王馭陌　張燕

摘要：基于容柵原理設(shè)計(jì)了一套智能橡膠樹(shù)樹(shù)皮厚度測(cè)量?jī)x，并通過(guò)對(duì)橡膠樹(shù)樹(shù)皮厚度的測(cè)量試驗(yàn)，得出了不同的標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)值。結(jié)果表明，該智能橡膠樹(shù)樹(shù)皮厚度測(cè)量?jī)x與傳統(tǒng)測(cè)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(diǎn)，將在中國(guó)生態(tài)儀器中橡膠樹(shù)樹(shù)皮厚度測(cè)量領(lǐng)域起開(kāi)拓作用。

關(guān)鍵詞：橡膠樹(shù)；容柵原理；樹(shù)皮厚度；精度分析

中圖分類號(hào)：TP212.9；S794.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(guó)防等領(lǐng)域[1]。橡膠樹(shù)經(jīng)濟(jì)壽命的長(zhǎng)短主要取決于割膠的耗皮量，沒(méi)有樹(shù)皮，橡膠樹(shù)就失去了特有的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[2]，橡膠樹(shù)樹(shù)皮厚度不僅能夠預(yù)測(cè)病蟲(chóng)危害、樹(shù)木生長(zhǎng)和遺傳變異等情況，還能夠評(píng)估出樹(shù)皮中經(jīng)濟(jì)成分的含量[3]，并對(duì)割膠過(guò)程進(jìn)行充分的指導(dǎo)[4]。因此，對(duì)橡膠樹(shù)樹(shù)皮及樹(shù)皮厚度進(jìn)行研究意義重大。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)樹(shù)皮厚度的測(cè)量仍然處于基礎(chǔ)階段，即用刀切出一塊樹(shù)皮，然后采用鋼尺或游標(biāo)卡尺進(jìn)行直接測(cè)量的方法。該測(cè)量方法不僅效率低，而且對(duì)樹(shù)皮損傷較嚴(yán)重，同時(shí)不同的測(cè)量人員切取的樹(shù)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(cè)量的樹(shù)皮厚度值有較大的誤差。國(guó)際上只有瑞典研發(fā)了一款樹(shù)皮厚度測(cè)量器，其價(jià)格高，量程0～50 mm，而且該測(cè)量器仍處于機(jī)械讀數(shù)階段，讀數(shù)慢，效率低，同時(shí)讀數(shù)存在主觀誤差，這些問(wèn)題使得測(cè)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(cè)量?jī)x，且價(jià)格低廉。

1 測(cè)量?jī)x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(lái)的一種新型傳感器。它同時(shí)具有多極電容帶來(lái)的平均效應(yīng)與電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)，并且采用閉環(huán)反饋式等測(cè)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(cè)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(jiǎn)單、準(zhǔn)確度和分辨率高、測(cè)量速度快、功耗小、成本低、對(duì)使用環(huán)境要求不高等優(yōu)點(diǎn)，因此在電子測(cè)量技術(shù)中占有十分重要的地位。

1.2 容柵傳感器測(cè)長(zhǎng)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(zhǎng)容柵位移傳感器和圓容柵角位移傳感器。本設(shè)計(jì)所涉及的是長(zhǎng)容柵位移傳感器。

2 智能測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1、圖2和圖3所示，分別為設(shè)計(jì)的橡膠樹(shù)樹(shù)皮厚度測(cè)量?jī)x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(guò)鎖緊螺釘3進(jìn)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?jī)蓚?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(dòng)?xùn)拧?/p>

2.2 部件設(shè)計(jì)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(xué)的造型，使用更為舒適。材質(zhì)為工程塑料，表面涂有樹(shù)脂材料，手接觸的地方設(shè)置有凸點(diǎn)，進(jìn)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(jì)有示數(shù)鎖定、自動(dòng)關(guān)機(jī)等功能。

