橡膠樹樹皮厚度測量儀的設(shè)計

王馭陌　張燕

摘要：基于容柵原理設(shè)計了一套智能橡膠樹樹皮厚度測量儀，并通過對橡膠樹樹皮厚度的測量試驗，得出了不同的標準偏差和變異系數(shù)值。結(jié)果表明，該智能橡膠樹樹皮厚度測量儀與傳統(tǒng)測量方法相比，效率提高了17～19倍，并具有便攜式、成本低、精度高、穩(wěn)定性好等特點，將在中國生態(tài)儀器中橡膠樹樹皮厚度測量領(lǐng)域起開拓作用。

關(guān)鍵詞：橡膠樹；容柵原理；樹皮厚度；精度分析

中圖分類號：TP212.9；S794.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）15-3756-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.15.046

Abstract： Based on capacitive principle，a set of intelligent rubber tree bark thickness measuring instrument was designed， and through the measurement test of rubber tree bark thickness， the numerical difference of standard deviation and variation were obtained. Results showed that compared with the traditional measurement method， the efficiency of the intelligent rubber tree bark thickness measuring instrument increased by 17～19 times， with the characteristics of portability， low cost， high precision， good stability and so on， which will play a pioneer role in the field of ecological instrument measuring thickness of the bark of rubber trees in China.

Key words： rubber tree； capacitive principle； bark thickness； accuracy analysis

天然橡膠兼具農(nóng)業(yè)與資源屬性，是四大基礎(chǔ)工業(yè)原料中惟一的可再生資源，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防等領(lǐng)域[1]。橡膠樹經(jīng)濟壽命的長短主要取決于割膠的耗皮量，沒有樹皮，橡膠樹就失去了特有的經(jīng)濟價值[2]，橡膠樹樹皮厚度不僅能夠預測病蟲危害、樹木生長和遺傳變異等情況，還能夠評估出樹皮中經(jīng)濟成分的含量[3]，并對割膠過程進行充分的指導[4]。因此，對橡膠樹樹皮及樹皮厚度進行研究意義重大。

目前，國內(nèi)對樹皮厚度的測量仍然處于基礎(chǔ)階段，即用刀切出一塊樹皮，然后采用鋼尺或游標卡尺進行直接測量的方法。該測量方法不僅效率低，而且對樹皮損傷較嚴重，同時不同的測量人員切取的樹皮區(qū)域存在一定的差異，因而人為因素易造成同一部位測量的樹皮厚度值有較大的誤差。國際上只有瑞典研發(fā)了一款樹皮厚度測量器，其價格高，量程0～50 mm，而且該測量器仍處于機械讀數(shù)階段，讀數(shù)慢，效率低，同時讀數(shù)存在主觀誤差，這些問題使得測量器的推廣受到了限制[5]。綜合考慮以上原因，研發(fā)了一種便攜式、高效、成本低、精度高的電子測量儀，且價格低廉。

1 測量儀基本工作原理

1.1 容柵傳感器

容柵式傳感器是在變面積型電容式傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型傳感器。它同時具有多極電容帶來的平均效應(yīng)與電容式傳感器的優(yōu)點，并且采用閉環(huán)反饋式等測量電路，從而降低了寄生電容的影響，提高了抗干擾能力及測量精度。它與光柵、感應(yīng)同步器等其他數(shù)字式位移傳感器相比，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、準確度和分辨率高、測量速度快、功耗小、成本低、對使用環(huán)境要求不高等優(yōu)點，因此在電子測量技術(shù)中占有十分重要的地位。

1.2 容柵傳感器測長基本原理

容柵位移傳感器與電容兩極板之間的間隙d和介電常數(shù)ε有關(guān)，其原理為在一定的條件下，電容變化量ΔC的大小與耦合面積變化量Δs呈正比，即ΔC=（ε×Δs）/d。另外，容柵位移傳感器又可分為長容柵位移傳感器和圓容柵角位移傳感器。本設(shè)計所涉及的是長容柵位移傳感器。

2 智能測量儀設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1、圖2和圖3所示，分別為設(shè)計的橡膠樹樹皮厚度測量儀的主視圖、俯視圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，包括插刀刀片2、鎖緊螺釘3、插刀固定部件4、彈簧9、位置限制叉1、顯示部件8、塑料手柄6、多功能按鍵5等。其中插刀刀片2插入到插刀固定部件4的槽中，通過鎖緊螺釘3進行固定；顯示部件8安裝在插刀固定部件4上，并且在插刀固定部件4的中部兩側(cè)有限位突起11，彈簧9纏繞在固定部件4的尾部上，且插刀固定部件4的端部與手柄6相連；限位叉1緊貼插刀柄4，且其尾部插入彈簧9的內(nèi)部，限位叉上設(shè)有插刀刀片2，并設(shè)有限位擋塊10；其中，插刀固定部件4、限位叉1的后半部及顯示部件8、彈簧9等均在手柄6的內(nèi)部。另外，插刀柄4上設(shè)有定柵，限位叉1上設(shè)有動柵。

2.2 部件設(shè)計及功能分析

1）手柄。手柄的前端安有透明顯示窗口，多功能按鍵設(shè)置在手柄中部，尾部設(shè)有端蓋。手柄采用符合人體工程力學的造型，使用更為舒適。材質(zhì)為工程塑料，表面涂有樹脂材料，手接觸的地方設(shè)置有凸點，進一步防止打滑，便于操作。

2）顯示部件。顯示部件由集成電路、傳感器、介電層、顯示屏等組成，并連接有多功能按鍵。其中，集成電路設(shè)計有示數(shù)鎖定、自動關(guān)機等功能。

