一种树木微钻阻力仪及其评价木材质量的方法

本发明涉及林业智能装备领域，具体涉及一种树木微钻阻力仪及其评价木材质量的方法，该仪器用于木材密度、树木年轮、木材腐烂程度、木材空洞及裂缝的大小及位置等方面的微损测量。

背景技术：

木材密度是评价木材质量的一个重要指标，决定了木材力学强度，因此，研究木材密度，对于了解木材构造和木材性质十分重要。在古建筑保护行业中，需要检测木材内部是否存在腐烂、裂缝等缺陷。在林业调查中，需要测量树木年轮、活立木内部是否存在腐烂、空洞等缺陷。传统的测量木材密度的方法需要从被测试件上取测试样本，需要破坏原试件。检测古建筑木构件内部状态一般使用超声波测量仪、木材电抗测量仪等，但这些测量方式存在测量速度慢、可靠性不高等缺点。测量树木年轮和内部状况一般使用生长锥钻入树木、从树干中取出直径为5-10mm的木芯样本，通过分析木芯样本，可以获取树木年轮、木材密度及树干内部健康状况等信息。但是生长锥钻孔直径较大，对树木生长以及以后的木材加工使用都有较大的负面影响。因此，亟需一种能可靠、微损的测量仪器来测量木材密度、树木年轮、木材腐烂程度、木材空洞及裂缝的大小及位置等信息。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种树木微钻阻力仪及其评价木材质量的方法，该仪器能微损、可靠的测量木材密度、木材内部缺陷、树木年轮等信息，解决现有相关仪器中存在的钻针振动幅度大、钻针阻力信号中噪声信号大、钻针旋转速度控制精度不高、钻针位置误差较大等问题，提高微钻阻力仪的测量精度。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种树木微钻阻力仪，其工作原理是当钻针所钻入的木材密度增大时，钻针阻力增加，使钻针旋转速度下降，控制器增加控制钻针旋转的直流电机两端的电压，使直流电机电流增加，电机输出力矩增加，使电机转速上升；当钻针所钻入的木材密度减小时，钻针阻力变小，钻针旋转速度上升，控制器减小控制钻针旋转的直流电机两端的电压，使直流电机电流减小，电机输出力矩减小，使电机转速下降。当电机转速误差较小时，直流电机两端的电压与木材密度正相关。因此，可以用直流电机两端的电压表示钻针阻力相对大小。当钻针沿径向方向钻入树木时，钻针交替地钻过树木晚材和早材，因此，钻针阻力曲线近似于波峰-波谷交替出现的曲线，因此，通过钻针阻力曲线图可获得钻针路径上的树木年轮数、年轮宽度、早材宽度、晚材宽度、早材密度、晚材密度等年轮信息。当木材发生腐烂时，木材密度和机械强度减小，因此，钻针阻力值较小。当钻针钻入空洞、裂缝时，钻针阻力接近于空载时钻针的阻力。当钻针钻入树节时，树节密度和机械强度较大，钻针阻力较大。因此，根据钻针阻力值可测量木材密度、木材是否存在缺陷(如腐烂、空洞、裂缝、树节等)及缺陷位置等。

本发明采用的技术方案如下：

一种树木微钻阻力仪，其特征在于：包括：钻针、钻针支架、第一电机系统、第二电机系统、机械传动装置、控制手柄和外壳，第二电机系统设置在机械传动装置上，第一电机系统驱动机械传动装置前后移动，从而带动第二电机系统和钻针前后移动，第二电机系统驱动钻针旋转。

进一步的，第一电机系统包括：光电编码器a、第一电机驱动器、第一电机、第一电机支架、联轴器，第一电机支架固定在底板的一端用于固定第一电机，第一电机的轴通过联轴器与传动丝杆相连，第一电机驱动器与第一电机相连，光电编码器a用于测量第一电机的转速。

