容栅技术的电子树皮测量仪的设计与精度研究

石坚

摘 要：对树皮厚度进行分析之后，能对病虫害起到防治作用，也能用于树林生长以及遗传变异等情况的判定。以往的树皮厚度测量方法工作效率不高，且会对树皮造成较为严重的损伤，需要研制新的测量工具适应现实测量情况。

关键词：容栅技术；电子；树皮测量仪

树皮对树体起到保护作用，检测树皮厚度对树木的整个生长过程起到重要作用，不仅能对树木是否发生病虫害进行判定，也可分析树木中存在的能创造经济效益的成分。我国使用手工卡尺进行测量，误差较大，也会让树皮遭受损伤，研究新型测量工具势在必行。

1 容栅技术的电子树皮测量仪简介和工作机理

1.1 容栅传感器

此类传感器是以特殊类型的电容式传感器为参照，使用先进技术研发而成的传感器，能在多极电容的支持下，实现平均效应，并集中了电容式传感器的优势，电路以闭环反馈等形式进行设计，有效应对寄生电容的干扰，让测量精度达到新的水平。与光栅等类型的传感器相比，其具有外形小、内部构成不复杂、精准度和分辨率均较高的特点，能适应各种环境，在电子测量领域中发挥着重要作用[1]。

1.2 工作原理

此感应器和电容两极板的间隙与电常数等存在关联，在一定条件下，电容变化量与耦合面积的变化量保持正相关。

2 容栅技术的电子树皮测量仪的设计

2.1 设备整体框架

传感器的左侧是十字插刀，与动栅相连，动栅连接在容栅传感器上，单片机同时与容栅传感器和液晶相连，液晶又和容栅传感器连接[2]。动栅、液晶等部分可直接进行选型。在对树皮厚度进行测量时，操作的关键点是对单片机进行控制，传感器对电路和机械部件实施调整也是测试过程中的重点[3]。

2.2 设备机械构造

测量仪包括测尺、限位套和手柄等部分。在测量时，让需要测试的一侧和手柄连接在一起，将另外一侧连接在插刀上。测尺可以分为有刻度和无刻度两个部分，前者安置了显示屏，后者则在外部设置了弹簧。弹簧的一侧连接在手柄之上，另一侧则和电子显示屏连接在一起。在电子显示屏的左侧设置挡块，右侧则有限位套，将最前侧套在插刀的刀刃部位。显示屏的右侧和有刻度部分的零刻度线保持一致，显示屏数据显示部分包括尺身、定栅、动栅、液晶等。

2.3 设备信号传输机制

为达到测距的目的，需要对定栅和动栅进行如下设定：将定栅节与节之间的距离设定在5.08mm，动栅则将此设定为0.635mm，定栅的节距是动栅的8倍，具体而言就是8节动栅相当于1节定栅，但单个定栅节距中有接近50%属于屏蔽板，如此仅有4节接收板能和定栅结合在一起。接收板长度为25.4mm，仅能和5节定栅结合在一起。在动栅上设定了6组极板，每组的工作状态保持一致，则挑选其中的1组开展分析。1组之中有8块发射极板，只要驱动电路能发送方波等信号，即可收到。按照45°的相位渐次递增。在一定位置会出现宽度较大的凸波，也会在某处出现宽度较大的凹波。

3 容栅技术的电子树皮测量仪实验检验

3.1 所得数据

需要对设备测量的精度和可靠性进行判定，将此种测量方式和以往的游标卡尺树皮测量方法获得的数据进行对比。为了起到对比效果，每个树种各选择10棵进行测量，在对马占相思、非洲楝和面包树进行测量时，使用电子厚度仪和游标卡尺测得的各组结果分别如下（表1）。

3.2 结果和精度分析

精确度是样本进行反复测定后得到的结果的重复性和集中性的体现。对上述数据实施分析之后发现，每个树种在使用电子厚度仪器进行测量后，得到的厚度结果的偏差均比使用游标卡尺获得的结果低，标准偏差的水平越低，说明与平均值之间的偏差就越小。每个树种的测量范围保持一致，但由于测量工具存在误差，造成测量的平均值存在差异。在不同测量限制条件下，获得的数据对标准差造成较大的影响，使用变异系数则能较好地解决这个问题。结果表明，使用电子测量工具获得精度更高。对数据进行分析之后发现，电子厚度测试仪获得的数据波动幅度较小，数据分布集中性较佳，在偶然情况下会出现误差，所测的结果与平均值的误差处于较低水平。而且新设计的电子测量工具在测量时间上比传统方法少，测量效率大幅度提升。

4 总结

根据容栅传感器的原理，设计一个专用于树皮厚度测量的电子工具。为了判定设计工具的使用效果，开展专项实验，将获得的结果与传统的测量方法进行对比，发现新设计的电子测量工具在精度上有更好的表现。

参考文献

[1]张燕，蔡维，史留勇.基于容栅传感机理的橡胶树皮厚度测量仪特性实验分析[J].中国农机化学报，2015，36（6）：235-237.

[2]张燕，蔡维，史留勇.基于容栅技术的橡胶树树皮厚度测量装置研制[J].湖北农业科学，2015，54（13）：3258-3261.

[3]苏英樟，徐文兵，张果丽，等.林区测量中全站仪无棱镜测距精度研究[J].浙江农林大学学报，2015，32（3）：376-383.

（作者单位：桂林市晶瑞传感技术有限公司）