專利名稱：一種測量植株抗拔力與抗張強度的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及植物根系力學特性測量領域，特別涉及 一 種測量植株 抗拔力與抗張強度的方法和裝置。
背景技術(shù)：
植被可用于沙漠防治和生態(tài)恢復，其在固土防沙，提高土壤抗侵 蝕強度，穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)、穩(wěn)固邊坡，水土保持等方面的作用已逐漸被 人們所認識。植物根系是植物固土的重要器官，了解和明確植物根系 力學性質(zhì)及其加固土壤的機制，揭示其固土本質(zhì)，無論是對基礎科學 研究，還是對綠化工程等方面都具有重大意義。
目前，國內(nèi)外關于植物根系力學特性及其固土機理研究尚處于起 步階段，各方面都有待深入。諸多學者對植物根系的土壤增強作用的
大量研究表明土壤抗剪強度(土體對于外荷載所產(chǎn)生的剪應力的極 限抵抗能力)的增加主要歸因于土壤一一根系的相互作用 一一植物根 系對根際土壤的牽引效應，并且還建立了根一一土相互作用的分析模 型。
根一一土相互作用模型和植物根系力學特性的研究，主要通過拉 拔試驗，根系抗拉試驗來完成。但是在測量方法和測量工具上，國內(nèi) 外均沒有形成統(tǒng)一的標準，這就使得凡是能夠用來測量力學特性的工 具都有可能應用在拉拔或根系抗拉試驗中。據(jù)相關文獻描述，周躍、 李紹才等人用彈簧秤、液壓儀或其他各種拉力儀測量拉拔試驗中的拉 力大小。在實驗過程中，應用人力拉動綁住植株的拉力儀，緩慢將其 拔出，讀取拉拔過程中拉力儀的最大數(shù)值，作為植物根系對根際土壤 的牽引力。但是此方法難以確保拔出植株的瞬間不產(chǎn)生加速度，并且 很難準確讀取拉力儀形變的瞬時最大值，因此測量出的牽引力與真實
值間存在誤差；而且這種方法不能連續(xù)測量拉拔過程中的拉力值，不 利于整個拉拔過程的研究。
Bruce Abernethy、 S. De Baets等人設計出的機械測量儀能夠克服
上述缺點，他們用墊有膠皮的器械夾住植株桿莖，電機驅(qū)動恒速拉拔 植株，并且應用拉力傳感器測量拉力值，數(shù)據(jù)采集器定時釆集拉力傳 感器輸出值，直到將植株拔出。此方法在電機啟動、還未達到穩(wěn)定運 行的情況下，就開始拉拔植株，其開始測量的拉力值缺乏準確性，且 精度較大的拉力傳感器價格較高，大大增加了整個系統(tǒng)的開發(fā)成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述測量過程中出現(xiàn)的各種問題，提供一 種基于霍爾電流傳感器和驅(qū)動電機的測量方法，該方法能測量植物根 系對根際土壤牽引力、植株桿莖和植株根系的抗拉強度。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案提供了一種測量植株抗拔力 與抗張強度的方法，該方法包括以下步驟
Sl，用霍爾電流傳感器測量驅(qū)動電機的空載電流；
S2，用與驅(qū)動電機相連的細繩綁住待測量植株；
S3，用S1中所述的霍爾電流傳感器測量驅(qū)動電機在拉拔植株狀態(tài) 下的工作電流，直到拔出植株或拉斷植株，測量出拉拔過程中工作電 流的變化曲線；
S4，根據(jù)所述工作電流與空載電流的差值求出負載電流的變化曲
線；
S5，把S4中所述負載電流的變化曲線轉(zhuǎn)化成植株拉拔過程中受到 拉力的變化曲線，求出植株抗拔力。
其中，所述的霍爾電流傳感器為電壓輸出式霍爾電流傳感器。
其中，所述霍爾電流傳感器的輸出電壓由工作于向上運行方式的 圓錐指數(shù)儀釆集。
其中，根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量植株抗拔力與抗張強度的方
法，其特征在于，所述的拉力由公式力<formula>formula see original document page 6</formula>求出，其中^,為
拉拔植株時所述霍爾電流傳感器的輸出電壓，^z為空載狀態(tài)下所述
