樹木微鉆儀鉆針阻力表達(dá)方法研究

姚建峰 趙燕東 張會儒 宋新宇 雷相東 唐守正

(1.信陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院， 信陽 464000； 2.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083；3.中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所， 北京 100091； 4.國家林業(yè)和草原局森林經(jīng)營與生長模擬重點實驗室， 北京 100091；5.信陽師范學(xué)院數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院， 信陽 464000)

0 引言

樹木微鉆儀是使用電機(jī)控制鉆針勻速鉆入樹木、并實時測量鉆針阻力的一種精密測量儀器。鉆針阻力與木材密度正相關(guān)[1]，因此，可以根據(jù)鉆針阻力獲取鉆針路徑上的木材密度、木材缺陷、樹木年輪等信息。樹木微鉆儀鉆針針頭寬度僅3 mm，對被測對象損傷較小[2]，這為活立木密度[3-4]、樹木年輪[5-6]、木材腐朽程度[7-8]等測量提供了一種微損測量方法。目前，樹木微鉆儀主要由德國Rinntech公司和IML(Instrumenta Mechanik Labor)公司生產(chǎn)，我國還沒有廠家生產(chǎn)樹木微鉆儀。鑒于技術(shù)保密，我國科研人員尚不能完全掌握樹木微鉆儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)和鉆針阻力的表達(dá)方法。在唐守正院士指導(dǎo)下，中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所和北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院成立了樹木微鉆儀研制團(tuán)隊，設(shè)計了樹木微鉆儀的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)[9-10]，研究了微鉆儀鉆針轉(zhuǎn)速控制算法[11]，提出了鉆針阻力的表達(dá)方法[9-13]、鉆針阻力濾波算法[12-13]和樹木年輪識別算法[6,9,13]。經(jīng)測試，自主研制的樹木微鉆儀的平均年輪測量精度比德國Rinntech公司生產(chǎn)的Resistograph 650-S型微鉆儀高約10個百分點[9]。本文在前期研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究鉆針阻力表達(dá)方法，建立各表達(dá)方法鉆針阻力與木材絕干密度之間的線性模型，選擇與木材絕干密度相關(guān)系數(shù)最高的作為樹木微鉆儀的鉆針阻力表達(dá)方法，建立Resistograph 650-S型微鉆儀鉆針阻力與木材絕干密度之間的線性模型，對比兩個儀器的鉆針阻力與木材密度的相關(guān)性，以驗證自主研制的樹木微鉆儀鉆針阻力表達(dá)方法的合理性。

1 樹木微鉆儀工作原理

自制的樹木微鉆儀由2個電機(jī)控制：一個是直流電機(jī)，控制鉆針的旋轉(zhuǎn)速度；另一個是步進(jìn)電機(jī)，控制鉆針的進(jìn)給速度[9-10]。樹木微鉆儀機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)如圖1所示。鉆針通過鉆針夾與直流電機(jī)軸連接，鉆針轉(zhuǎn)速與直流電機(jī)轉(zhuǎn)速相同。傳動絲桿通過聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)軸連接，傳動絲桿轉(zhuǎn)速與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同。絲桿滑塊中央有一個螺紋孔，螺紋孔嵌套在傳動絲桿上，當(dāng)傳動絲桿旋轉(zhuǎn)時，絲桿滑塊可以在傳動絲桿上移動。為了保證絲桿滑塊沿直線方向運(yùn)動，減小絲桿滑塊振動，在絲桿滑塊底部設(shè)計一個“V”形槽，絲桿滑塊通過“V”形槽套接在直線導(dǎo)軌上。直流電機(jī)安裝在絲桿滑塊上。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，步進(jìn)電機(jī)帶動傳動絲桿同步旋轉(zhuǎn)，使絲桿滑塊在直線導(dǎo)軌上移動，從而帶動直流電機(jī)和鉆針移動。

鉆針針頭是扁平形狀，針頭寬度是3 mm，鉆針針桿直徑是1.5 mm[14]。由于鉆針針頭寬度是鉆針針桿直徑的2倍，因此，鉆針針桿部分的阻力比較小，鉆針阻力主要集中在鉆針針頭上。鉆針形狀如圖2所示。

直流電機(jī)的電壓平衡方程[15]為

(1)