进一步的，第二电机系统包括：光电编码器b、钻针导向座、钻针夹、第二电机座、控制器、第二电机，安装在第二电机座上的第二电机随着第二电机座前后移动，第二电机的轴通过钻针夹与钻针相连，钻针的旋转速度与第二电机的旋转速度相同,光电编码器b用于测量第二电机的转速。

进一步的，机械传动装置包括：前丝杆支撑座、后丝杆支撑座、底板、传动丝杆、直线导轨，前丝杆支撑座固定在底板的前端，前丝杆支撑座、后丝杆支撑座依次固定安装在底板上，前丝杆支撑座和后丝杆支撑座用于固定传动丝杆，直线导轨固定在底板上。

进一步的，钻针支架包括：针头套头、直线导杆、钻针支撑挡片，钻针支撑挡片包括前支撑挡片和后支撑挡片，前支撑挡片和后支撑挡片结构均为倒u形结构，前支撑挡片和后支撑挡片均具有横向支撑片，横向支撑片的两端均设置有竖向支撑片，前支撑挡片一侧的竖向支撑片与后支撑挡片一侧的竖向支撑片通过连接支撑片a相连，前支撑挡片另一侧的竖向支撑片与后支撑挡片另一侧的竖向支撑片通过连接支撑片b相连，前、后支撑挡片的横向支撑片的中间有钻针孔，前支撑挡片和后支撑挡片的横向支撑片两边均设有直线导杆孔，钻针从钻针支撑挡片的前、后横向支撑挡片中间的钻针孔穿过，2个直线导杆分别从钻针支撑挡片的前、后横向支撑挡片两边的直线导杆孔穿过，所述直线导杆的前端固定在前丝杆支撑座上，后端固定在后丝杆支撑座上，钻针支撑挡片悬挂在直线导杆上，钻针支撑挡片可在直线导杆上移动。

进一步的，多个长度和高度不同的钻针支撑挡片叠加在一起用于支撑、保护钻针，限制钻针振动幅度，第二电机座嵌套在最内层的钻针支撑挡片的前支撑挡片、连接支撑片a、连接支撑片b和后支撑挡片围成的空间中，当第二电机座在起始位置时，多个钻针支撑挡片的后支撑挡片叠加在一起，钻针支撑挡片的前支撑挡片均匀分布在直线导杆上；当第二电机座向前移动时，钻针导向座推动钻针支撑挡片前支撑挡片从而推动钻针支撑挡片向前移动，使钻针支撑挡片的前支撑挡片逐步叠加在一起；当第二电机座移动到直线导轨的最前端时，所有钻针支撑挡片的前支撑挡片叠加在一起，所有钻针支撑挡片的后支撑挡片均匀分布在直线导杆上；当第二电机座从最前端开始向退时，第二电机座推动钻针支撑挡片的后支撑挡片从而使钻针支撑挡片向后移动。

进一步的，钻针由不锈钢钢针材料构成，钻针针头宽度是钻针针杆直径的2倍。

进一步的，钻针由长470mm的不锈钢钢针材料构成，钻针针杆直径1.5mm，针头经锻造和打磨后为刀片结构，宽度3mm。

进一步的，针头套头采用铜质材料制成，钻针从针头套头的中间孔穿过，钻木过程中产生的木屑从针头套头的侧孔中排出。

进一步的，还包括控制器、开关量输入模块和电线拖链，控制器安装在第二电机座上，控制器由控制器底板和dsp核心板组成，开关量输入模块包括按键开关和限位开关，按键开关控制微钻阻力仪的钻针状态，有前进键、后退键和停止键，限位开关是限制第二电机座在可移动的范围内移动，防止第二电机座超出可移动的范围而损坏设备，限位开关安装在底板上，限位开关包括前、后限位开关，电线拖链安装在底板下方，把手18安装在底板下方，按键开关安装在底板的侧面。

