一种智能三角卡尺树干直径测量装置及其测量方法与流程

1.本发明涉及林业系统的树干测径技术领域，特别涉及一种智能三角卡尺树干直径测量装置及其测量方法。


背景技术：

2.树干测径器的种类很多，大致有两类，一类是直接测定：最早有轮尺，因其笨重又不易测准被逐渐淘汰。目前最先进的是数显游标卡尺（改进的轮尺），其特点是，通过容珊测距传感器进行测定。还有北京林业大学的
‘
一种定角测距树径测量方法’（201310465873.5）。其特点是应用两个激光导向装置，一个安装在数显卡尺的定珊一端，一个安装在动珊上，让激光瞄准树干直径的两端，确能测得精准直径。但因其量程较短，价格较高，适于精密机械制造行业，远超林业实际应用水平。因此，林业生产上并未推广应用。还有一类是应用最普遍的是围尺，它是根据圆周率原理制作而成，即通过测定树干周长换算成直径的：，结构简单价格低廉，体积小重量轻，便于携带，操作方便。其实，测径的目的是为了推定断面积。但是，甘肃省林勘院和云南林学院在《林业资源管理》的1977年02期发表的
‘
围尺测径偏差及其排除’一文。该文指出：近年来,各地森林调查中广泛采用围尺测径。围尺测径有许多便利之处,一次测定也常较轮尺准确。但围尺测径有正偏差,使蓄积量估计值偏大。过去的一些试验和研究表明围尺测径偏差在+3%～+5%之间。基础数据产生这样大的正偏，足以导致调查成果的实际可靠性大幅度降低，从而使蓄积量的估计精度失去意义。根据唐守正的理论研究（围尺测径和轮尺测径的理论比较（1977年《林业资源管理》03期），认为“围尺测径恒等于轮尺各向测径的平均值”。并由此推论，“若围尺偏大，则二者同时大于横断面积的直径。”另外，围尺不易测准水平断面，而且长期使用，围尺松弛长度变长，精度较低。而且对于直径较大的树干，测定时常与胸部摩擦稍嫌不便。
3.近年来，出现了不少新的测径工具和方法：如黑龙江省林业科学研究所的
‘
一种树径测量方法及工具’(cn202010097663.5)、广东神州木兰园林业有限公司；湛江市神州木兰园林有限公司的
‘
一种树径测量工具’（cn201820729170.7）’、广西桂江林业调查规划设计有限公司的
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智能测树径激光枪以及测量树径的方法’（cn201611240572.2）、还有淳安县绿之源苗木专业合作社的
‘
一种便携式树径量测工具’（cn20152096o378.6），还有吉林省林科院刘彤堂提出的
‘
测径靠尺及其测径方法’（92105826.8）其缺点是不能测椭圆和卵圆。况且他们都是应用先进的电子传感技术测得精准的直径，然而它们对林地的环境条件（如气温）有一定要求，实施起来有些不便。加之电子设备的引入，必然成本不菲。因此在林业系统推广有难度。


