植物樹干生長量實時精密測量裝置的研制

張印香，禹　靜，姚靜遠

(1.呼倫貝爾市產(chǎn)品質(zhì)量計量檢測所，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000；2.中國計量學(xué)院 計量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

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植物樹干生長量實時精密測量裝置的研制

張印香1，禹靜2，*，姚靜遠2

(1.呼倫貝爾市產(chǎn)品質(zhì)量計量檢測所，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000；2.中國計量學(xué)院 計量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

植物樹干生長量的實時精密測量可以用于觀測植物生長情況，為此研制了一種植物樹干生長量實時精密測量裝置。首先設(shè)計了該裝置的機械支架、各部分電路系統(tǒng)，并進行聯(lián)調(diào)，完成整機制作。其次，在晴天、雨天、陰天3種不同天氣條件下，以澳洲杉為材料，進行樹木胸徑日變化量的測量，并總結(jié)得到了周變化規(guī)律。結(jié)果表明，該裝置能夠?qū)崟r精密測量植物樹干生長量。

植物胸徑；胸徑生長量；實時精密測量

大氣中CO2的排放是影響氣候變化的主要因素之一，森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)主體，具有可重復(fù)再生的特性，有碳源和碳匯的雙重作用[1-2]。目前主要的碳匯方式都是宏觀碳匯法，所得到的結(jié)果都難以保證量值的準(zhǔn)確和統(tǒng)一，使量值溯源成為急需解決的難題。因此，開發(fā)微觀的林木碳匯計量方式是當(dāng)前研究的重點問題。胸徑和樹高是影響植物固定CO2量(即其生長量)的因素之一[3]。由于樹高測量時的不準(zhǔn)確性，在測量植物生長量時，樹木直徑顯得尤為重要。依據(jù)環(huán)境或生理節(jié)律，樹干會出現(xiàn)周期性的膨脹和收縮，這些生理活動直接反映了樹干的生理狀態(tài)[4]。樹干生理擴張是因為樹干蓄有水分，其水分蒸發(fā)使木質(zhì)壓力下降，引起樹干收縮，而其固定CO2又會引起樹干生長擴張[5]。因此，為了解樹木短期的直徑變化、長期的生長量和生長速率變化及其與環(huán)境的關(guān)系，對樹木直徑生長量進行精確實時測量具有十分重要的意義。

樹木胸徑最原始、最直接的測量方式是用圍尺，但圍尺無法精密測量胸徑的變化量。現(xiàn)有樹木胸徑生長量的測量方法主要有支架式和拉繩式2種，支架式直徑測量儀器[6]主要采用相互垂直的4個支架將直線位移傳感器裝夾到樹干上，夾具過緊會影響樹干直徑測量準(zhǔn)確度，此外風(fēng)大時易造成的儀器傾斜，也會增大誤差。與支架式樹干直徑儀類似的有利用圍繩將直線位移傳感器裝夾到樹干上的直徑生長量測量儀[7-8]。拉繩式樹干直徑測量儀主要通過拉繩傳感器進行測量。類似原理的有美國新墨西哥州立大學(xué)Juming Wang研制的樹木直徑測量儀[9]。此外，也有利用新技術(shù)如激光、超聲等方法測量胸徑值[10-14]。現(xiàn)有測量方法設(shè)計精度不足以測量胸徑的實時變化量，因此，本文設(shè)計了一個多支點式測量儀器，用以穩(wěn)定精確地測量樹木胸徑值以及胸徑的實時變化量，該儀器對植物的壓力小，同時結(jié)構(gòu)簡單，易于攜帶且制作成本低。

1　測量裝置設(shè)計要求

1.1測量方法的選擇

樹木的直徑可達10 m以上，而其平均日變化量屬于微米量級，因此依據(jù)胸徑值可采取不同的測試方法。當(dāng)樹干較細(胸徑值<100 mm)，樹表皮較為脆弱時，采用微型支架式測量裝置較為合適。樹干尺寸較適宜時(100 mm<胸徑值<300 mm)宜采用支架式測量方法，既能測量樹干靜態(tài)值，又能測量動態(tài)值。若樹干直徑過大(胸徑值>300 mm)，采用支架式測量裝置由于自重過大導(dǎo)致裝置會以一定速度下移，從而影響測量

精度，過重的測量裝置會損傷樹表皮，因此宜采用拉繩式測量方法。

本文以胸徑100 ～ 150 mm的澳洲杉(Araucaria heterophyll)作為測量對象，為此設(shè)計了尺寸合適、質(zhì)量輕的支架式測量裝置。