进一步的，dsp核心板是微钻阻力仪的控制中心，负责第一电机和第二电机的启停控制和转速控制、第一电机转速和电压及第二电机转速的采集和存储，dsp核心板控制器选用tms320fs128dsp作为处理器。

进一步的，树木微钻阻力仪还包括钻针状态控制模块，钻针状态控制模块根据按键开关状态和限位开关状态来设置钻针的控制状态，dsp核心板采用轮询方式检测按键开关状态和限位开关状态，如果检测到前进键按下且前限位开关处于无效状态时，把钻针设置为前进状态；如果检测到后退键按下且后限位开关处于无效状态时，把钻针设置为后退状态；如果检测到停止键按下时，把钻针设置为停止状态；当钻针处于前进状态时，如果检测前限位开关有效时，则把钻针设置为停止状态；当钻针处于后退状态时，如果检测到后限位开关有效时，则把钻针设置为停止状态；如果钻针控制状态是前进状态，则启动第一、二电机，并使第一电机按逆时针方向旋转；如果钻针控制状态是后退转态，则启动第一、二电机，并使第一电机按顺时针方向旋转；如果钻针控制状态是停止转态，则使第一、二电机停止转动。

进一步的，树木微钻阻力仪还包括第二电机控制算法软件模块，第二电机控制算法软件模块完成直流电机转速控制，使钻针以固定的旋转速度钻入树木，通过dsp的pwm模块控制mos管的通断时间来控制第二电机的两端的平均电压；当第二电机转速高于设定值时，减小mos管的接通时间来减小pwm信号的占空比，增加第二电机两端的平均电压；当第二电机转速低于设定值时，增加mos管的接通时间来增加pwm信号的占空比，增加第二电机两端的平均电压；控制算法采用变论域模糊控制算法，有效提高了直流电机的控制精度；第二电机控制算法模块是在dsp核心板中的cpu定时器t0的中断处理子程序中实现的，cpu定时器t0定时周期是1ms，dsp每间隔1ms采样一次第二电机转速，根据第二电机转速误差，设置控制pwm信号的占空比的寄存器的值，从而使电机转速控制在设定值附近运行。

进一步的，树木微钻阻力仪还包括第一电机转速控制模块，第一电机转速控制模块主要根据钻针的控制状态控制第一电机的旋转方向和转速。

进一步的，树木微钻阻力仪还包括数据采集模块，数据采集模块采集第二电机转速和控制电压、第一电机转速这3个参数，数据采集模块是在dsp核心板中的cpu定时器t0的中断处理子程序中实现的，dsp每间隔1ms采样一次记录第二电机的光电编码器b发送的脉冲个数的n1、控制第二电机pwm信号的占空比的寄存器cmpr2的值和记录第一电机的光电编码器a发送脉冲个数n2。

进一步的，树木微钻阻力仪还包括数据显示模块，数据显示模块主要是把数据采集模块采集的数据转换成所需要的阻力数据，并显示阻力数据，数据显示模块在pc机上运行。

进一步的，第一电机为步进电机，第二电机为直流电机。

本发明还提供一种利用前述树木微钻阻力仪评价木材质量的方法，该方法用第二电机两端的平均电压表示钻针阻力相对大小；

当钻针沿径向方向钻入树木时，钻针交替地钻过树木晚材和早材，通过钻针阻力曲线图可获得钻针路径上的树木年轮数、年轮宽度、早材宽度、晚材宽度、早材密度、晚材密度、木材机械强度、木材是否存在缺陷及缺陷位置这些反映木材质量的参数。

进一步的，利用树木微钻阻力仪评价木材质量的方法，具体步骤如下：

1)、计算钻针每1ms的位移量：根据第一电机每1ms光电编码器发送脉冲的个数n2计算钻针在1ms内的位移，第一电机每旋转1周，第一电机光电编码器2路信号线各发送1000个脉冲给dsp的通用定时器t4，定时器t4的计数寄存器t4cnt的计数值是4000；传动丝杆导程是5mm，即传动丝杆每旋转1周，钻针的直线位移是5mm，钻针在每1ms内的位移s0计算公式为：

s0＝n2/800(1)

