一种基于等效电源内阻的树干含水率测量方法及装置与流程

本发明属于林业科学技术领域，涉及树干含水率测量方法，尤其是一种基于等效电源内阻的树干含水率测量方法及装置。

背景技术：

树干含水率是表征活立木水分调节、利用的重要生理参数之一，在造林设计、生态分析及林木生理研究等多个领域中广泛应用。特别是一些针对活立木个体的研究，需要在自然生长状态下对活立木树干含水率进行实时测定。此外，一些植物电生理学研究需要同时监测生物电信号和树干含水率，要求含水率的测量过程不能注入电磁信号，以避免对生物电信号测量造成干扰。

目前，测量树干含水率的方法主要有称重法、核磁共振法、层析成像法、介电常数法和电阻法。称重法又称为烘干法，需对树干木材进行取样，并测量样本鲜重和烘干后的样本干重，进而计算树干含水率。该方法准确性高，但不能实时在线测量；核磁共振法和层析成像法技术成本高，且不便于长期野外应用。

介电常数法和电阻法应用广泛，但均需向树干内部注入电磁激励信号。介电常数法通过发射高频电磁波并分析反射波特性，测量树干介电常数，进而计算树干含水率；电阻法需通入直流电压信号，利用电桥测量树干电阻率或电导率，并推算树干含水率。外部激励信号的引入会影响生物电位的测量，不能满足植物电生理学研究的需要；同时会增加测量电路的复杂度和系统功耗、成本；此外，激励信号会改变被测对象的温度和电荷分布，对测量结果造成潜在影响，也对树干造成一定损伤。因此，如何研发出一种低成本、无电磁激励信号、实时的树干含水率测量方法是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、测量成本低、无电磁激励信号且能够实现实时测量的基于等效电源内阻的树干含水率测量方法及装置。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于等效电源内阻的树干含水率测量方法，包括以下步骤：

步骤1、在树干上沿轴向选取两点并分别布设金属电极a和金属电极b；

步骤2、计算步骤1中金属电极a、金属电极b和树干构成的电源的内阻；

步骤3、通过树干含水率与电源内阻之间的关系模型mc＝f(ri)计算树干含水率；

其中，mc是树干含水率，ri是电源内阻，函数f(ri)的表达式由树种和待测组织确定。

而且，所述步骤1的具体方法为：将金属电极a和金属电极b的前端布设至树干待测组织，去除电极周围的非待测组织，并在金属电极a和金属电极b的末端覆盖绝缘材料。

而且，所述步骤1的金属电极a和金属电极b分别为锥形不锈钢电极和锥形铜电极；所述金属电极a和金属电极b两电极布设点之间的距离为8-12cm。

而且，所述步骤2的具体方法为：

测量步骤1的金属电极a和金属电极b两电极之间的开路电压，然后在两电极之间跨接电阻并测量电阻两端的电压，计算电极a、电极b和树干构成的电源的内阻。

一种基于等效电源内阻的树干含水率测量方法，包括以下步骤：

步骤1、建立树干含水率与电源内阻之间的关系模型mc＝f(ri)；

其中，mc是树干含水率，ri是电源内阻，函数f(ri)的表达式由树种和待测组织确定；

步骤2、在树干上沿轴向选取两点并分别布设金属电极a和金属电极b；

步骤3、计算步骤2中金属电极a、金属电极b和树干构成的电源的内阻；

步骤4、通过树干含水率与电源内阻之间的关系模型mc＝f(ri)计算树干含水率。

而且，所述步骤1的树干含水率与电源内阻之间的关系模型mc＝f(ri)的确定方法，包括以下步骤：

(1)取活立木枝干样本；

(2)取两个金属电极a、b，测量两个金属电极的总重量；

(3)沿样本轴向选取两点并分别布设金属电极a和金属电极b；

(4)将活立木枝干样本置于通风干燥处，连续测量活立木枝干样本与两个金属电极的总重量、两个金属电极与活立木枝干样本构成的电源的内阻，直到所取活立木枝干样本重量不再变化；