1.2測量裝置工作原理

植物樹干生長量實時精密測量儀采用3點法測量直徑，由2個部分組裝成夾角為120°的V型體，結(jié)合安裝在與V型角對角線重合處的微位移傳感器，實現(xiàn)胸徑實時變化量的測量。而其靜態(tài)值的測量主要通過微位移傳感器與測量儀支架鏈接部分上安裝的傳感器獲得，其設(shè)計原理如圖1所示。

r：樹干半徑，b∶V型支架斜邊長度，α：夾具頂端夾角，β：柵類尺所在支架的夾角，l1：柵類尺測量值，l0：傳感器夾具與樹干的間距，x：微米級位移傳感器測量值，γ：傳感器夾具與柵類尺所在支架的夾角。圖1　胸徑測量儀原理圖Fig.1　The schematic diagram of the tree diameter measuring device

根據(jù)圖1可推得，該測量裝置的胸徑計算公式為：

(1)

式(1)中：d為樹干直徑，r為樹干半徑，b為V型支架斜邊長度，α為夾具頂端夾角，β為柵類尺所在支架的夾角，l1為柵類尺測量值，l0為傳感器夾具與樹干的間距，x為微米級位移傳感器測量值，γ為傳感器夾具與柵類尺所在支架的夾角。

2　樹干直徑生長量實時精密檢測裝置的設(shè)計

2.1機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

樹干直徑的測量要求能夠穩(wěn)定裝夾在樹木枝干上，不受環(huán)境等因素影響，對樹干無壓迫。此外，還應(yīng)具備可單人操作、便攜等特點。本文研制的測量儀機械裝置簡圖如圖2所示。裝置由定位支架和傳感器裝夾單元組成，定位支架采用四接觸測量點結(jié)構(gòu)，利用V型定位支架及與其V型角相對的2個定位支架形成的空間4點穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，保證在不影響測量的同時裝置能穩(wěn)定裝夾在樹干上。電感傳感器裝在與V型角相對的直徑測量點處，其測頭位移方向與V型角的對角線重合。

測量儀機械測量裝置采用可折疊式，各部分連接處裝有高精度活動鉸鏈或軸承，使得測量臂與夾緊臂可折疊，在測量時配合擋板及碰珠實現(xiàn)精確定位。此外，裝置還采用2根支架的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，以先夾緊后測量的方式代替了夾緊、測量同時進行的方式。實行夾緊與測量串行的方式，夾緊裝置與測量裝置相互配合且互不干擾，單人即可完成測量工作。為減輕裝置重量，在各部件滿足使用要求的同時，對測量儀的結(jié)構(gòu)進行了輕量化設(shè)計，如測量儀定位支架、傳感器夾具、定位夾具采用骨架式結(jié)構(gòu)，夾緊臂和測量臂采用中空式結(jié)構(gòu)，在保證結(jié)構(gòu)強度和剛度要求的同時使測量儀夾具質(zhì)量大幅度減小。另外，對測量儀的制作材料和制作工藝進行了優(yōu)化，在減輕測量儀質(zhì)量的同時提高了裝置的耐磨性，保證了其使用壽命。

如圖2所示，將折疊裝置打開后，將其裝夾至直徑60 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱上，調(diào)節(jié)滑塊鎖緊固定旋鈕，再旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)手輪使裝置穩(wěn)定裝夾在標(biāo)準(zhǔn)圓柱上，后緩慢調(diào)節(jié)滑塊至使傳感器示數(shù)接近0 mm處，鎖緊旋鈕，此時微米級位移傳感器示數(shù)x0，柵類尺動尺示數(shù)為l0。記錄上位機樹干直徑初始值為60 mm，胸徑變化量初始值為x0，即此位置為測量原點。取下測量裝置，將其裝夾在被測樹干上，調(diào)節(jié)傳感器夾具，使微米級位移傳感器示數(shù)接近x0，并記錄微米級位移傳感器示數(shù)為x1，擰緊鎖緊旋鈕，記錄柵類尺動尺示數(shù)l1，胸徑實時變化量Δx1。則此時樹干直徑的實際值為：

1：定位支架a；2：不銹鋼塊；3：擋板a；4：軸；5：支架a；6：傳感器夾具；7：滑塊a；8：鎖緊旋鈕a；9：調(diào)節(jié)手輪；10：微米級位移傳感器；11：螺桿；12：鎖緊旋鈕b；13：滑塊b；14：A字形支架；15：凹形塊；16：樹干；17：支架b；18：軸；19：擋板b；20：定位支架b。圖2　機械裝置三維示意圖Fig.2　3-D schematic diagram of the machinery