2)计算某时刻tms钻针总位移：钻针在tms内的总位移和s计算公式为：

式(2)中，s0i是钻针在第ims内的位移；

3)计算某时刻tms钻针的阻力：钻针阻力用第二电机两端的平均电压表示，第二电机的两端的平均电压通过脉冲宽度调制信号pwm控制第二电机电源的通断时间比来控制的，pwm信号是由dsp的通用定时器t1控制，定时器t1周期寄存器是t1pr控制pwm信号的周期，比较寄存器cmpr2控制pwm信号输出高电平和低电平的时间，定时器t1设置为低电平有效状态，当定时器t1的计数器t1cnt的值小于cmpr2时，pwm信号为高电平，第二电机处于通电状态，当t1cnt的值小于cmpr2时，pwm信号为低电平，第二电机处于断开状态。因此，pwm信号的占空比d的计算公式为：

d＝cmpr2/(t1pr+1)(3)

第二电机的电源电压为24v，因此第二电机两端的平均电压u计算公式为：

u＝24d(4)

4)利用测量的第二电机两端的平均电压u计算木材的绝干密度ρ：

经过大量试验，得到电机电压u(v)与木材的绝干密度ρ(kg/m3)的回归模型为：

ρ＝2.44+87.761u(5)

5)利用公式(2)计算各采样时刻钻针的总位移，利用公式(4)计算第二电机的平均电压值作为钻针在各采样时刻的钻针阻力，以钻针总位移为横坐标，以钻针阻力值为纵坐标，利用r语言画图工具绘制钻针阻力曲线；

6)对钻针阻力曲线进行分析：

钻针阻力曲线中波峰与树木年轮的晚材位置相匹配，通过各波峰之间横坐标的距离可以计算各年轮的年轮宽度；

钻针阻力曲线中局部阻力平均值低于正常阻力平均值的部分是木材的腐烂区域；

钻针阻力曲线中阻力值接近钻针空载时阻力值的部分是空洞；

通过钻针阻力曲线能够确定木材钻针路径上年轮的个数及各年轮的年轮宽度、空洞位置及空洞的长度。

(三)有益效果

1)本发明提供的一种树木微钻阻力仪，其原理是：当钻针恒速旋转时，控制钻针旋转速度的直流电机两端的平均电压与钻针阻力正相关，而钻针阻力与钻针针头切割木材的密度正相关，因此可以用该树木微钻阻力仪测量树木年轮数、年轮宽度、早材宽度、晚材宽度、早材密度、晚材密度、木材机械强度、木材是否存在缺陷及缺陷位置等反映木材质量的参数。

2)本发明利用第二电机两端的平均电压表示钻针阻力相对大小绘制的钻针阻力曲线图和木材内部的实际结构，如年轮宽度、内部腐烂和孔洞部分高度吻合，准确度很高，也就说明了本发明利用第二电机两端的平均电压表示钻针阻力相对大小是正确可行的。

3)由于钻针又细又长，当钻针高速旋转时，钻针易弯曲、变形，设计钻针支撑挡片，并将多个长度和高度不同的钻针支撑挡片叠加在一起用于支撑、保护钻针，能减小钻针的弯曲程度，使其能正常工作，同时较好的保护了钻针，提高了钻针的使用寿命。

4)本发明的树木微钻阻力仪的钻针针头较小，对被测对象破坏程度较小，属于微损测量仪器，且仪器具有体积小、重量轻、能耗低、工作效率高、便于野外作业等优点，因此，应用树木微钻阻力仪进行木材质量评价具有广阔的应用前景，具有较好的经济利益和社会效益。