3）多功能按鍵。開(kāi)關(guān)機(jī)、零點(diǎn)校正等功能均可通過(guò)多功能按鍵實(shí)現(xiàn)。在測(cè)量裝置關(guān)機(jī)時(shí)，輕按一下則開(kāi)機(jī)；在開(kāi)機(jī)狀態(tài)下，長(zhǎng)按按鍵則啟動(dòng)零點(diǎn)校正功能，短按一下則關(guān)閉測(cè)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(dòng)：輕按按鍵，裝置自動(dòng)開(kāi)機(jī)。

測(cè)量：用手握住手柄，將插刀插入樹(shù)皮，鋒利的插刀可以將樹(shù)皮刺穿，而位置限制叉則被樹(shù)皮阻擋在外部，絕對(duì)位置不變。在插入樹(shù)皮的過(guò)程中，位置限制叉向后滑動(dòng)從而壓縮彈簧，當(dāng)插刀插入到木質(zhì)層時(shí)，因木質(zhì)層具有較高的硬度而無(wú)法繼續(xù)刺入，對(duì)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(dòng)清零以便下一次測(cè)量。另外，該裝置如果超過(guò)1 min未進(jìn)行新的測(cè)量或零點(diǎn)校正操作，則儀器自動(dòng)關(guān)機(jī)。

零點(diǎn)校正：為消除裝置間隙以及刀片的長(zhǎng)度引起的測(cè)量誤差，在開(kāi)機(jī)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(zhǎng)按多功能按鍵，系統(tǒng)將記錄此時(shí)位置限制叉與插刀固定部件的相對(duì)位置并設(shè)置為零，即可完成校正。

3 測(cè)量?jī)x的測(cè)量及數(shù)據(jù)分析

為了對(duì)該儀器進(jìn)行較準(zhǔn)確的精度、準(zhǔn)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(biāo)卡尺測(cè)量法進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。根據(jù)不同年齡橡膠樹(shù)的樹(shù)皮硬度及厚度的差異，分別選取了橡膠樹(shù)1、2、3作為試驗(yàn)對(duì)象。選取該3棵橡膠樹(shù)距離地面1 m處10 mm×10 mm的方形平整區(qū)域作為測(cè)量范圍，20次重復(fù)取平均值。為避免主觀因素的影響，由同一個(gè)試驗(yàn)員進(jìn)行3棵橡膠樹(shù)的樹(shù)皮厚度測(cè)量和讀數(shù)，兩種方法測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可知，每一棵樹(shù)由設(shè)計(jì)電子厚度測(cè)量?jī)x所測(cè)得的樹(shù)皮厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于游標(biāo)卡尺所測(cè)數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，其偏離平均值就越少。另外，3次試驗(yàn)中，游標(biāo)卡尺測(cè)出數(shù)據(jù)的方差分別為電子厚度測(cè)量?jī)x測(cè)得的7.9、3.1、3.6倍，在充分利用試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)估計(jì)試驗(yàn)誤差的情況下可判斷，電子厚度測(cè)量?jī)x的精度明顯高于游標(biāo)卡尺測(cè)量法。游標(biāo)卡尺測(cè)出數(shù)據(jù)的極差分別為電子厚度測(cè)量?jī)x的2.4、1.8、1.6倍，因此電子厚度測(cè)量?jī)x作為分散性數(shù)據(jù)的測(cè)量?jī)x器具有很高的穩(wěn)定性。經(jīng)電子厚度測(cè)量?jī)x測(cè)量的數(shù)據(jù)變異系數(shù)均小于經(jīng)游標(biāo)卡尺測(cè)量得出數(shù)據(jù)的變異系數(shù)，進(jìn)一步說(shuō)明前者數(shù)據(jù)精密度好于后者。