(5)计算各测量时刻的活立木枝干样本的含水率，与电源内阻进行回归分析，确定含水率与电源内阻之间的关系模型。

而且，所述步骤2的具体方法为：将金属电极a和金属电极b的前端布设至树干待测组织，去除电极周围的非待测组织，并在金属电极a和金属电极b的末端覆盖绝缘材料。

而且，所述步骤2的金属电极a和金属电极b分别为锥形不锈钢电极和锥形铜电极；所述金属电极a和金属电极b两电极布设点之间的距离为8-12cm。

而且，所述步骤3的具体方法为：

测量步骤2的金属电极a和金属电极b两电极之间的开路电压，然后在两电极之间跨接电阻并测量电阻两端的电压，计算电极a、电极b和树干构成的电源的内阻。

一种基于等效电源内阻的树干含水率测量方法的电源内阻和重量参数的自动采集装置，其特征在于：包括模拟开关、外接电阻rl、放大器、滤波器、压力传感器和控制器；

所述模拟开关的一端外接金属电极a，另一端通过外接电阻rl与金属电极b相连接，用于引入外接电阻rl两端的电压信号；该模拟开关的控制端与控制器相连接，用于控制外接电阻rl的接通与断开；所述模拟开关的输出端和金属电极b分别与放大器相连接，用于对模拟开关引入的电压信号进行放大；该放大器的输出端与滤波器相连接，用于对该电压信号进行滤波；该滤波器的输出端与控制器相连接，用于读取该电压信号；所述压力传感器用于测量活立木枝干样本、金属电极a和金属电极b的重量，其输出端与控制器相连接，用于接收压力传感器的测量值；所述控制器用于控制模拟开关工作状态，并根据滤波器输出的电压信号、压力传感器输出的测量值计算电源内阻和重量参数。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明通过测量“树干-电极”构成的电源的内阻，推算树干含水率。利用“树干-电极”本身的电路模型进行测算，不需要构建复杂的测量电路，测量方法简单、测量成本低；

2、本发明不使用外部激励信号，耗能低；且对活立木损伤小；且测量通路电流小，理论上对测量点的温度影响小，进而降低温漂和测量误差；且不影响生物电位测量，符合植物电生理学研究要求；且不会引入电磁场，测量准确性高。

附图说明

图1是本发明的处理流程图(一)；

图2是本发明的具体实施例的电极布设示意图；

图3是本发明的具体实施例的利用外接电阻法测量电源内阻的原理示意图；

图4是本发明的处理流程图(二)-当待测树种或组织的含水率与电源内阻之间的关系模型不明确时；

图5是本发明的自动采集装置的结构示意图；

图6是本发明的具体实施例的建立的树干含水率与电源内阻之间的关系模型；

图7是本发明的具体实施例的应用测试结果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

实施例1：

一种基于等效电源内阻的树干含水率测量方法，如图1所示，包括以下步骤：

本实施例中的电源内阻为金属电极a、金属电极b和树干构成的电源的内阻。

步骤1、在树干上沿轴向选取两点并分别布设金属电极a和金属电极b；

所述步骤1的具体方法为：将金属电极a和金属电极b的前端布设至树干待测组织，去除电极周围的非待测组织，并在金属电极a和金属电极b的末端覆盖绝缘材料。

在本实施例中，金属电极的布设深度由待测组织决定，可适当去除非待测组织。

所述待测组织是树皮、韧皮部、形成层和木质部中的一种。

在本实施例中，金属电极的布设方式如图2所示。

在本实施例中，沿树干轴向选取两点，分别布设金属电极。为便于电极布设和电压测量，可优选地选择质地坚硬、导电性能良好、标准电极电势差别较大的异种材料作为金属电极。

在本实施例中，使用锥形不锈钢电极和锥形铜电极。

本发明所述内阻主要由电极与树干之间的接触电阻构成，该接触电阻的大小与树干含水率有关。为降低树干本身电阻的影响、增强两电极之间的电气连接性能，应尽量减小两电极之间的距离。

在本实施例中，两电极布设点之间的距离为10cm。

在本实施例中，测量树干木质部含水率，将电极前端布设至木质部，并去除电极周围的其他组织。优选地，还可以在电极末端覆盖绝缘材料。

步骤2、计算步骤1中金属电极a、金属电极b和树干构成的电源的内阻；

所述步骤2的具体方法为：

如图3所示，测量步骤1的金属电极a和金属电极b两电极之间的开路电压ut，然后在两电极之间跨接阻值为rl的电阻并测量电阻两端的电压ul，通过公式ri＝(ut/ul-1)rl计算电极a、电极b和树干构成的电源的内阻。

