劉九慶 朱福安

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

植物檢測方面的植物物理信息學(xué)，是對植物物理形態(tài)結(jié)構(gòu)等進行微量檢測分析，從而在物理形態(tài)學(xué)的層面上對植物的水分缺乏、營養(yǎng)成分缺失以及生長狀況等一系列情況進行檢測和控制[1]。其中植物葉片厚度，是植物物理信息學(xué)中非常重要的一個檢測量。植物形態(tài)學(xué)的變化，是一個極其微小的變化量，只有當(dāng)測量綱量達到微米級及其以上時，才能準確的分析出需要的信息[2]。對植物的生長狀況進行準確的觀察和控制，需要測量植物葉片厚度變化；然而，現(xiàn)有的植物葉片厚度檢測，多為非接觸式測量，測量結(jié)果受到環(huán)境等因素影響很大，不能滿足要求。為此，本研究針對植物葉片厚度測量設(shè)計了一種接觸式無損植物葉片檢測儀，解決了現(xiàn)有非接觸式植物葉片測量時，受環(huán)境影響大、測量結(jié)果不準確以及傳統(tǒng)接觸式測量易損傷葉片的缺點。

1 設(shè)計方案

1.1 設(shè)計過程

當(dāng)植物葉片厚度增量變化達到μm/min時，傳統(tǒng)的非接觸式測量方式(如激光、光譜分析等)不能達到預(yù)期的要求，所以需要選擇更為精確的接觸式檢測儀[3]。接觸式測量進行測量時，探測裝置會直接和葉片接觸，由于葉片屬于柔性材料，其測量結(jié)果會極大的受到檢測時葉片所受的接觸力的影響。所以，本文選擇探針式作為測量的測量方式，以最大程度的減少葉片接觸面積。葉片生長過程中進行的水分吸收、光合作用、呼吸作用、蒸騰作用等一系列生理活動，會使葉片厚度處于一種不規(guī)律的往復(fù)變化中[4]，所以需要隨時控制探針升降，測量過程中對葉片不造成損傷，不影響測量結(jié)果。

設(shè)計的檢測儀探針升降系統(tǒng)，是通過單片機經(jīng)由步進電機控制的。同時在探針與葉片接觸的端部，安裝壓力傳感器，實時感應(yīng)探針探測壓力的變化，將探測到的壓力作為輸入信號傳入單片機，從而相應(yīng)的發(fā)出輸出信號控制探針的升降。通過這樣的設(shè)計，能使檢測時葉片所受的接觸力一直處于預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)，從而最大程度的減少葉片的受損。

1.2 工作流程

根據(jù)流程圖(見圖1)可見：檢測儀的測量過程，是一帶有負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，比現(xiàn)有的開環(huán)式的檢測系統(tǒng)的測量準確度、精度以及對于葉片的無損傷度將會更好。

圖1 工作流程圖

1.3 主要元器件的選擇

位移傳感器的選擇：植物葉片厚度無損檢測儀中的位移傳感器，是與被測葉片直接接觸并且進行最終檢測的部件，儀器測量結(jié)果的準確性和精確度主要由位移傳感器決定。植物葉片厚度是不間斷的微小距離變化，所以，對于位移傳感器的選擇主要考慮其測量的準確性與精確度，可以忽略量程及對測量環(huán)境的要求。

為滿足設(shè)計檢測儀高精度、微型化要求，本研究選擇電感式位移傳感器。電感式傳感器主要分為軸向式和旁向式[5]。由于葉片厚度為微小變化，并且屬于柔性材質(zhì)，所以選用旁向式電感傳感器(見圖2)。

1為外殼；2為線圈；3為骨架；4為磁芯；5為測桿；6為柔性支撐；7為固定平臺；8為接線端；9為信號電纜。

圖2傳感器機構(gòu)

測量時，將被測葉片放置于位移傳感器測桿和預(yù)壓力桿之間；固定平臺主要用于放置被測葉片，減小由于重力、葉片形變產(chǎn)生的測量誤差。測桿會跟隨葉片厚度變化而進行微小升降，以柔性支撐為支點，根據(jù)杠桿原理，從而帶動磁芯移動；磁芯在線圈中的上下移動，切割磁感線，引起線圈內(nèi)電流變化，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后進行位移的測量[6]。

壓力傳感器的選擇：壓力傳感器主要作用是對葉片受到的預(yù)壓力進行實時監(jiān)控，控制探測桿的升降，做到無損測量。根據(jù)設(shè)計要求，壓力傳感器主要考慮反應(yīng)速度以及分辨率。根據(jù)儀器設(shè)計的規(guī)格及檢測精度，本研究選用微型壓力傳感器(PX600系列超小型齊平膜片壓力傳感器)。

電機的選擇：根據(jù)設(shè)計對探測桿升降速度以及檢測儀設(shè)計規(guī)格的要求，選擇PG28系列的行星減速步進電機。

1.4 檢測儀機械結(jié)構(gòu)三維模型及工作過程

運用solidwork進行三維模型建造(見圖3)。對照圖4中的各個部件序號，葉片厚度檢測儀的工作原理：電感式位移傳感器(3)安裝于檢測裝置支架(2)內(nèi)；預(yù)壓力桿(16)安裝于預(yù)壓力提供機構(gòu)中，通過彈簧(17)消除其安裝間隙，并使預(yù)壓力桿在彈簧力的作用下穩(wěn)定在機構(gòu)中；預(yù)壓力桿上安裝有齒條，使其與小齒輪(11)嚙合；小齒輪(11)和蝸輪(14)經(jīng)齒輪軸(12)聯(lián)接，并且進行聯(lián)動；壓力傳感器(8)安裝于預(yù)壓力桿(16)的端部；減速電動機(4)通過聯(lián)軸器(5)與蝸桿(9)相聯(lián)接，并控制其旋轉(zhuǎn)，控制整個預(yù)壓力提供機構(gòu)的升降。