其中

ε=CeΦia

(2)

式中ua——電樞瞬時電壓，V

ia——電樞瞬時電流，A

ε——電樞反電動勢，V

Ra——電樞內(nèi)阻，ΩLa——電樞電感，H

Ce——電機(jī)電勢常數(shù)

t——時間，s Ф——每極磁通，Wb

直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡方程[15]為

(3)

其中

M=CmΦia

(4)

式中M——電磁轉(zhuǎn)矩，N·m

ML——負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m

J——轉(zhuǎn)速慣量，N·m·s·min/r

n——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min

Cm——轉(zhuǎn)矩常數(shù)

由式(1)～(4)可得：當(dāng)木材密度增大時，鉆針阻力增大，電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，從而使直流電機(jī)反電動勢減小，電樞電流增加，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩(當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差較小時，近似等于電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩)增加；當(dāng)木材密度減小時，鉆針阻力減小，電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，從而使直流電機(jī)反電動勢升高，電樞電流減小，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩減小。為了提高樹木微鉆儀鉆針轉(zhuǎn)速的控制精度，采用速度環(huán)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速高于設(shè)定轉(zhuǎn)速時，直流電機(jī)控制器減小直流電機(jī)兩端的平均電壓，使直流電機(jī)的電流減小，從而減小電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率，使直流電機(jī)轉(zhuǎn)速下降；當(dāng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速低于設(shè)定轉(zhuǎn)速時，直流電機(jī)控制器增加直流電機(jī)兩端的平均電壓，使直流電機(jī)的電流增大，從而增加直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率，使直流電機(jī)轉(zhuǎn)速上升。

電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與直流電機(jī)的電流、電壓、功率正相關(guān)，與電機(jī)轉(zhuǎn)速負(fù)相關(guān)。電機(jī)的主要負(fù)載是鉆針，因此，鉆針阻力與直流電機(jī)的電流、電壓、功率正相關(guān)，與直流電機(jī)轉(zhuǎn)速負(fù)相關(guān)。由于電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不易實時測量，因此，可使用直流電機(jī)的電流、電壓和功率來表示鉆針阻力的相對值。由于直流電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差不能完全消除，為了進(jìn)一步優(yōu)化鉆針阻力表達(dá)方法，本文使用修正因子k修正鉆針阻力，計算公式為

k=n0/n

(5)

U1=kU

(6)

I1=kI

(7)

P1=kP

(8)

式中n0——直流電機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速，r/min

U——直流電機(jī)電壓，V

I——直流電機(jī)電流，A

P——直流電機(jī)功率，W

U1——修正后的直流電機(jī)電壓，V

I1——修正后的直流電機(jī)電流，A

P1——修正后的直流電機(jī)功率，W

分別使用直流電機(jī)的電流I、電壓U和功率P以及修正后的電流I1、電壓U1、功率P1這6個參數(shù)表達(dá)鉆針阻力，分別建立這6種阻力表達(dá)方法與木材絕干密度之間線性模型，選擇與木材絕干密度相關(guān)系數(shù)最高的阻力表達(dá)方法作為微鉆儀的鉆針阻力表達(dá)方法。

2 材料與方法

2.1 試驗材料與儀器

試驗材料是2020年9月在信陽師范學(xué)院校內(nèi)的天然次生林中采樣的2棵馬尾松、2棵麻櫟、1棵泡桐和1棵櫻桃的樹干木材，試驗樹種包含硬闊葉樹、針葉樹和軟闊葉樹。試驗儀器主要有自主研制的樹木微鉆儀和德國Rienntech公司生產(chǎn)的Resistograph 650-S型微鉆儀。自制微鉆儀的鉆針旋轉(zhuǎn)速度n0設(shè)置為3 500 r/min，鉆針進(jìn)給速度設(shè)置為15 cm/min，控制器每1 ms采樣一次直流電機(jī)運(yùn)行參數(shù)和鉆針位置。Resistograph 650-S型微鉆儀的鉆針旋轉(zhuǎn)速度未知，鉆針進(jìn)給速度為60 cm/min，鉆針每前進(jìn)0.01 mm采樣一次鉆針阻力，鉆針阻力的具體測量方法未知，阻力單位為該公司自定義的阻力單位“Resi”，在該公司開發(fā)的DECOM軟件中阻力以百分比的形式顯示。