附图说明

图1是本发明所述的树木微钻阻力仪外观示意图；

图2是本发明所述的树木微钻阻力仪去掉外壳的内部结构示意图；

图3是钻针形状示意图；

图4是钻针支撑挡片示意图；

图5是多个钻针支撑挡片叠加组装示意图；

图6是钻针支撑挡片组装示意图；

图7是钻针套头示意图；

图8是树木微钻阻力仪控制系统电路架构图；

图9是直流电机驱动电路图；

图10是直流电机电压与木材绝干密度散点图；

图11是钻针阻力曲线与木材的圆盘年轮图像对比图。

附图标记：

1：针头套头；2：前丝杆支撑座；3：直线导杆；4：钻针支撑挡片；5：钻针导向座；6：钻针夹；7：直流电机座；8：控制器；9：步进电机驱动器；10：步进电机；11：步进电机支架；12：联轴器；13：后丝杆支撑座；14：按键开关；15：直流电机；16：底板；17：电线拖链；18：控制手柄；19：传动丝杆；20：直线导轨；21：钻针；22：直线导杆孔；23：钻针孔；24：前横向支撑挡片；25：连接支撑片a；26：连接支撑片b；27：后横向支撑挡片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图1-11对本发明作进一步的介绍。

本发明提供一种树木微钻阻力仪，其包括硬件系统和软件系统构成。

硬件系统包括：钻针，第一电机系统，第二电机系统，机械传动装置，钻针支架，控制手柄，外壳等。

软件系统包括：钻针状态控制模块、第二电机控制算法软件模块，第一电机转速控制模块、数据采集模块、数据显示模块等。

具体技术方案如下：

从图1-2可以看出，本发明的一种树木微钻阻力仪，包括：钻针21、钻针支架、第一电机系统、第二电机系统、机械传动装置、控制手柄18和外壳，第二电机系统设置在机械传动装置上，第一电机系统驱动机械传动装置前后移动，从而带动第二电机系统和钻针前后移动，第二电机系统驱动钻针旋转。

进一步的，第一电机系统包括：光电编码器a、第一电机驱动器9、第一电机10、第一电机支架11、联轴器12，第一电机支架11固定在底板16的一端用于固定第一电机10，第一电机10的轴通过联轴器12与传动丝杆19相连，第一电机驱动器9与第一电机10相连，光电编码器a用于测量第一电机10的转速。

进一步的，第二电机系统包括：光电编码器b、钻针导向座5、钻针夹6、第二电机座7、控制器8、第二电机15，安装在第二电机座7上的第二电机15随着第二电机座7前后移动，第二电机15的轴通过钻针夹6与钻针21相连，钻针21的旋转速度与第二电机15的旋转速度相同,光电编码器b用于测量第二电机15的转速。

进一步的，机械传动装置包括：前丝杆支撑座2、后丝杆支撑座13、底板16、传动丝杆19、直线导轨20，前丝杆支撑座2固定在底板16的前端，前丝杆支撑座2、后丝杆支撑座13依次固定安装在底板16上，前丝杆支撑座2和后丝杆支撑座13用于固定传动丝杆19，直线导轨20固定在底板16上。

进一步的，钻针支架包括：针头套头1、直线导杆3、钻针支撑挡片4，钻针支撑挡片4包括前支撑挡片和后支撑挡片，前支撑挡片和后支撑挡片结构均为倒u形结构，前支撑挡片和后支撑挡片均具有横向支撑片，横向支撑片的两端均设置有竖向支撑片，前支撑挡片一侧的竖向支撑片与后支撑挡片一侧的竖向支撑片通过连接支撑片a相连，前支撑挡片另一侧的竖向支撑片与后支撑挡片另一侧的竖向支撑片通过连接支撑片b相连，前支撑挡片的横向支撑片的中间有钻针孔，前支撑挡片和后支撑挡片的横向支撑片两边均设有直线导杆孔，钻针从钻针支撑挡片的前、后横向支撑挡片中间的钻针孔23穿过，2个直线导杆3分别从钻针支撑挡片4的前、后横向支撑挡片两边的直线导杆孔22穿过，所述直线导杆3的前端固定在前丝杆支撑座2上，后端固定在后丝杆支撑座13上，钻针支撑挡片4悬挂在直线导杆3上，钻针支撑挡片4可在直线导杆3上移动。由于钻针又细又长，当钻针高速旋转时，钻针易弯曲、变形，设计钻针支撑挡片，能减小钻针的弯曲程度，减小钻针振动幅度，提高微钻阻力仪的测量精度。