蝸輪直徑大于小齒輪直徑，并且為一定比例(本次設(shè)計中，蝸輪直徑為小齒輪直徑的4倍)，小齒輪與蝸輪為同軸聯(lián)動機構(gòu)。當(dāng)蝸輪帶動小齒輪轉(zhuǎn)動時，兩個齒輪線位移的比值為其直徑的反比；由于預(yù)壓力桿是通過齒條與小齒輪嚙合，實現(xiàn)在小齒輪的帶動下進行升降的，所以當(dāng)電動機控制蝸輪蝸桿進行運動時，預(yù)壓力桿在小齒輪的帶動下只會進行小距離的移動，實現(xiàn)預(yù)壓力桿的微量調(diào)節(jié)。

圖3 葉片厚度檢測儀三維模型

1為葉片安放臺；2為檢測裝置支架；3為電感式位移傳感器；4為PG28行星減速步進電機；5為梅花形彈性聯(lián)軸器；6為預(yù)壓力提供機構(gòu)外蓋；7為緊固螺栓；8為壓力傳感器；9為蝸桿軸；10為軸承；11為小齒輪；12為齒輪軸；13為軸承；14為蝸輪；15為預(yù)壓力提供機構(gòu)殼體；16為預(yù)壓力桿；17為彈簧。

圖4葉片厚度檢測儀裝配爆炸圖

1.5 PID控制系統(tǒng)設(shè)計

控制探測桿升降的執(zhí)行部件，是PG28系列的行星減速步進電機。步進電機是一種用電脈沖信號進行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或直線位移的電動機。它的輸出角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比[7]。為了檢測結(jié)果的精確性，對步進電機進行精準控制，則運用單片機進行PID閉環(huán)反饋控制。根據(jù)檢測的工作原理可知其控制系統(tǒng)流程圖(見圖5)。

圖5 控制系統(tǒng)流程圖

探測桿的升降及停止是通過蝸輪蝸桿及齒輪嚙合，根據(jù)步進電機輸出轉(zhuǎn)速(n)的變化來調(diào)節(jié)，并通過壓力傳感器傳給單片機的反饋信號形成整個閉環(huán)控制系統(tǒng)的。由于渦輪蝸桿及齒輪的傳動，在整個控制過程中可以用一個比例環(huán)節(jié)表示，所以可以將其整合到單片機PID控制部件中，從而得到一個相對簡單的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型(見圖6)、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(見圖7)。

圖6 PID控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

圖7 PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.6 軟件系統(tǒng)設(shè)計

植物葉片厚度微增量檢測儀的系統(tǒng)軟件設(shè)計，采用模塊化編程技術(shù)，系統(tǒng)程序主要由主程序、中斷服務(wù)程序和一系列具有不同模塊功能的子程序組成。主程序主要負責(zé)完成系統(tǒng)的初始化、人機交互功能(即液晶顯示及按鍵)初始化、數(shù)據(jù)的存儲和開中斷等；系統(tǒng)的植物葉片厚度測量、數(shù)據(jù)查看以及通訊等功能，通過中斷完成。系統(tǒng)主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

系統(tǒng)功能模塊子程序，是在主程序流程圖中“執(zhí)行操作”一步通過按下的鍵值不同，系統(tǒng)進行不同模塊的操作。主要將系統(tǒng)分為以下幾個模塊：系統(tǒng)設(shè)置模塊、測量模塊、查看模塊、通信模塊。液晶顯示、鍵盤設(shè)置等功能，在主程序軟件設(shè)計初始化部分一起完成。具體各個模塊的軟件設(shè)計流程見圖9所示。

2 檢測儀精度評估

采用標準量塊，對設(shè)計的植物葉片厚度無損檢測儀進行誤差檢測。在水平平臺上放置標準量塊，通過標準量塊組合使被測量的組合量塊分別以10、100 μm的間隔遞增，用植物葉片厚度無損檢測儀對每個組合量塊進行測量(見表1)。

表1 誤差測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計表 μm

根據(jù)測量數(shù)據(jù)得出檢測儀的最大相對誤差為0.42%，將測量誤差進行統(tǒng)計規(guī)律分析得到其分布圖(見圖10)。由圖10可見：植物葉片厚度無損檢測儀的誤差分布，是具有周期性的復(fù)雜變化曲線。由于檢測儀中蓄電池電壓，隨著放電時間而降低會引起線性系統(tǒng)誤差；檢測儀機械結(jié)構(gòu)中的齒輪、蝸輪蝸桿等部件，會引起周期性的系統(tǒng)誤差。分析誤差形成原理及其規(guī)律，可在測量過程中采用相消法提高檢測精度。

圖9 軟件系統(tǒng)流程圖

圖10 誤差分布曲線

3 結(jié)論

解決了對葉片厚度進行測量存在的準確度與精度問題。

設(shè)計了一種對柔性材料進行測量的高精度檢測儀，解決了對傳統(tǒng)柔性材料測量時易變形影響測量精度的缺點。

對檢測儀的控制系統(tǒng)進行了分析，為其他測量機構(gòu)的控制系統(tǒng)提供借鑒。

確定了植物葉片厚度無損檢測儀的精度，并對檢測儀的誤差來源、種類及其消除方法進行了分析。為其他儀器設(shè)計的誤差分析提供借鑒。

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