2.2 試驗方法

2.2.1試驗樣品加工方法

在每棵樹木的樹高1.3、2.3、3.3 m處附近截取樹干通直、無明顯缺陷、長度為0.4 m的樹干，把截取的樹干加工成3.0 cm×3.0 cm×3.0 cm的正方體木塊。試驗樣品總數(shù)為240個，其中，泡桐60個，馬尾松80個，櫻桃50個，麻櫟50個。

2.2.2試驗樣品干燥方法

將試驗樣品放入干燥箱中，干燥箱溫度設(shè)置為60℃，恒溫干燥6 h；再將干燥箱溫度設(shè)置為105℃，恒溫干燥72 h，使木塊干燥至絕干狀態(tài)；關(guān)閉干燥箱，試驗樣品溫度降到室溫(20℃)時將試驗樣品放入玻璃干燥器中保存[16]。使用天平測量每個樣品的絕干質(zhì)量m，測量精度為0.01 g。使用游標(biāo)卡尺測量每個樣品的長a、寬b、高h(yuǎn)，精度為0.01 mm。每個樣品的絕干密度計算公式為

ρ=m/(abh)

(9)

2.2.3鉆針阻力測量的取樣方法

使用自制的微鉆儀和德國Resistograph 650-S型微鉆儀沿木材徑向方向鉆入正方體木塊，鉆針鉆入方向與木塊的一條邊平行。為了防止2個儀器的鉆針路徑重合，2個儀器的鉆針鉆入點之間的距離在1 cm左右。使用游標(biāo)卡尺測量鉆針路徑的長度，測量精度為0.01 mm。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 自制樹木微鉆儀鉆針阻力數(shù)據(jù)處理

自制的樹木微鉆儀的DSP(Digital signal processing)控制器每1 ms采樣一次直流電機(jī)的電流I、電壓U、功率P、轉(zhuǎn)速n和鉆針位移s，并存儲在SD存儲卡中。根據(jù)每個樣品的鉆針路徑長度，選取每個測量數(shù)據(jù)中鉆針鉆入木材部分的直流電機(jī)電流I、電壓U、功率P和實際轉(zhuǎn)速n數(shù)據(jù)，以U、I、P、U1、I1、P1這6個參數(shù)表達(dá)鉆針阻力，計算每個樣品每種鉆針阻力表達(dá)方法的平均阻力。

(1)直流電機(jī)電流I計算方法

在自制的樹木微鉆儀中，采用電阻法測量直流電機(jī)電樞電流[17]，在直流電機(jī)回路中串聯(lián)一個15 mΩ精密采樣電阻，然后把采樣電阻兩端的電壓輸入到DSP控制器的ADCINA引腳。當(dāng)ADCINA引腳輸入電壓Vin低于0 V時，ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果為0；當(dāng)Vin大于或者等于3 V時，ADC轉(zhuǎn)換的結(jié)果為4 095；當(dāng)Vin在0～3 V時，ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果計算公式[18]為

D=4 095Vin/3

(10)

在本設(shè)計中，電流放大器的放大倍數(shù)是50，因此，輸入到DSP控制器的電壓Vin計算公式為

Vin=0.015×50I

(11)

將式(11)代入式(10)中得直流電機(jī)電流計算公式

I=3D/(4 095×0.015×50)

(12)

(2)直流電機(jī)電壓U計算方法

在自制的樹木微鉆儀中，直流電機(jī)兩端的平均電壓采用PWM(Pulse width modulation)方式控制[19]。 PWM信號頻率為10 kHz，控制PWM信號周期的寄存器T1PR的值設(shè)為7 499，電源電壓為24 V，因此，電機(jī)兩端的平均電壓計算公式為

U=24C/(7 499+1)

(13)

式中C——PWM信號比較寄存器CMPR2的值

(3)直流電機(jī)功率P計算方法

直流電機(jī)功率計算公式為

P=UI

(14)

(4)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速n計算方法

在本設(shè)計中，直流電機(jī)每旋轉(zhuǎn)1周，光電編碼器的兩路信號線各發(fā)送1 024個脈沖信號，定時器T2的計數(shù)值為4 096。DSP定時器T2每1 ms的計數(shù)值為n1，因此，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速n(r/min)計算公式為

n=60×1 000n1/4 096

(15)