(3-1)

2.2電路設(shè)計

植物胸徑測量儀測控電路包括傳感器信號調(diào)理模塊、磁柵尺接口模塊、正交編碼模塊、光合有效輻射測量模塊、溫濕度測量模塊、串口通信模塊、MSP430F149、數(shù)據(jù)存儲及時鐘模塊、液晶顯示模塊、太陽能電池等，硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。微位移傳感器進入傳感器信號調(diào)理模塊，所得模擬信號由AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號上傳至MSP430F149，磁柵尺信號經(jīng)過磁柵尺接口模塊屏蔽外界干擾后，進入細分辨向模塊運算獲得磁柵尺輸出的方波信號數(shù)，由MSP430計數(shù)并結(jié)合磁柵尺分辨力獲得磁柵尺的位移。該信號傳輸處理電路可實時顯示直徑靜態(tài)值與動態(tài)值并進行存儲，也可進行串口通信將存儲的數(shù)據(jù)上傳至上位機。此外，由于直徑測量試驗多為野外試驗，該電路在陰天和雨天時由電池供電，晴天時直接由太陽能供電，延長了試驗周期。儀器電路設(shè)計包括電源電路、胸徑測量電路、時鐘電路、存儲電路、溫濕度測量電路、轉(zhuǎn)換電路等。結(jié)合上位機軟件程序編寫完成樣機的設(shè)計及制作，本文著重描述有關(guān)胸徑靜態(tài)測量及動態(tài)測量電路。

圖3　硬件系統(tǒng)框圖Fig.3　Hardware system

2.2.1胸徑靜態(tài)測量電路

胸徑靜態(tài)測量電路核心是磁柵式傳感器。由于本研究要求精度較高，因此胸徑靜態(tài)測量模塊采用MSR50H磁柵尺位移傳感器。磁柵接口電路如圖4所示，采用高速光電隔離器6N137，其轉(zhuǎn)換速率達10 MBit·s-1，不僅電路設(shè)計簡單，而且提高了測量精度和數(shù)據(jù)處理速度。

磁柵尺位移傳感器的輸出信號為兩路相位差為90°的TTL電平信號，需正交編碼后進行計數(shù)，磁柵尺位移傳感器的位移與正交編碼后的電平信號的關(guān)系為：位移=電平信號個數(shù)×傳感器分辨力。選用HCTL-2032四細分辨向芯片對磁柵尺位移傳感器輸出信號進行正交編碼處理。該芯片具有四細分和辨向的功能，同時還具有抗干擾設(shè)計，并將可逆計數(shù)器設(shè)計在芯片上，可大大簡化外圍電路的設(shè)計。來自傳感器的兩路方波信號分別經(jīng)CHA0和CHB0端送入芯片，且輸入信號經(jīng)過施密特觸發(fā)器和數(shù)字濾波器的預(yù)處理后，消除了噪聲可能引起的誤計數(shù)，增加了抗干擾能力。同時，為了防止在讀取高、低片字節(jié)的間隙鎖存器內(nèi)容發(fā)生變化，讀取的高、低字節(jié)互不對應(yīng)，內(nèi)設(shè)有禁止邏輯，使鎖存器數(shù)值保持不變，但不影響計數(shù)器照常計數(shù)，直到讀取低字節(jié)后，禁止邏輯才接觸，鎖存器回復(fù)正常工作。

2.2.2胸徑動態(tài)測量電路

胸徑動態(tài)測量電路由DP-S4電感傳感器、AD598調(diào)理電路和AD轉(zhuǎn)換電路組成，如圖5所示。該傳感器的量程為1 mm，分辨力為± 0.0 μm，精度為0.2 μm，可以滿足胸徑動態(tài)測量的要求。電感傳感器輸出的是位移信號，數(shù)據(jù)采集一般為電壓或電流信號，因此需要通過信號調(diào)理電路將位移信號轉(zhuǎn)換成電信號。如圖5所示，其中J5為GT22差動電感傳感器的接口，R22用于調(diào)節(jié)輸出激磁的幅度，實現(xiàn)激勵信號的頻率補償，R24可以調(diào)節(jié)輸出電壓幅值，電路后續(xù)加一階RC低通濾波和穩(wěn)壓二極管，減少紋波電壓。