霍爾電流傳感器的輸出電壓，R為所述霍爾電流傳感器的電壓/電流 轉(zhuǎn)換系數(shù)，r為傳動機構(gòu)旋轉(zhuǎn)半徑，K所述驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)。
其中，所述細繩柔軟無彈性，所述細繩的長度能使電機空載運行 達到勻速運動狀態(tài)后才開始拉拔植株。
其中，在步驟S3中，若拉斷植株，且斷裂位置與細繩捆綁位置 不同，則此時測得的拉力值為該植株的抗張強度。
本發(fā)明還公開了 一種測量植株抗拔力與抗張強度的裝置，其特征 在于，該裝置包括細繩，驅(qū)動電機，霍爾電流傳感器，圓錐指數(shù)儀， 其中，
所述細繩的一端綁住植株，另一端與所述驅(qū)動電機相連；
所述驅(qū)動電機的電源線穿過所述霍爾電流傳感器的電流感應區(qū)；
所述霍爾電流傳感器安裝在所述圓錐指數(shù)儀上；
所述霍爾電流傳感器的輸出參數(shù)由工作于向上運行方式的所述 圓錐指數(shù)儀釆集；
根據(jù)霍爾電流傳感器在空載狀態(tài)和拉拔植株狀態(tài)下的輸出參數(shù) 變化求算出植株的抗拔力。
在上述裝置中，所述細繩柔軟無彈性，所述細繩的長度能使電 機空載運行達到勻速運動狀態(tài)后才開始拉拔植株。
在上述裝置中，其中所述的霍爾電流傳感器為電壓輸出式霍爾電 流傳感器。
在上述裝置中，若植株在拉拔狀態(tài)下的測量過程中被拉斷，且 斷裂位置與細繩捆綁位置不同，則此時測得的拉力值為該植株的抗張 強度。
本發(fā)明提供的測量植株抗拔力與抗張強度的方案具有以下優(yōu)點
采用驅(qū)動電機拉拔植株，保證拉拔過程不產(chǎn)生加速度，其測量結(jié)果比
傳統(tǒng)方法中人力拉動拉力儀測量的結(jié)果更加精確；使用柔軟無彈性的
細繩代替機械夾具，不僅起到了緩沖電機的作用，還大大降低系統(tǒng)成 本。


圖1為本發(fā)明實施例的 一種測量植株抗拔力與抗張強度的方法的
流程圖2為本發(fā)明實施例中所用霍爾電流傳感器實際連接示意圖； 圖3為本發(fā)明實施例中所用圓錐指數(shù)儀改造示意圖。 其中，l一霍爾電流傳感器，2—驅(qū)動電機電源線。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細 描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。 一、工作原理
利用負載電流求得驅(qū)動電機所受拉力的原理參見發(fā)明專利"一種 圓錐指數(shù)儀及測量土壤圓錐指數(shù)的方法"(專利申請?zhí)?200810057861.8)?；魻栯娏鱾鞲衅靼凑赵摪l(fā)明專利中所述方法安裝 在圓錐指數(shù)儀上，該電流傳感器為電壓式輸出，圓錐指數(shù)儀上的控制 盒中數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)采集該輸出電壓，并通過以下公式計算得到拉力過 程中拉力值
其中，^'為拉拔植株時霍爾電流傳感器的輸出電壓；^'為空 載狀態(tài)下輸出電壓；R為霍爾電流傳感器的電壓/電流轉(zhuǎn)換系數(shù)；r為 傳動機構(gòu)旋轉(zhuǎn)半徑；K電機轉(zhuǎn)矩系數(shù)。其中R， r和K均為常量，R由所 述霍爾電流傳感器確定，K和r分別由所述圓錐指數(shù)儀中的驅(qū)動電機和 傳動機構(gòu)確定，公式(1)的推導過程在申請?zhí)枮?00810057861.8的
發(fā)明專利申請中有詳細描述。圖l給出的是公式(l)中參數(shù)表示的本 實施例的 一種測量植株抗拔力、植株桿莖與植株根系抗張強度方法的 流程圖。
二、 所用儀器
本實施例主要用到了霍爾電流傳感器和圓錐指數(shù)儀。 所用霍爾電流傳感器由南京茶花港聯(lián)傳感測控技術(shù)有限公司生 產(chǎn)，為型號CS010G的電壓式輸出霍爾電流傳感器，其輸入電源電壓 為5V，電壓/電流轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.2VA—'，最大輸出電壓為5V。通過其輸 出電壓，根據(jù)電流傳感器的電壓/電流轉(zhuǎn)換系數(shù)和電源電壓計算出所 測得的電流。圖2給出了本發(fā)明實施例中所用霍爾電流傳感器實際連 接示意圖。