进一步的，从图5可以看出，多个长度和高度不同的钻针支撑挡片叠加在一起用于支撑、保护钻针，限制钻针振动幅度，第二电机座7嵌套在最内层的钻针支撑挡片4的前支撑挡片、连接支撑片a25、连接支撑片b26和后支撑挡片围成的空间中，当第二电机座7在起始位置时，多个钻针支撑挡片4的后支撑挡片叠加在一起，钻针支撑挡片4的前支撑挡片均匀分布在直线导杆3上；当第二电机座7向前移动时，钻针导向座5推动钻针支撑挡片前支撑挡片从而推动钻针支撑挡片向前移动，使钻针支撑挡片的前支撑挡片逐步叠加在一起；当第二电机座7移动到直线导轨20的最前端时，所有钻针支撑挡片的前支撑挡片叠加在一起，所有钻针支撑挡片的后支撑挡片均匀分布在直线导杆上；当第二电机座从最前端开始向退时，第二电机座推动钻针支撑挡片的后支撑挡片27从而使钻针支撑挡片向后移动。

进一步的，钻针由不锈钢钢针材料构成，钻针针头宽度是钻针针杆直径的2倍。

进一步的，钻针由长470mm的不锈钢钢针材料构成，钻针针杆直径1.5mm，针头经锻造和打磨后为刀片结构，宽度3mm。

进一步的，从图7可以看出，针头套头1采用铜质材料制成，钻针从针头套头的中间孔穿过，钻木过程中产生的木屑从针头套头的侧孔中排出。

进一步的，还包括控制器8、开关量输入模块和电线拖链17，控制器8安装在第二电机座7上，控制器8由控制器底板和dsp核心板组成，开关量输入模块包括按键开关14和限位开关，按键开关14控制微钻阻力仪的钻针状态，有前进键、后退键和停止键，限位开关是限制第二电机座在可移动的范围内移动，防止第二电机座超出可移动的范围而损坏设备，限位开关安装在底板16上，限位开关包括前、后限位开关，电线拖链17安装在底板16下方，把手18安装在底板16下方，按键开关14安装在底板16的侧面。

树木微钻阻力仪控制系统电路架构图如图8所示。微钻阻力仪采用24v锂电池作为供电电源，而控制器电路还需要12v和5v电源，因此，设计了2级直流电压转换电路，先把24v电压转换为12v电压，再把12v电压转换成5v电压。

微钻阻力仪数据通过sci(serialcommunicationinterface)接口的a端口把采集的数据发送给sd存储卡(securedigitalmemorycard)。主要采集的数据有直流电机控制电压、直流电机转速和步进电机转速。测试完成后，取下sd存储卡，pc(personalcomputer)机再通过读卡器读取sd卡数据。

进一步的，dsp核心板是微钻阻力仪的控制中心，负责第一电机和第二电机的启停控制和转速控制、第一电机转速和电压及第二电机转速的采集和存储，dsp核心板控制器选用tms320fs128dsp作为处理器。