圖4　磁柵接口電路Fig.4　Magnetic grid interface circuit

圖5　信號調(diào)理電路Fig.5　Signal conditioning circuit

3　胸徑測量試驗

于2014年8—10月，選取中國計量學(xué)院校園內(nèi)的澳洲杉為試驗對象，用本研究研制的植物生長量實時精密測量儀進行樹木胸徑及其日變化量的數(shù)據(jù)采集。采集位置為樹木胸徑處(離地約1.3 m)，并用標(biāo)記筆標(biāo)記測量區(qū)域。

試驗選擇在晴天、陰天、雨天3種不同天氣條件下進行，選取年齡相近、長勢一致的澳洲杉進行測量，采集時間為每天0:00～23:30，每隔30 min記錄一次胸徑變化量數(shù)據(jù)。圖6-A，B，C分別為3種天氣條件下，澳洲杉胸徑的日變化曲線。

如圖6所示，在晴天和陰天條件下，每天早上7:30～9:00，胸徑變化量降到最?。?:00以后胸徑變化量開始變大并在下午15:30～16:30達到最大，之后減小，一天間出現(xiàn)1次波峰和1次波谷；雨天胸徑變化量并未出現(xiàn)增大現(xiàn)象，而是呈穩(wěn)定降低趨勢，未出現(xiàn)波峰或波谷。

如圖7所示，對澳洲杉進行連續(xù)一周的測量后(前半周陰天、后半周晴天)發(fā)現(xiàn)，陰天時雖然每天仍出現(xiàn)波峰和波谷，但胸徑變化量總體呈下降趨勢，而天氣轉(zhuǎn)晴以后胸徑變化量呈上升趨勢。因此，推測植物對環(huán)境的實時響應(yīng)機制不僅體現(xiàn)在植物葉片上[15-16]，還一定程度地體現(xiàn)在樹木枝干上。

圖6　晴天(A)、陰天(B)和雨天(C)條件下澳洲杉胸徑日變化曲線Fig.6　Diameter daily changing curve of Araucaria heterophyll on sunny，cloudy and rainy day

橫坐標(biāo)的“15”表示周一第一次測量結(jié)果，“360”表示周日最后一次測量結(jié)果。圖7　澳洲杉胸徑的周變化曲線Fig.7　Diameter weekly changing curve of Araucaria heterophyll

4　結(jié)論

本文結(jié)合當(dāng)前碳匯交易的大環(huán)境，針對能有效吸收大氣中的CO2并將其固定的最主要途徑——樹木，提出了樹木胸徑微變化量的實時測量。樹干除根據(jù)環(huán)境或其生理節(jié)律出現(xiàn)周期性的膨脹和收縮以外，其固定CO2也會引起樹干生長擴張。本研究研制了一種樹木胸徑生長量實時精密測量儀，設(shè)計了機械支架，將測量用傳感器裝入支架，使傳感器與樹干穩(wěn)定接觸；然后利用電感傳感器解決了胸徑日變化量微小不易測量的問題，設(shè)計了電路部分并結(jié)合上位機軟件程序完成樣機制作。采用該儀器長期測量澳洲杉胸徑變化量，得到澳洲杉胸徑日變化規(guī)律及周變化規(guī)律。該研究結(jié)果為研究樹木生長規(guī)律與環(huán)境因素之間的關(guān)系提供了良好的測量途徑。

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(責(zé)任編輯侯春曉)

Research of real-time precision measuring device for measuring tree diameter growth

ZHANG Yin-xiang1，YU Jing2，*，YAO Jing-yuan2

(1.Hulun Buir Production Quality Test and Metrology Institute，Hulun Buir 021000，China;2.College of Metrology and Measurement Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China)

Plant growth could be directly observed by real-time precision measurement of tree diameter.So the real-time precision measuring device for tree diameter was developed in this study.The mechanical bracket and circuit system of each part had been designed firstly，and the real-time precision measuring device was then completed.Then，the diameter of Araucaria heterophyll had been measured by this device during sunny day，rainy day and cloudy day，respectively.And the week change law of tree diameter was summarized.The results showed that this real-time precision measuring device could be well used for measuring tree diameter.

tree diameter;tree diameter growth;real-time precision measuring

浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報Acta Agriculturae Zhejiangensis，2016，28(3):528-534http://www.zjnyxb.cn

張印香，禹靜，姚靜遠.植物樹干生長量實時精密測量裝置的研制[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報，2016，28(3):528-534.

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.03.27

2015-12-07

國家自然科學(xué)基金(60671052)

張印香(1968—)，女，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，高級工程師，研究方向為植物檢測。E-mail:hlpsb@163.com

，禹靜，yujing88@cjlu.edu.cn

S758.1

A

1004-1524(2016)03-0528-07