圓錐指數(shù)儀原是一種用來測量土壤堅實度的專用儀器，通常使用 其向下運行的方式測量壓力，目前尚未有人具體利用其上行方式。本 實施例創(chuàng)新地利用了其向上運行方式，為圓錐指數(shù)儀擴展了測量植物 根系對根際土壤牽引力、植株桿莖抗張強度的功能，在產(chǎn)品的功能擴 展和應用推廣上具有創(chuàng)新意義。圖3為本發(fā)明實施例中所用圓錐指數(shù) 儀改造示意圖，具體使用實用新型專利ZL00420120131.5中所涉及的 圓錐指數(shù)儀，該圓錐指數(shù)儀上行進速度恒定為30mm/s。
安裝時，將所述圓錐指數(shù)儀中用于測量土壤壓實度的圓錐桿和壓 力傳感器卸掉，在所述圓錐指數(shù)儀的滑塊上系上細繩，使細繩與滑塊 同步運動。
此外，驅(qū)動電機的數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊為12位A/D轉(zhuǎn) 換，該數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)分辨率約為0.86N。
三、 實施步驟
本實施例中用霍爾電流傳感器，圓錐指數(shù)儀測量植株抗拔力與抗 張強度的方法，該方法的具體實施步驟包括
步驟一將確定型號與參數(shù)的霍爾電流傳感器按發(fā)明專利(申請
號200810057861.8 )所述方法安裝到實用新型專利ZL (申請?zhí)?200420120131.5 )中所提到的圓錐指數(shù)儀上，用于測量電機電流。對 于所確定的霍爾電流傳感器，必須要知道其電壓/電流轉(zhuǎn)換系數(shù)^與電 源電壓Vcc，該參數(shù)由實際中選用的霍爾電流傳感器的型號確定，不 需要用戶自行設定。
步驟二測量空載狀態(tài)下霍爾傳感器的輸出電壓V。ut,，在控制盒 的CPU上記錄并保存V。ut,，此數(shù)值測定一次即可。
步驟三用柔軟無彈性細繩綁住待測量植株，細繩柔軟保證捆綁 不傷害植株桿莖，無彈性保證拉拔過程細繩所受合外力始終為零。并 且捆綁時細繩長度留有余量，使電機能夠空載運行一段距離，恒速穩(wěn) 定后再開始拉拔植株。
步驟四啟動電機，圓錐指數(shù)儀上行拉動細繩。細繩繃直后，電 機穩(wěn)定恒速拉拔植株。測量拉拔狀態(tài)下霍爾傳感器的輸出電壓V礎。
步驟五根據(jù)霍爾電流傳感器的空載輸出電壓V。ut,與正常工作狀 態(tài)下的輸出電壓V。ut的差值，并由已知的直流電機參數(shù)(傳動機構(gòu)旋 轉(zhuǎn)半徑r和電機轉(zhuǎn)矩系數(shù)K)以及步驟四所計算出的實際負載電流I， 根據(jù)式(1)計算出圓錐指數(shù)儀拉拔植株時所受拉力*。
在步驟五結(jié)束后，重新返回步驟四，繼續(xù)下一次測量，直至將植
株拔出或?qū)⒅仓陾U莖拉斷。所測量數(shù)據(jù)為拉拔過程圓錐指數(shù)儀所受拉
力，由牛頓第三定理知拉力fH直大小與植株所受力大小相等，方向相 反，其中fy最大值為植株根系抗拔力。
拉拔過程中，若將植株桿莖拉斷，且斷裂位置與細繩捆綁位置不 同，則測得拉力值為植株桿莖抗張強度。
若要測量植株單根抗張強度，則可直接拉拔植株單根，直到將其 拉斷，且若單根斷裂位置與捆綁位置不同，則測量的拉力值為該植株 單根的抗張強度。
按步驟一安裝完后，在空載狀態(tài)下，按步驟二測得電機空載向上
運行時，霍爾電流傳感器輸出電壓V。。t,為2.840V，由實施例中給出公 式(1)計算得最大拉力值為3524.21化在拉拔某一植株的試驗中， 按步驟四至步驟五測量得此時的電機工作時霍爾電流傳感器的輸出 電壓V。ut，其中最大值為2.935V;按步驟五計算此植株抗拔力為155N。
該實施例測量的是植株的抗拔力，用同樣的方法也可以測量植株 桿莖或植株根系的抗張強度。 .