进一步的，直流电机驱动电路采用h桥驱动电路，该电路主要由4个mos管和2个高低侧驱动芯片组成，具体电路原理图如图9所示。由于dsp引脚输出的电压最大值是3.3v，不能直接驱动mos管，需要使用高低侧驱动芯片，将dsp输出的pwm控制信号进行放大。4个mos管的栅极分别由dsp处理器pwm1-pwm4引脚控制。当pwm1和pwm4引脚输出高电平，pwm2和pwm3引脚输出低电平时，mos1和mos4导通，mos2和mos3截止，直流电机正转。当pwm2和pwm3引脚输出高电平，pwm1和pwm4引脚输出低电平时，mos2和mos3导通，mos1和mos4截止，直流电机反转。直流电机转速由光电编码器1采集并发送给dsp的qep1-2引脚。

步进电机的控制信号由dsp发送给步进电机驱动器，步进电机驱动器控制步进电机转速，步进电机转速由光电编码器2采集并发送给dsp的qep3-4引脚。

进一步的，树木微钻阻力仪还包括钻针状态控制模块，钻针状态控制模块根据按键开关状态和限位开关状态来设置钻针的控制状态，dsp核心板采用轮询方式检测按键开关状态和限位开关状态，如果检测到前进键按下且前限位开关处于无效状态时，把钻针设置为前进状态；如果检测到后退键按下且后限位开关处于无效状态时，把钻针设置为后退状态；如果检测到停止键按下时，把钻针设置为停止状态；当钻针处于前进状态时，如果检测前限位开关有效时，则把钻针设置为停止状态；当钻针处于后退状态时，如果检测到后限位开关有效时，则把钻针设置为停止状态；如果钻针控制状态是前进状态，则启动第一、二电机，并使第一电机按逆时针方向旋转；如果钻针控制状态是后退转态，则启动第一、二电机，并使第一电机按顺时针方向旋转；如果钻针控制状态是停止转态，则使第一、二电机停止转动。

进一步的，树木微钻阻力仪还包括第二电机控制算法软件模块，第二电机控制算法软件模块完成直流电机转速控制，使钻针以固定的旋转速度钻入树木，通过dsp的pwm模块控制mos管的通断时间来控制第二电机的两端的平均电压；当第二电机转速高于设定值时，减小mos管的接通时间来减小pwm信号的占空比，增加第二电机两端的平均电压；当第二电机转速低于设定值时，增加mos管的接通时间来增加pwm信号的占空比，增加第二电机两端的平均电压；控制算法采用变论域模糊控制算法，有效提高了直流电机的控制精度；第二电机控制算法模块是在dsp核心板中的cpu定时器t0的中断处理子程序中实现的，cpu定时器t0定时周期是1ms，dsp每间隔1ms采样一次第二电机转速，根据第二电机转速误差，设置控制pwm信号的占空比的寄存器的值，从而使电机转速控制在设定值附近运行。

进一步的，树木微钻阻力仪还包括第一电机转速控制模块，第一电机转速控制模块主要根据钻针的控制状态控制第一电机的旋转方向和转速。

进一步的，树木微钻阻力仪还包括数据采集模块，数据采集模块采集第二电机转速和控制电压、第一电机转速这3个参数，数据采集模块是在dsp核心板中的cpu定时器t0的中断处理子程序中实现的，dsp每间隔1ms采样一次记录第二电机的光电编码器b发送的脉冲个数的n1、控制第二电机pwm信号的占空比的寄存器cmpr2的值和记录第一电机的光电编码器a发送脉冲个数n2。

进一步的，树木微钻阻力仪还包括数据显示模块，数据显示模块主要是把数据采集模块采集的数据转换成所需要的阻力数据，并显示阻力数据，数据显示模块在pc机上运行。

进一步的，第一电机10为步进电机，第二电机15为直流电机。

本发明还提供一种利用前述树木微钻阻力仪评价木材质量的方法，发明人通过大量的试验研究发现，第二电机两端的平均电压与木材绝干密度密切相关，而钻针阻力主要由木材密度决定，因此，本发明用第二电机两端的平均电压表示钻针阻力相对大小；

