橡胶树树皮厚度测量仪的设计

王驭陌　张燕

摘要：基于容栅原理设计了一套智能橡胶树树皮厚度测量仪，并通过对橡胶树树皮厚度的测量试验，得出了不同的标准偏差和变异系数值。结果表明，该智能橡胶树树皮厚度测量仪与传统测量方法相比，效率提高了17～19倍，并具有便携式、成本低、精度高、稳定性好等特点，将在中国生态仪器中橡胶树树皮厚度测量领域起开拓作用。

关键词：橡胶树；容栅原理；树皮厚度；精度分析

中图分类号：TP212.9；S794.1 文献标识码：A 文章编号：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

天然橡胶兼具农业与资源属性，是四大基础工业原料中惟一的可再生资源，已被广泛应用于工业、农业、国防等领域[1]。橡胶树经济寿命的长短主要取决于割胶的耗皮量，没有树皮，橡胶树就失去了特有的经济价值[2]，橡胶树树皮厚度不仅能够预测病虫危害、树木生长和遗传变异等情况，还能够评估出树皮中经济成分的含量[3]，并对割胶过程进行充分的指导[4]。因此，对橡胶树树皮及树皮厚度进行研究意义重大。

目前，国内对树皮厚度的测量仍然处于基础阶段，即用刀切出一块树皮，然后采用钢尺或游标卡尺进行直接测量的方法。该测量方法不仅效率低，而且对树皮损伤较严重，同时不同的测量人员切取的树皮区域存在一定的差异，因而人为因素易造成同一部位测量的树皮厚度值有较大的误差。国际上只有瑞典研发了一款树皮厚度测量器，其价格高，量程0～50 mm，而且该测量器仍处于机械读数阶段，读数慢，效率低，同时读数存在主观误差，这些问题使得测量器的推广受到了限制[5]。综合考虑以上原因，研发了一种便携式、高效、成本低、精度高的电子测量仪，且价格低廉。

1 测量仪基本工作原理

1.1 容栅传感器

容栅式传感器是在变面积型电容式传感器的基础上发展起来的一种新型传感器。它同时具有多极电容带来的平均效应与电容式传感器的优点，并且采用闭环反馈式等测量电路，从而降低了寄生电容的影响，提高了抗干扰能力及测量精度。它与光栅、感应同步器等其他数字式位移传感器相比，具有体积小、结构简单、准确度和分辨率高、测量速度快、功耗小、成本低、对使用环境要求不高等优点，因此在电子测量技术中占有十分重要的地位。

1.2 容栅传感器测长基本原理

容栅位移传感器与电容两极板之间的间隙d和介电常数ε有关，其原理为在一定的条件下，电容变化量ΔC的大小与耦合面积变化量Δs呈正比，即ΔC=（ε×Δs）/d。另外，容栅位移传感器又可分为长容栅位移传感器和圆容栅角位移传感器。本设计所涉及的是长容栅位移传感器。

2 智能测量仪设计

2.1 结构设计

如图1、图2和图3所示，分别为设计的橡胶树树皮厚度测量仪的主视图、俯视图及内部结构图，包括插刀刀片2、锁紧螺钉3、插刀固定部件4、弹簧9、位置限制叉1、显示部件8、塑料手柄6、多功能按键5等。其中插刀刀片2插入到插刀固定部件4的槽中，通过锁紧螺钉3进行固定；显示部件8安装在插刀固定部件4上，并且在插刀固定部件4的中部两侧有限位突起11，弹簧9缠绕在固定部件4的尾部上，且插刀固定部件4的端部与手柄6相连；限位叉1紧贴插刀柄4，且其尾部插入弹簧9的内部，限位叉上设有插刀刀片2，并设有限位挡块10；其中，插刀固定部件4、限位叉1的后半部及显示部件8、弹簧9等均在手柄6的内部。另外，插刀柄4上设有定栅，限位叉1上设有动栅。

2.2 部件设计及功能分析

1）手柄。手柄的前端安有透明显示窗口，多功能按键设置在手柄中部，尾部设有端盖。手柄采用符合人体工程力学的造型，使用更为舒适。材质为工程塑料，表面涂有树脂材料，手接触的地方设置有凸点，进一步防止打滑，便于操作。

2）显示部件。显示部件由集成电路、传感器、介电层、显示屏等组成，并连接有多功能按键。其中，集成电路设计有示数锁定、自动关机等功能。

3）多功能按键。开关机、零点校正等功能均可通过多功能按键实现。在测量装置关机时，轻按一下则开机；在开机状态下，长按按键则启动零点校正功能，短按一下则关闭测量装置。