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術(shù)領 域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以 做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1、一種測量植株抗拔力與抗張強度的方法，其特征在于，包括以下步驟S1，用霍爾電流傳感器測量驅(qū)動電機的空載電流；S2，用與驅(qū)動電機相連的細繩綁住待測量植株；S3，用S1中所述的霍爾電流傳感器測量驅(qū)動電機在拉拔植株狀態(tài)下的工作電流，直到拔出植株或拉斷植株，測量出拉拔過程中工作電流的變化曲線；S4，根據(jù)所述工作電流與空載電流的差值求出負載電流的變化曲線；S5，把S4中所述負載電流的變化曲線轉(zhuǎn)化成植株拉拔過程中受到拉力的變化曲線，求出植株抗拔力。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量植株抗拔力與抗張強度的方法， 其特征在于，所述的霍爾電流傳感器為電壓輸出式霍爾電流傳感器。
3 、根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量植株抗拔力與抗張強度的方法， 其特征在于，所述霍爾電流傳感器的輸出電壓由工作于向上運行方式 的圓錐指數(shù)儀釆集。
4 、根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量植株抗拔力與抗張強度的方法，其特征在于，所述的拉力由公式^=^4^.工求出，其中4,為拉拔植株時所述霍爾電流傳感器的輸出電壓，r。"Z為空載狀態(tài)下所述霍爾電流傳感器的輸出電壓，R為所述霍爾電流傳感器的電壓/電流轉(zhuǎn)換系數(shù)，r為傳動機構(gòu)旋轉(zhuǎn)半徑，K所述驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量植株抗拔力與抗張強度的方法， 其特征在于，所述細繩柔軟無彈性，所述細繩的長度能使電機空載運 行達到勻速運動狀態(tài)后才開始拉拔植株。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量植株抗拔力與抗張強度的方法， 其特征在于，在步驟S3中，若拉斷植株，且斷裂位置與細繩捆綁位 置不同，則此時測得的拉力值為該植株的抗張強度。
7、 一種測量植株抗拔力與抗張強度的裝置，其特征在于，該裝 置包括細繩，驅(qū)動電機，霍爾電流傳感器，圓錐指數(shù)儀，其中，所述細繩的一端綁住植株，另一端與所述驅(qū)動電機相連； 所述驅(qū)動電機的電源線穿過所述霍爾電流傳感器的電流感應區(qū)； 所述霍爾電流傳感器安裝在所述圓錐指數(shù)儀上； 所述霍爾電流傳感器的輸出參數(shù)由工作于向上運行方式的所述圓錐指數(shù)儀釆集；根據(jù)霍爾電流傳感器在空載狀態(tài)和拉拔植株狀態(tài)下的輸出參數(shù)變化求算出植株的抗拔力。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種測量植株抗拔力與抗張強度的裝 置，其特征在于，所述細繩柔軟無彈性，所述細繩的長度能使電機空 載運行達到勻速運動狀態(tài)后才開始拉拔植株。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種測量植株抗拔力與抗張強度的裝 置，其特征在于，其中所述的霍爾電流傳感器為電壓輸出式霍爾電流 傳感器。
10、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的測量植株抗拔力與抗張強度的方法， 其特征在于，若植株在拉拔狀態(tài)下的測量過程中被拉斷，且斷裂位置 與細繩捆綁位置不同，則此時測得的拉力值為該植株的抗張強度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測量植株抗拔力與抗張強度的方法，其步驟包括用霍爾電流傳感器測量驅(qū)動電機的空載電流；用與驅(qū)動電機相連的細繩綁住待測量植株；用所述的霍爾電流傳感器測量驅(qū)動電機在拉拔植株狀態(tài)下的工作電流，直到拔出植株或拉斷植株，測量出拉拔過程中工作電流的變化曲線；根據(jù)所述工作電流與空載電流的差值求出負載電流的變化曲線；把所述負載電流的變化曲線轉(zhuǎn)化成植株拉拔過程中受到拉力的變化曲線，求出植株抗拔力。本發(fā)明還公開了一種測量植株抗拔力與抗張強度的裝置。本發(fā)明的方法和裝置能夠克服傳統(tǒng)測量方法和裝置在精度、價格、適用性等方面的缺陷，為植物的固土本質(zhì)和綠化工程研究提供了可靠的途徑。
文檔編號G01N33/00GK101363826SQ20081022289
公開日2009年2月11日 申請日期2008年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月24日
發(fā)明者孫宇瑞, 孟繁佳, 曾慶孟, 祥 蔡 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學