支架b；22.磁栅尺信号传输线；23.磁栅尺定尺。

图6为信号传输处理电路。

具体实施方式

本实用新型包括定位支架、装夹单元、测量单元和信号传输处理电路。所述装置采用夹紧功能与测量功能分开的方式，改变了传统的夹紧与测量一体式的结构，首先采用两根支架的机械结构设计，以先夹紧后测量的方式代替了夹紧测量同时进行的方式。装置实行夹紧与测量串行的方式，夹紧装置与测量装置相互配合且互不干扰，单人即可完成测量工作。

所述装置在各部分连接处装有高精度活动铰链或轴承，使得测量臂与夹紧臂可折叠，在测量时配合挡板及碰珠实现精确定位。

所述的折叠式树径生长量实时精密测量仪，在部件满足使用要求的同时，对测量仪的结构进行了轻量化设计，包括测量仪定位支架、传感器夹具、定位夹具采用骨架式结构，夹紧臂和测量臂采用中空式结构，在保证结构强度和刚度要求的同时使测量仪夹具质量大幅度减小。此外，对测量仪的制作材料和制作工艺进行了优化，在减小测量仪质量的同时提高了装置的耐磨性，保证了其使用寿命。

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：

（1）

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°），l ₁为栅类尺测量值，l ₀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。

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。

以树干（16）为中心，定位支架a（1）和定位支架b（20）通过活动铰链（21）相连，组合后组成一个夹角为α的定位支架，定位支架a（1）和定位支架b（20）上有燕尾槽，与不锈钢块（2）配合在固定定位支架的同时防止定位支架磨损影响测量精度及使用寿命。定位支架a（1）与支架a（5）通过轴（4）相连，由挡板a（3）控制使用时两者间的角度，挡板a（3）内装有高精度碰珠，也其到定位作用。支架a（5）主要为测量工具提供支架，其上装有滑块a（7），滑块a（7）的一面装有栅类尺动尺（24），与装在支架a（5）内侧底部的栅类尺定尺（23）平行，完成树径静态值的测量；滑块a（7）的另一面装有传感器夹具（6），利用锁紧旋钮a（8）固定传感器夹具（6），通过移动滑块a（7）可同时移动栅类尺动尺（24）与微位移传感器（10）达到测量目的。支架b（17）主要用于与V型定位支架a（5）、b（20）共同组成定位系统，支架b（17）和V型定位支架b（20）通过轴（18）相连，由挡板b（19）控制使用时两者间的角度，支架b（17）上的滑块b（13）与A字形支架（14）相连，通过锁紧旋钮b（12）固定A字形支架（14），A字形支架（14）上的两个螺孔与两个M10螺杆（11）相连，螺杆（11）前端装有凹形块（15），后端装有调节手轮（9），两个凹形块（15）与定位支架a（1）、b（20）组成空间上的四个点，保证整个装置的稳定装夹。滑块a（7）、b（13）上与传感器夹具（6）和A字形支架（14）的连接处都装有活动铰链，用于传感器夹具（6）和A字形支架（14）的折叠。栅类尺动尺的信号传输线（22）通过支架b底面的孔穿出，和微米级位移传感器（10）的传输线分别与信号处理传输电路相连，信号处理传输电路可接收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（16）的变化量。

图5为折叠后装置的视图。

测量结束后，可先将传感器夹具（6）与A字形支架（14）折叠到与支架a（5）、b平行，再将其支架a（5）、b折叠使活动铰链合起，最后将传感器夹具（6）、A字形支架（14）折叠与支架a（5）、b一起分别折叠至于定位支架a（5）、b平行，完成装置的折叠。

图6为信号传输处理电路。

信号传输处理电路包括传感器信号调理模块、磁栅尺接口模块、细分辩向模块、A/D转换、串口通信模块、无线收发模块、MSP430F149、数据存储及时钟模块、液晶显示模块、太阳能电池等组成。微位移传感器进入传感器信号调理模块，所得模拟信号由AD转换模块转换为数字信号上传至MSP430F149，磁栅尺信号经过磁栅尺接口模块屏蔽外界干扰后，进入细分辩向模块运算获得磁栅尺输出的方波信号数，由MSP430计数并结合磁栅尺分辨力获得磁栅尺经过的位移。该信号传输处理电路可实时显示树径静态值与动态值并进行存储，也可进行串口通信与无线收发通信，将存储的数据上传至上位机。此外，由于树径测量实验多为野外实验，该电路由太阳能进行供电，在阴天和雨天时由电池供电，晴天时直接由太阳能供电，延长了试验周期。

本实用新型具体操作流程为：先将折叠装置按步骤打开，后将其装夹至直径60mm的标准圆柱上，调节滑块b（13）锁紧固定旋钮，再旋转调节手轮（9）使装置稳定装夹在标准圆柱上，后缓慢调节滑块a（7）至使传感器示数接近0（mm）处，锁紧旋钮，此时微米级位移传感器示数x ₀（mm），栅类尺动尺示数为l ₀（mm）。按下按键记录上位机树干（16）直径初始值为60mm，树径变化量初始值为x ₀（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（16）上，调节传感器夹具（6），使得微米级位移传感器示数接近x ₀（mm），并记录微米级位移传感器示数为x ₁（mm），拧紧锁紧旋钮，记录栅类尺动尺示数l ₁（mm），树径实时变化量△x ₁。则此时树干（16）直径的实际值为：

（5）

本实用新型能够实时完成植物树干（16）直径及周长的测量，对植物树干（16）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利要求的保护范围为准。

Claims

1. 一种折叠式树径生长量实时精密测量仪，其特征在于：定位支架a（1）和定位支架b（20）通过活动铰链（21）相连，组合后组成一个夹角为α的定位支架，定位支架a（1）和定位支架b（20）上有燕尾槽，与不锈钢块（2）配合在固定定位支架的同时防止定位支架磨损影响测量精度及使用寿命；定位支架a（1）与支架a（5）通过轴（4）相连，由挡板a（3）控制使用时两者间的角度，挡板a（3）内装有高精度碰珠，也起到定位作用；支架a（5）主要为测量工具提供支架，其上装有滑块a（7），滑块a（7）的一面装有栅类尺动尺（24），与装在支架a（5）内侧底部的栅类尺定尺（23）平行，完成树径静态值的测量；滑块a（7）的另一面装有传感器夹具（6），利用锁紧旋钮a（8）固定传感器夹具（6），通过移动滑块a（7）可同时移动栅类尺动尺（24）与微位移传感器（10）达到测量目的；支架b（17）主要用于与定位支架a（5）、b（20）共同组成定位系统，支架b（17）和V型定位支架b（20）通过轴（18）相连，由挡板b（19）控制使用时两者间的角度，支架b（17）上的滑块b（13）与A字形支架（14）相连，通过锁紧旋钮b（12）固定A字形支架（14），A字形支架（14）上的两个螺孔与两个M10螺杆（11）相连，螺杆（11）前端装有凹形块（15），后端装有调节手轮（9），两个凹形块（15）与定位支架a（1）、b（20）组成空间上的四个点，保证整个装置的稳定装夹；滑块a（7）、b（13）上与传感器夹具（6）和A字形支架（14）的连接处都装有活动铰链，用于传感器夹具（6）和A字形支架（14）的折叠；栅类尺动尺的信号传输线（22）通过支架b（17）底面的孔穿出，栅类尺动尺的信号传输线（22）和微米级位移传感器（10）的传输线分别与信号处理传输电路相连，信号处理传输电路接收传感器信号，信号处理传输电路通过无线收发数传模块连接上位机。