在本实施例中，金属电极可与树液构成原电池。

步骤3、通过树干含水率与电源内阻之间的关系模型mc＝f(ri)计算树干含水率。

其中，mc是树干含水率，ri是电源内阻，函数f(ri)的表达式由树种和待测组织确定。

实施例2：

一种基于等效电源内阻的树干含水率测量方法，如图4所示，包括：

步骤1、建立树干含水率与电源内阻之间的关系模型mc＝f(ri)；

本实施例中电源内阻为金属电极a、金属电极b和树干构成的电源的内阻。

其中，mc是树干含水率，ri是电源内阻，函数f(ri)的表达式由树种和待测组织确定。

所述步骤1的树干含水率与电源内阻之间的关系模型mc＝f(ri)的确定方法，包括以下步骤：

(1)取活立木枝干样本；

(2)取两个金属电极a、b，测量两个金属电极的总重量；

(3)沿样本轴向选取两点并分别布设金属电极a和金属电极b；

(4)将活立木枝干样本置于通风干燥处，连续测量活立木枝干样本与两个金属电极的总重量、两个金属电极与活立木枝干样本构成的电源的内阻，直到所取活立木枝干样本重量不再变化；

(5)计算各测量时刻的活立木枝干样本的含水率，与电源内阻进行回归分析，确定含水率与电源内阻之间的关系模型。

步骤2、在树干上沿轴向选取两点并分别布设金属电极a和金属电极b；

在本实施例中，金属电极的布设深度由待测组织决定，可适当去除非待测组织。

在本实施例中，沿树干轴向选取两点，分别布设金属电极。为便于电极布设和电压测量，可优选地选择质地坚硬、导电性能良好、标准电极电势差别较大的异种材料作为金属电极。

在本实施例中，使用锥形不锈钢电极和锥形铜电极。

本发明所述内阻主要由电极与树干之间的接触电阻构成，该接触电阻的大小与树干含水率有关。为降低树干本身电阻的影响、增强两电极之间的电气连接性能，应尽量减小两电极之间的距离。

在本实施例中，两电极布设点之间的距离为10cm。

在本实施例中，测量树干木质部含水率，将电极前端布设至木质部，并去除电极周围的其他组织。优选地，还可以在电极末端覆盖绝缘材料。

所述步骤2中所选取的电极材料、规格、电极布设深度、间距、电极布设方法，应与步骤1中建立含水率测量模型中使用的电极材料、规格、电极布设深度、间距、电极布设方法相一致。

步骤3、计算步骤2中金属电极a、金属电极b和树干构成的电源的内阻；

所述步骤3的具体方法为：

测量步骤2的金属电极a和金属电极b两电极之间的开路电压ut，然后在两电极之间跨接阻值为rl的电阻并测量电阻两端的电压ul，通过公式ri＝(ut/ul-1)rl计算电极a、电极b和树干构成的电源的内阻。

步骤4、通过树干含水率与电源内阻之间的关系模型mc＝f(ri)计算树干含水率。

下面结合附图对本发明作进一步说明:

图1为根据本发明的一种树干含水率测量方法的流程图。

如图1所示，一种基于等效电源内阻的树干含水率测量方法，包括：步骤1，在树干上沿轴向选取两点并分别布设金属电极a和金属电极b；步骤2，测量两电极之间的开路电压，然后在两电极之间跨接电阻并测量电阻两端的电压，计算电极a、电极b及树干构成的电源的内阻；步骤3，通过树干含水率与内阻之间的关系模型计算树干含水率。

图2为本发明的电极布设示意图。

树干中含有树液，可与电极构成原电池，其瞬时电路模型由理想电压源与内阻构成。该电源电动势较低，内阻较大，短路电流较小，其内阻可由开路电压与短路电流的比值求得。为了便于系统集成、实现自动测量，也可利用外接电阻法测算内阻。

图3为本发明利用外接电阻法测量内阻的原理示意图。

如图3所示，两电极前端a、b与树干构成电源，假设电源电动势为ut，内阻为ri，测量两电极末端a’、b’之间的开路电压，即为电源电动势ut；在两电极末端a’、b’之间跨接电阻rl，测量得到电阻rl两端的电压ul，则内阻ri＝(ut/ul-1)rl。将内阻阻值代入树干含水率与内阻之间的关系模型即可计算树干含水率。

图4为根据本发明一个优选实施例的一种树干含水率测量方法的流程图。

若待测树种或组织的含水率与电源内阻之间的关系模型不明确，应先建立树干含水率与电源内阻之间的关系模型mc＝f(ri)。

如图4所示，所述步骤2之前还包括：步骤01，取活立木枝干样本；步骤02，取两个金属电极a、b，测量两电极总重量；步骤03，沿样本轴向选取两点并分别布设金属电极a和金属电极b；步骤04，将样本置于通风干燥处，连续测量样本与电极总重量、电极与样本构成的电源的内阻，直到样本重量不再变化；步骤05，计算各测量时刻的样本含水率，与内阻进行回归分析，确定含水率与内阻之间的关系模型。