当钻针沿径向方向钻入树木时，钻针交替地钻过树木晚材和早材，通过钻针阻力曲线图可获得钻针路径上的树木年轮数、年轮宽度、早材宽度、晚材宽度、早材密度、晚材密度、木材机械强度、木材是否存在缺陷及缺陷位置这些反映木材质量的参数。

进一步的，利用树木微钻阻力仪评价木材质量的方法，具体步骤如下：

1)、计算钻针每1ms的位移量：根据第一电机每1ms光电编码器发送脉冲的个数n2计算钻针在1ms内的位移，第一电机每旋转1周，第一电机光电编码器2路信号线各发送1000个脉冲给dsp的通用定时器t4，定时器t4的计数寄存器t4cnt的计数值是4000；传动丝杆导程是5mm，即传动丝杆每旋转1周，钻针的直线位移是5mm，钻针在每1ms内的位移s0计算公式为：

s0＝n2/800(1)

2)计算某时刻tms钻针总位移：钻针在tms内的总位移和s计算公式为：

式(2)中，s0i是钻针在第ims内的位移；

3)计算某时刻tms钻针的阻力：钻针阻力用第二电机两端的平均电压表示，第二电机两端的平均电压通过脉冲宽度调制信号pwm控制第二电机电源的通断时间比来控制的，pwm信号是由dsp的通用定时器t1控制，定时器t1周期寄存器是t1pr控制pwm信号的周期，比较寄存器cmpr2控制pwm信号输出高电平和低电平的时间，定时器t1设置为低电平有效状态，当定时器t1的计数器t1cnt的值小于cmpr2时，pwm信号为高电平，第二电机处于通电状态，当t1cnt的值小于cmpr2时，pwm信号为低电平，第二电机处于断开状态。因此，pwm信号的占空比d的计算公式为：

d＝cmpr2/(t1pr+1)(3)

第二电机的电源电压为24v，因此第二电机两端的平均电压u计算公式为：

u＝24d(4)

4)利用测量的第二电机两端的平均电压u计算木材的绝干密度ρ：

经过大量试验，得到电机电压u(v)与木材的绝干密度ρ(kg/m3)的回归模型为：

ρ＝2.44+87.761u(5)

使用本微钻阻力仪测量了泡桐、马尾松、樱桃和麻栎4个树木木材加工的3cm*3cm*3cm个正方体木块的阻力数据，计算钻针钻过每个木块时直流电机两端的平均电压，并测量每个木块的绝干密度，测量数据如表1所示。

表1测量木材绝干密度的试验数据

将上表1中的试验数据绘制成散点图如图10所示，计算得到公式(5)的回归模型的r2为0.8402。由此可见，应用本发明的方法测量树木密度，精度较高。

5)利用公式(2)计算各采样时刻钻针的总位移，利用公式(4)计算第二电机的平均电压值作为钻针在各采样时刻的钻针阻力，以钻针总位移为横坐标，以钻针阻力值为纵坐标，利用r语言画图工具绘制钻针阻力曲线；

6)对钻针阻力曲线进行分析：

钻针阻力曲线中波峰与树木年轮的晚材位置相匹配，通过各波峰之间横坐标的距离可以计算各年轮的年轮宽度；

钻针阻力曲线中局部阻力平均值低于正常阻力平均值的部分是木材的腐烂区域；

钻针阻力曲线中阻力值接近钻针空载时阻力值的部分是空洞；

通过钻针阻力曲线能够确定木材钻针路径上年轮的个数及各年轮的年轮宽度、空洞位置及空洞的长度。

钻针阻力曲线与圆盘年轮图像对比图如图11所示，从图11可以看出，本发明利用第二电机两端的平均电压表示钻针阻力相对大小绘制的钻针阻力曲线图和木材的内部结构，如年轮宽度、内部腐烂和孔洞部分高度吻合，准确度很高，也就说明了利用第二电机两端的平均电压表示钻针阻力相对大小是正确可行的，应用该方法进行木材质量评价对木材创伤小，应用前景广阔。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。