(5)鉆針位移s計算方法

在本設(shè)計中，DSP控制器發(fā)送控制信號給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，再由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向。從理論上分析，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度由DSP控制器發(fā)出的控制脈沖的個數(shù)決定，但在實際工作中，由于步進(jìn)電機(jī)存在丟步情況[20]，為了提高鉆針位置的測量精度，本設(shè)計使用帶光電編碼器的步進(jìn)電機(jī)控制鉆針進(jìn)給速度，通過采樣步進(jìn)電機(jī)實際的旋轉(zhuǎn)角度來計算鉆針的位移。步進(jìn)電機(jī)每旋轉(zhuǎn)1周，步進(jìn)電機(jī)光電編碼器兩路信號線各發(fā)送1 000個脈沖給DSP控制器，定時器T4的計數(shù)值為4 000。滾珠絲桿導(dǎo)程為5 mm，即滾珠絲桿每旋轉(zhuǎn)1周，鉆針的直線位移為5 mm。因此，鉆針在第i毫秒內(nèi)的位移si(mm)計算公式為

si=5n2/4 000

(16)

式中n2——定時器T4計數(shù)值

鉆針在時間j(ms)內(nèi)的總位移s(mm)計算公式為

(17)

(6)每種鉆針阻力表達(dá)方法平均值計算方法

自制樹木微鉆儀的鉆針在鉆入樹木之前，鉆針在鉆針套頭內(nèi)前進(jìn)1.1 cm，因此，當(dāng)微鉆儀啟動后，鉆針先空載移動1.1 cm。當(dāng)鉆針鉆穿木塊后，操作人員一般會延時10～30 s才停止樹木微鉆儀鉆針轉(zhuǎn)動。圖3是以直流電機(jī)的電壓表達(dá)鉆針阻力為例，展示鉆針阻力的變化過程，阻力曲線圖的開始部分和結(jié)束部分鉆針針頭都處于空載狀態(tài)，只有中間部分鉆針針頭在木塊內(nèi)部。

自制樹木微鉆儀每1 ms采樣一次直流電機(jī)的電流、電壓、轉(zhuǎn)速和鉆針的位移，因此，根據(jù)鉆針鉆入木塊前的空載位移和鉆針在每個木塊內(nèi)的鉆針路徑長度，可求出鉆針針頭在每個試驗樣品內(nèi)的鉆針阻力數(shù)據(jù)的范圍和阻力采樣點的個數(shù)，然后計算鉆針針頭在每個試驗樣品的直流電機(jī)電流I、電壓U和功率P以及用修正因子k修正后電流I1、電壓U1、功率P1的平均值，分別用A1、A2、A3、A4、A5和A6表示。

3.2 Resistograph 650-S型微鉆儀阻力數(shù)據(jù)處理

Resistograph 650-S型樹木微鉆儀的鉆針在鉆入樹木之前，在鉆針套頭內(nèi)前進(jìn)8 mm，因此，當(dāng)微鉆儀啟動后，鉆針先空載移動8 mm。當(dāng)鉆針鉆穿木塊后，操作人員一般會延時10～30 s才停止樹木微鉆儀鉆針轉(zhuǎn)動。圖4為Resistograph 650-S型樹木微鉆儀鉆針阻力的變化過程，阻力曲線的開始部分和結(jié)束部分鉆針針頭都處于空載狀態(tài)，只有中間部分鉆針針頭在木塊內(nèi)部。

Resistograph 650-S型樹木微鉆儀鉆針每前進(jìn)0.01 cm采樣一次鉆針阻力數(shù)據(jù)，因此，根據(jù)鉆針鉆入木塊前的空載位移和每個樣品的鉆針在木塊內(nèi)的路徑長度，選取每個測量數(shù)據(jù)中鉆針鉆入木塊內(nèi)的阻力數(shù)據(jù)的范圍和阻力數(shù)據(jù)的個數(shù)。將Resistograph 650-S型微鉆儀的.dpa阻力數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成Excel格式，選取每個木塊鉆針在鉆入木塊過程中的阻力數(shù)據(jù)，并計算每個樣品鉆針阻力平均值A(chǔ)7。