4）位置限制叉（图4）。叉上设有插刀刀片，整体紧贴插刀固定部件，尾部插入在弹簧内，并设置有限位突起。

2.3 操作分析

启动：轻按按键，装置自动开机。

测量：用手握住手柄，将插刀插入树皮，锋利的插刀可以将树皮刺穿，而位置限制叉则被树皮阻挡在外部，绝对位置不变。在插入树皮的过程中，位置限制叉向后滑动从而压缩弹簧，当插刀插入到木质层时，因木质层具有较高的硬度而无法继续刺入，对弹簧的压缩因而停止。拔出插刀，便可在显示屏上读出示数。显示示数将锁定5 s以方便读数，随后自动清零以便下一次测量。另外，该装置如果超过1 min未进行新的测量或零点校正操作，则仪器自动关机。

零点校正：为消除装置间隙以及刀片的长度引起的测量误差，在开机状态下用手握住手柄，将位置限制叉在硬质平面上压下，直到插刀刀片与平面接触，长按多功能按键，系统将记录此时位置限制叉与插刀固定部件的相对位置并设置为零，即可完成校正。

3 测量仪的测量及数据分析

为了对该仪器进行较准确的精度、准确度与稳定性分析，将该装置与目前普遍使用的精度最高的游标卡尺测量法进行了对比试验。根据不同年龄橡胶树的树皮硬度及厚度的差异，分别选取了橡胶树1、2、3作为试验对象。选取该3棵橡胶树距离地面1 m处10 mm×10 mm的方形平整区域作为测量范围，20次重复取平均值。为避免主观因素的影响，由同一个试验员进行3棵橡胶树的树皮厚度测量和读数，两种方法测得的数据如表1所示。

从表1可知，每一棵树由设计电子厚度测量仪所测得的树皮厚度的标准偏差均小于游标卡尺所测数据，标准偏差越小，其偏离平均值就越少。另外，3次试验中，游标卡尺测出数据的方差分别为电子厚度测量仪测得的7.9、3.1、3.6倍，在充分利用试验所得的数据估计试验误差的情况下可判断，电子厚度测量仪的精度明显高于游标卡尺测量法。游标卡尺测出数据的极差分别为电子厚度测量仪的2.4、1.8、1.6倍，因此电子厚度测量仪作为分散性数据的测量仪器具有很高的稳定性。经电子厚度测量仪测量的数据变异系数均小于经游标卡尺测量得出数据的变异系数，进一步说明前者数据精密度好于后者。

3棵树两种测量方法所得结果的散点分布图见图5、图6和图7。

由图5、图6、图7显示的数据变动幅度可以得出，经电子厚度测量仪测量的数据上下波动幅度较游标卡尺测量所得的数据小。另外，相对于中心点的分布情况，数据集中度较好，并不发生很尖锐的变动。电子厚度测量仪测量数据的彼此符合程度明显优于游标卡尺所测数据，因此有更高的精密度，能反映重复分析测定均一样品所获得的测定值之间的较高的一致性程度。

该橡胶树树皮电子厚度测量仪大大提高了测量效率，在满足测量要求的前提下，统计了两种测量仪器一次工作所需的时间并分别计算其效率。树皮厚度测量仪只需将插刀插入树干即可测量树皮厚度，统计该仪器对每种树进行测试所需时间；而游标卡尺测量需要凿开树皮进行测量，对每棵树则进行一次测量。其测量时间结果如表2所示。从表2可以看出，橡胶树树皮电子厚度测量仪的测量时间远短于传统游标卡尺的测量时间，其效率是游标卡尺测量法的17～19倍。

4 小结

基于对容栅技术的测长位移传感器的研究和橡胶树皮厚度的物理特性分析，设计了一种结构简单的橡胶树树皮电子厚度测量仪。测量数据结果表明，橡胶树树皮电子厚度测量仪的精密度明显优于传统电子游标卡尺测量法，且变异系数均小于传统的卡尺测量，效率是游标卡尺的17～19倍，采用本设计的橡胶树树皮厚度仪在测量精密度、稳定性、效率等方面均明显优于传统测量方法。该测量仪不仅结构简单，便于携带，而且成本低、易操作、使用方便，测量树皮厚度迅速准确，测量方法便捷，测量结果显示直观，将对中国生态仪器的研究有着重要的推进作用。

参考文献：

[1] 何焯亮，王 涛，成满平.可调节式橡胶树割胶机的设计[J].湖北农业科学，2014，53（17）：4195-4198.

[2] 祁栋灵，王秀全，张志扬，等.世界天然橡胶产业现状及科技对其推动力分析[J]. 热带农业科学，2013，33（1）：61-66.

[3] 王晓林，蔡可旺，姜立春.落叶松树皮厚度变化规律的研究[J].森林工程，2011.2（27）：8-11.

[4] 闫喜强，廖宇兰.橡胶树割胶技术的探索[A].海南省机械工程学会.创新装备技术给力地方经济——第三届全国地方机械工程学会学术年会暨海峡两岸机械科技论坛论文集[C].海南省机械工程学会，2013.4.

[5] 蔡 维，史留勇，张 燕，等.容栅技术的电子树皮测量仪的设计与精度分析[J].自动化仪表，2014，09：87-90，94.