3）多功能按鍵。開關(guān)機、零點校正等功能均可通過多功能按鍵實現(xiàn)。在測量裝置關(guān)機時，輕按一下則開機；在開機狀態(tài)下，長按按鍵則啟動零點校正功能，短按一下則關(guān)閉測量裝置。

4）位置限制叉（圖4）。叉上設(shè)有插刀刀片，整體緊貼插刀固定部件，尾部插入在彈簧內(nèi)，并設(shè)置有限位突起。

2.3 操作分析

啟動：輕按按鍵，裝置自動開機。

測量：用手握住手柄，將插刀插入樹皮，鋒利的插刀可以將樹皮刺穿，而位置限制叉則被樹皮阻擋在外部，絕對位置不變。在插入樹皮的過程中，位置限制叉向后滑動從而壓縮彈簧，當插刀插入到木質(zhì)層時，因木質(zhì)層具有較高的硬度而無法繼續(xù)刺入，對彈簧的壓縮因而停止。拔出插刀，便可在顯示屏上讀出示數(shù)。顯示示數(shù)將鎖定5 s以方便讀數(shù)，隨后自動清零以便下一次測量。另外，該裝置如果超過1 min未進行新的測量或零點校正操作，則儀器自動關(guān)機。

零點校正：為消除裝置間隙以及刀片的長度引起的測量誤差，在開機狀態(tài)下用手握住手柄，將位置限制叉在硬質(zhì)平面上壓下，直到插刀刀片與平面接觸，長按多功能按鍵，系統(tǒng)將記錄此時位置限制叉與插刀固定部件的相對位置并設(shè)置為零，即可完成校正。

3 測量儀的測量及數(shù)據(jù)分析

為了對該儀器進行較準確的精度、準確度與穩(wěn)定性分析，將該裝置與目前普遍使用的精度最高的游標卡尺測量法進行了對比試驗。根據(jù)不同年齡橡膠樹的樹皮硬度及厚度的差異，分別選取了橡膠樹1、2、3作為試驗對象。選取該3棵橡膠樹距離地面1 m處10 mm×10 mm的方形平整區(qū)域作為測量范圍，20次重復取平均值。為避免主觀因素的影響，由同一個試驗員進行3棵橡膠樹的樹皮厚度測量和讀數(shù)，兩種方法測得的數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可知，每一棵樹由設(shè)計電子厚度測量儀所測得的樹皮厚度的標準偏差均小于游標卡尺所測數(shù)據(jù)，標準偏差越小，其偏離平均值就越少。另外，3次試驗中，游標卡尺測出數(shù)據(jù)的方差分別為電子厚度測量儀測得的7.9、3.1、3.6倍，在充分利用試驗所得的數(shù)據(jù)估計試驗誤差的情況下可判斷，電子厚度測量儀的精度明顯高于游標卡尺測量法。游標卡尺測出數(shù)據(jù)的極差分別為電子厚度測量儀的2.4、1.8、1.6倍，因此電子厚度測量儀作為分散性數(shù)據(jù)的測量儀器具有很高的穩(wěn)定性。經(jīng)電子厚度測量儀測量的數(shù)據(jù)變異系數(shù)均小于經(jīng)游標卡尺測量得出數(shù)據(jù)的變異系數(shù)，進一步說明前者數(shù)據(jù)精密度好于后者。

3棵樹兩種測量方法所得結(jié)果的散點分布圖見圖5、圖6和圖7。

由圖5、圖6、圖7顯示的數(shù)據(jù)變動幅度可以得出，經(jīng)電子厚度測量儀測量的數(shù)據(jù)上下波動幅度較游標卡尺測量所得的數(shù)據(jù)小。另外，相對于中心點的分布情況，數(shù)據(jù)集中度較好，并不發(fā)生很尖銳的變動。電子厚度測量儀測量數(shù)據(jù)的彼此符合程度明顯優(yōu)于游標卡尺所測數(shù)據(jù)，因此有更高的精密度，能反映重復分析測定均一樣品所獲得的測定值之間的較高的一致性程度。

該橡膠樹樹皮電子厚度測量儀大大提高了測量效率，在滿足測量要求的前提下，統(tǒng)計了兩種測量儀器一次工作所需的時間并分別計算其效率。樹皮厚度測量儀只需將插刀插入樹干即可測量樹皮厚度，統(tǒng)計該儀器對每種樹進行測試所需時間；而游標卡尺測量需要鑿開樹皮進行測量，對每棵樹則進行一次測量。其測量時間結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，橡膠樹樹皮電子厚度測量儀的測量時間遠短于傳統(tǒng)游標卡尺的測量時間，其效率是游標卡尺測量法的17～19倍。

4 小結(jié)

基于對容柵技術(shù)的測長位移傳感器的研究和橡膠樹皮厚度的物理特性分析，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單的橡膠樹樹皮電子厚度測量儀。測量數(shù)據(jù)結(jié)果表明，橡膠樹樹皮電子厚度測量儀的精密度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)電子游標卡尺測量法，且變異系數(shù)均小于傳統(tǒng)的卡尺測量，效率是游標卡尺的17～19倍，采用本設(shè)計的橡膠樹樹皮厚度儀在測量精密度、穩(wěn)定性、效率等方面均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)測量方法。該測量儀不僅結(jié)構(gòu)簡單，便于攜帶，而且成本低、易操作、使用方便，測量樹皮厚度迅速準確，測量方法便捷，測量結(jié)果顯示直觀，將對中國生態(tài)儀器的研究有著重要的推進作用。

參考文獻：

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