3.3 鉆針阻力平均值與木材絕干密度線性模型的建立

分別以每個木塊的阻力平均值A(chǔ)1、A2、A3、A4、A5、A6和A7為自變量，以試驗樣品的絕干密度ρ為因變量，使用中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所自主開發(fā)的ForStat軟件[21]建立鉆針阻力平均值與木材絕干密度之間的線性回歸模型。

4 結(jié)果與分析

自制微鉆儀的6種鉆針阻力表達(dá)變量的平均值與試驗樣品絕干密度之間的線性擬合曲線如圖5所示，Resistograph 650-S型微鉆儀阻力平均值與試驗樣品絕干密度的線性擬合曲線如圖6所示，2個儀器的鉆針阻力與木材密度之間的相關(guān)性分析如表1所示。

表1 鉆針阻力與木材絕干密度相關(guān)性分析結(jié)果

從表1中可以看出，2個儀器的鉆針阻力平均值與木材絕干密度之間線性相關(guān)系數(shù)均高于0.9，說明鉆針阻力與木材絕干密度具有極強(qiáng)線性相關(guān)性。自制微鉆儀每種鉆針阻力表達(dá)方法所測量的鉆針阻力平均值與木材絕干密度的相關(guān)系數(shù)均大于0.9，說明這6種鉆針阻力表達(dá)方法均能間接反映鉆針阻力。轉(zhuǎn)速修正后的電壓與木材絕干密度的相關(guān)系數(shù)最高，說明自制微鉆儀在測量木材絕干密度時使用轉(zhuǎn)速修正后的電壓作為鉆針阻力表達(dá)方法最合適。自主研制樹木微鉆儀轉(zhuǎn)速修正后的電壓與木材絕干密度的相關(guān)系數(shù)為0.933 1，Resistograph 650-S型微鉆儀鉆針平均阻力與木材絕干密度之間的線性相關(guān)系數(shù)為0.927 8，因此，自制微鉆儀鉆針阻力與木材絕干密度的相關(guān)系數(shù)比德國Resistograph 650-S型微鉆儀高0.005 3，約高0.57%，說明自制微鉆儀的設(shè)計方案和阻力表達(dá)方法合理。

5 討論

前人研究表明，微鉆儀鉆針阻力與木材密度正相關(guān)[22-27]。文獻(xiàn)[1]研究發(fā)現(xiàn)：控制鉆針旋轉(zhuǎn)速度的直流電機(jī)消耗的功率與鉆針扭矩成正比，且主要由木材密度決定。因此，德國Rinntech公司生產(chǎn)的Resistograph系列微鉆儀鉆針阻力可能是使用直流電機(jī)的功率表達(dá)，但是Resistograph系列微鉆儀的阻力單位并不是功率單位“W”，而是該公司自定義的阻力單位“Resi”。本課題組研究發(fā)現(xiàn)：可以使用直流電機(jī)的電流、電壓、功率來表達(dá)鉆針阻力[13]。根據(jù)直流電機(jī)工作原理，直流電機(jī)輸出力矩與電樞電流成正比，因此，從理論上分析，使用直流電機(jī)的電樞電流表達(dá)鉆針阻力最合適。但是直流電機(jī)電流中含有大量的噪聲信號，使用電流表達(dá)鉆針阻力時阻力測量誤差較大。從直流電機(jī)的能耗上分析，直流電機(jī)的負(fù)載是鉆針，直流電機(jī)消耗的電能主要用于鉆針切削樹木，因此，鉆針阻力使用直流電機(jī)的功率來表示也比較合適。由于直流電機(jī)電流信號中存在大量的噪聲信號，因此，直流電機(jī)的功率信號中也含有大量的噪聲信號，用功率表達(dá)鉆針阻力存在的問題與電流表達(dá)鉆針阻力存在的問題相同。僅使用電機(jī)電壓表達(dá)鉆針阻力時，需要鉆針轉(zhuǎn)速恒定，但是由于鉆針轉(zhuǎn)速誤差不能完全消除，所以使用直流電機(jī)的電壓表示鉆針阻力也存在不足之處。