具体地，在自然生长的活立木上截取枝干样本，树种与步骤2相同。取两个金属电极a、b，电极材料、规格与步骤2所述电极一致。测量两电极总重量，记为me。沿样本轴向选取两点并分别布设电极a和电极b，布设方法与步骤2相同。随样本自然干燥，连续测量样本与电极总重量、电极与样本构成的电源的内阻，直到样本重量不再变化，分别记为m1、m2、…、mn和r1、r2、…、rn，则对应的样本绝对含水率为(m1-mn)/(mn-me)、(m2-mn)/(mn-me)、…、(mn-1-mn)/(mn-me)、0。对含水率与内阻数据进行回归分析，即可确定含水率与内阻之间的关系模型。

使用恒温箱对样本进行烘干可加快模型建立，但会损失模型精度。

优选地，可利用本发明的自动采集装置完成样本与电极的重量和内阻的测量及计算。

一种自动采集装置，如图5所示，包括模拟开关、外接电阻rl、放大器、滤波器、压力传感器和控制器；

所述模拟开关的一端外接金属电极a，另一端通过外接电阻rl与金属电极b相连接，用于引入外接电阻rl两端的电压信号；该模拟开关的控制端与控制器相连接，用于控制外接电阻rl的接通与断开；所述模拟开关的输出端和金属电极b分别与放大器相连接，用于对模拟开关引入的电压信号进行放大；该放大器的输出端与滤波器相连接，用于对该电压信号进行滤波；该滤波器的输出端与控制器相连接，用于读取该电压信号；所述压力传感器用于测量活立木枝干样本、金属电极a和金属电极b的重量，其输出端与控制器相连接，用于接收压力传感器的测量值；所述控制器用于控制模拟开关工作状态，并根据滤波器输出的电压信号、压力传感器输出的测量值计算内阻和重量参数。

本发明的自动采集装置的工作原理为：

模拟开关可与电极连接，用于引入电极上的电压信号，与外接电阻rl、放大器、控制器电性连接。模拟开关由控制器通过i/o口控制，可实现外接电阻rl的接通与断开。rl断开时，两电极之间的开路电压ut被引入后续电路，否则电阻rl两端的电压ul被引入后续电路。放大器与模拟开关、滤波器电性连接，用于对模拟开关引入的电压信号进行放大，并输出至滤波器。滤波器与放大器、控制器电性连接，用于对放大器输出的电压信号进行滤波操作，降低噪声干扰，并输出至控制器。压力传感器与控制器电性连接，用于测量样本与电极的重量，其测量值由控制器读取。控制器与模拟开关、滤波器、压力传感器电性连接，用于控制模拟开关工作状态、读取滤波器输出的电压信号、接收压力传感器的输出值、计算内阻和重量参数。

图6为本实施例建立的树干含水率与电源内阻之间的关系模型。

在本实施例中，所选取的树种为杨树，含水率为绝对含水率。如图6所示，含水率与内阻之间的关系模型为y＝-0.02x+130.8，其中y为含水率(％)，x为内阻(ω)。含水率与内阻的取值区间由实验中测得的最大值和最小值确定。

图7为本实施例的应用测试结果。

如图7所示，本实施例的测量相对误差在2％-8％之间。该测试结果是相对于称重法测量值的相对误差。使用称重法测量的结果记为mcw，使用本发明所述方法测量的结果记为mcr，则使用本发明所述方法测量得到的结果的相对误差为(mcr-mcw|)/mcw。

本发明的工作原理为：

目前，广泛应用的电阻法、介电常数法也是基于“含水率-电阻率(或电导率)/介电常数”关系模型，其模型与树种和待测组织有关。

电阻法、介电常数法将树干看作普通导体，其电阻率(电导率)/介电常数受树干含水率影响，测量时需要引入激励源和信号调理电路；本发明将“树干-电极”看作电源，其内阻受树干含水率影响，测量时不引入激励源，其原理和方法与电阻法、介电常数法有本质区别。

即：现有技术把树干看作导体，外加电源后测量导体的电阻率(电导率)或介电常数；而本发明将树干与电极看作电源，测量电源内阻。原理的差异导致测量方法的不同：现有技术需要外加电源(激励源)，本发明不需要。

无激励源的主要优点，①能够避免电磁干扰(植物电生理学研究需要测量生物电位，要求避免电磁干扰)；②电磁场影响电荷分布，对电阻率/介电常数的测量造成潜在影响。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的。因此，本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。