3棵樹(shù)兩種測(cè)量方法所得結(jié)果的散點(diǎn)分布圖見(jiàn)圖5、圖6和圖7。

由圖5、圖6、圖7顯示的數(shù)據(jù)變動(dòng)幅度可以得出，經(jīng)電子厚度測(cè)量?jī)x測(cè)量的數(shù)據(jù)上下波動(dòng)幅度較游標(biāo)卡尺測(cè)量所得的數(shù)據(jù)小。另外，相對(duì)于中心點(diǎn)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(dòng)。電子厚度測(cè)量?jī)x測(cè)量數(shù)據(jù)的彼此符合程度明顯優(yōu)于游標(biāo)卡尺所測(cè)數(shù)據(jù)，因此有更高的精密度，能反映重復(fù)分析測(cè)定均一樣品所獲得的測(cè)定值之間的較高的一致性程度。

該橡膠樹(shù)樹(shù)皮電子厚度測(cè)量?jī)x大大提高了測(cè)量效率，在滿足測(cè)量要求的前提下，統(tǒng)計(jì)了兩種測(cè)量?jī)x器一次工作所需的時(shí)間并分別計(jì)算其效率。樹(shù)皮厚度測(cè)量?jī)x只需將插刀插入樹(shù)干即可測(cè)量樹(shù)皮厚度，統(tǒng)計(jì)該儀器對(duì)每種樹(shù)進(jìn)行測(cè)試所需時(shí)間；而游標(biāo)卡尺測(cè)量需要鑿開(kāi)樹(shù)皮進(jìn)行測(cè)量，對(duì)每棵樹(shù)則進(jìn)行一次測(cè)量。其測(cè)量時(shí)間結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，橡膠樹(shù)樹(shù)皮電子厚度測(cè)量?jī)x的測(cè)量時(shí)間遠(yuǎn)短于傳統(tǒng)游標(biāo)卡尺的測(cè)量時(shí)間，其效率是游標(biāo)卡尺測(cè)量法的17～19倍。

4 小結(jié)

基于對(duì)容柵技術(shù)的測(cè)長(zhǎng)位移傳感器的研究和橡膠樹(shù)皮厚度的物理特性分析，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的橡膠樹(shù)樹(shù)皮電子厚度測(cè)量?jī)x。測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果表明，橡膠樹(shù)樹(shù)皮電子厚度測(cè)量?jī)x的精密度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)電子游標(biāo)卡尺測(cè)量法，且變異系數(shù)均小于傳統(tǒng)的卡尺測(cè)量，效率是游標(biāo)卡尺的17～19倍，采用本設(shè)計(jì)的橡膠樹(shù)樹(shù)皮厚度儀在測(cè)量精密度、穩(wěn)定性、效率等方面均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)測(cè)量方法。該測(cè)量?jī)x不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于攜帶，而且成本低、易操作、使用方便，測(cè)量樹(shù)皮厚度迅速準(zhǔn)確，測(cè)量方法便捷，測(cè)量結(jié)果顯示直觀，將對(duì)中國(guó)生態(tài)儀器的研究有著重要的推進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 何焯亮，王 濤，成滿平.可調(diào)節(jié)式橡膠樹(shù)割膠機(jī)的設(shè)計(jì)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，53（17）：4195-4198.

[2] 祁棟靈，王秀全，張志揚(yáng)，等.世界天然橡膠產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及科技對(duì)其推動(dòng)力分析[J]. 熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，33（1）：61-66.

[3] 王曉林，蔡可旺，姜立春.落葉松樹(shù)皮厚度變化規(guī)律的研究[J].森林工程，2011.2（27）：8-11.

[4] 閆喜強(qiáng)，廖宇蘭.橡膠樹(shù)割膠技術(shù)的探索[A].海南省機(jī)械工程學(xué)會(huì).創(chuàng)新裝備技術(shù)給力地方經(jīng)濟(jì)——第三屆全國(guó)地方機(jī)械工程學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)暨海峽兩岸機(jī)械科技論壇論文集[C].海南省機(jī)械工程學(xué)會(huì)，2013.4.

[5] 蔡 維，史留勇，張 燕，等.容柵技術(shù)的電子樹(shù)皮測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與精度分析[J].自動(dòng)化儀表，2014，09：87-90，94.