在本文提出的6種鉆針阻力表達(dá)方式中，使用電機(jī)轉(zhuǎn)速因子修正后的直流電機(jī)電壓與木材絕干密度的相關(guān)系數(shù)最高。盡管修正后的電機(jī)電壓與木材絕干密度的相關(guān)系數(shù)比原始的直流電機(jī)電壓與木材絕干密度的相關(guān)系數(shù)高0.000 1，約高0.11%，這可能是由于在本試驗中，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差較小，修正后的電機(jī)電壓與原始電壓相差不大。但是，當(dāng)直流電機(jī)誤差較大時，修正后的電機(jī)電壓與原始電壓相差較大，可能使用修正后的電機(jī)電壓比原始電壓表達(dá)鉆針阻力更合適。特別當(dāng)鉆針阻力較大時，直流電機(jī)的控制電壓達(dá)到最大值，直流電機(jī)電壓為一條直線，不能反映鉆針阻力的變化，這時，需要通過轉(zhuǎn)速因子來修正直流電機(jī)電壓，使修正后的直流電機(jī)電壓可以反映鉆針阻力的變化。

在本研究處理數(shù)據(jù)期間，曾用直流電機(jī)平均電流、平均電壓、平均功率、平均轉(zhuǎn)速為自變量，以木材絕干密度為因變量，建立了木材絕干密度與直流電機(jī)平均電流、平均電壓、平均功率、平均轉(zhuǎn)速的多元線性回歸模型。但是在該模型中，平均電流和平均功率的系數(shù)為負(fù)數(shù)，平均電壓的系數(shù)為正數(shù)，這可能是直流電機(jī)的電壓與直流電機(jī)電流和功率正相關(guān)，盡管直流電機(jī)電流和功率與木材絕干密度正相關(guān)，但是直流電機(jī)電壓與木材絕干密度的相關(guān)性更高，因此，在多元線性回歸模型中，直流電機(jī)電壓的系數(shù)偏大，從而使電流和功率的系數(shù)為負(fù)數(shù)，造成直流電機(jī)電流和功率與木材絕干密度呈負(fù)相關(guān)的錯誤結(jié)論；直流電機(jī)平均轉(zhuǎn)速對模型沒有顯著性影響，這可能是直流電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差比較小，使直流電機(jī)平均轉(zhuǎn)速變化不大引起的。

由于鉆針阻力不能直接測量，所以鉆針阻力目前只能使用其他相關(guān)的物理量間接表達(dá)。在設(shè)計樹木微鉆儀初期，課題組最初擬用動態(tài)扭矩傳感器測量直流電機(jī)的輸出扭矩，但根據(jù)直流電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)得出直流電機(jī)的輸出扭矩在50 mN·m左右，輸出扭矩過小，尚未找到合適的扭矩傳感器。目前尚無研究鉆針阻力的物理模型，木材具體特性對鉆針阻力的影響機(jī)理尚不明晰。根據(jù)前人研究結(jié)果：木材密度越大，木材材質(zhì)越堅硬，鉆針阻力越大[22-27]。所以，本研究以直流電機(jī)各運(yùn)行參數(shù)與木材絕干密度之間的相關(guān)系數(shù)為依據(jù)來研究鉆針阻力的表達(dá)方式。因此，樹木微鉆儀鉆針阻力的表達(dá)方法仍有待進(jìn)一步研究。

6 結(jié)論

(1)直流電機(jī)的電流、電壓和功率與木材絕干密度的線性模型相關(guān)系數(shù)均高于0.9，因此，樹木微鉆儀鉆針阻力可用直流電機(jī)的電流、電壓或功率間接表達(dá)。

(2)使用轉(zhuǎn)速修正因子k修正后的直流電機(jī)電壓與木材絕干密度的線性相關(guān)系數(shù)最高，因此，在本文提出的6種鉆針阻力表達(dá)方法中，使用轉(zhuǎn)速修正后的電壓作為鉆針阻力表達(dá)方法最合理。

(3)自制微鉆儀的鉆針阻力與木材絕干密度的線性相關(guān)性略高于德國Resistograph 650-S型微鉆儀鉆針阻力與木材絕干密度相關(guān)性，因此，自制微鉆儀設(shè)計方案和鉆針阻力表達(dá)方法合理，加工制造精度達(dá)到微鉆儀的設(shè)計要求。