技术实现要素：

4.本发明目的是为了克服上述诸测径器的不足之处，公开了一种智能三角卡尺树干直径测量装置及其测量方法，因其结构和形状之故，简称为三角卡尺。三角卡尺是基于本发明提出的径边率k，该径边率是：等边三角形的内切圆（无论是椭圆、卵圆或正圆或其近似
圆），其直径d与边长c存在严格的函数关系，即径边率c，亦即；所以只要测出边长c，就可确定直径d。
5.为达到上述目的，所采取的技术方案是：一种智能三角卡尺树干直径测量装置，包括尺身，所述尺身一端通过定位组件安装有定尺，尺身上滑动安装有滑框，所述滑框上通过定位组件安装有动尺，所述定尺与动尺分别位于尺身的上、下两侧；所述尺身与滑框上配合安装有智能信息采集与处理组件；测量状态时，定位组件实现定尺、动尺分别与尺身成60
°
安装，定尺、动尺与尺身围合形成测量树干直径的等边三角形，非测量状态时，定尺、动尺均可相对尺身进行转动，实现调整测量不同树干直径。
6.进一步，所述定位组件包括插销，所述定尺和动尺上设有子插销孔，所述尺身与滑框上均设有母插销孔，所述定尺的子插销孔与尺身的母插销孔配合插装插销，所述动尺的子插销孔与滑框的母插销孔配合插装插销；所述插销包括沿轴向依次设置的转动部、定位部和限位部；测量状态时，定位部插装在子插销孔与母插销孔内；非测量状态时，转动部插装在子插销孔与母插销孔内；放置状态时，定位部插装在子插销孔与母插销孔内。
7.进一步，所述子插销孔包括圆孔和径向凸出设有的限位孔，圆孔和限位孔连通设置；所述母插销孔包括圆孔，所述圆孔的径向分别凸出设有的水平孔和斜孔，所述水平孔和斜孔呈60
°
设置，所述水平孔沿尺身长度方向设置，所述限位孔沿定尺和动尺长度方向设置，测量状态时，限位孔与斜孔重合，定位部插装在子插销孔与母插销孔内；非测量状态时，转动部插装在子插销孔与母插销孔内；放置状态时，限位孔与水平孔重合，定位部插装在子插销孔与母插销孔内。
8.进一步，所述定位组件包括分别安装在尺身上和滑框上定位销钉，尺身上安装的定位块与定尺位于同一平面内，滑框上安装的定位块与动尺位于同一平面内；所述尺身上安装的定位块靠近定尺一侧设有与尺身轴向呈60
°
的斜面；所述滑框上安装的定位块靠近动尺一侧设有与尺身轴向呈的斜面，所述定尺与尺身转动配合安装，所述动尺与滑框转动配合安装；测量状态时，定位块限制定尺、动尺均与尺身保持60
°
，定尺、动尺与尺身围合形成测量树干直径的等边三角形。
9.进一步，所述智能信息采集与处理组件包括容珊传感器、数值显示屏、录像计时装置。
10.进一步，所述容珊传感器的定珊固定在尺身上，容珊传感器的动珊贴在滑框上。
11.进一步，所述数值显示屏和录像计时装置安装在滑框上。
12.进一步，所述横杆上还安装有水平气泡。
13.进一步，所述左侧杆、右侧杆和横杆采用轻质材料制作。
14.基于一种智能三角卡尺树干直径测量装置的一种树干直径测量方法，包括如下步骤：1.通过容珊传感器，确定测量树干的围合形成的等边三角形的边长；2.通过公式，求出树干直径，其中d为树干直径，c为围合形成的等边三角形的边长， k为径边率k=0.57735c。
15.本发明所具有的有益效果为：1、本发明首次结合等边三角形结构采用公式来测量计算树干直径，本发明发现：
等边三角形的内切圆（无论是椭圆、卵圆、正圆）直径d与边长c存在严格的函数关系，称为径边率k=0.57735c，所以，通过装置测量出围合形成的等边三角形的边长，然后应用公式计算出树干直径。在此，必须特别强调指出的是，在本发明之前，也曾有过求算正三角形內切圆半径的方法，但其前提是必须已知三角形三边长度之和，然后通过海伦公式求得半径，显然与本发明毫无关系。
16.2、本发明采用一种智能三角卡尺树干直径测量装置，结构简单，操作方便，不仅能在林地现场自动采集和储存数据，而且能对数据库输出数据；可以减少烦杂的判读、记录、转抄、换算等手续，减轻劳动强度。此外，在三角形的底边上设有水平气泡，通过观察水平气泡，避免因测径器倾斜而造成的测量误差。本装置可以对椭圆形状、卵圆形状和正圆形状及其近似形状的树干进行测径，不受环境影响，且测定效果精准可靠，具有围尺和轮尺的优点。
17.3、本发明设计的一种智能三角卡尺树干直径测量装置，通过定位组件进行安装，可以实现测量时，定尺、动尺分别与尺身成60
°
安装，定尺、动尺与尺身围合形成测量树干直径的等边三角形，非测量状态时，定尺、动尺均可相对尺身进行转动，藉以调整测量不同树干直径。放置状态时，定尺、动尺与尺身重合，便于携带和安装。
附图说明
18.图1为测量直径原理示意图；图2为具体实施方式1智能三角卡尺树干直径测量装置示意图；图3为具体实施方式1的尺身结构示意图；图4为具体实施方式1的母插销孔示意图；图5为具体实施方式1的定尺结构示意图；图6为具体实施方式1的子插销孔示意图；图7为具体实施方式1的插销结构示意图；图8为具体实施方式2智能三角卡尺树干直径测量装置示意图；图9为具体实施方式2智能三角卡尺树干直径测量装置测量椭圆示意图；图10为具体实施方式2智能三角卡尺树干直径测量装置测量正圆示意图；图11为具体实施方式2智能三角卡尺树干直径测量装置测量卵圆示意图。
19.具体实施方式1下面结合附图对本发明进一步描述。
20.如图2-7所示，一种智能三角卡尺树干直径测量装置，包括尺身3，所述尺身3一端通过定位组件8安装有定尺1，尺身3上滑动安装有滑框5，所述滑框5上通过定位组件8安装有动尺2，所述定尺1与动尺2分别位于尺身3的上、下两侧；所述尺身3与滑框5上配合安装有智能信息采集与处理组件；优选的，所述定尺1、动尺2和尺身3均采用轻质材料制作，减轻重量方便携带。
21.测量状态时，定位组件8实现定尺1、动尺2分别与尺身3成60
°
安装，定尺1、动尺2与尺身3围合形成测量树干直径的等边三角形，非测量状态时，定尺1、动尺2均可相对尺身3进行转动，实现调整测量不同树干直径。
22.如图2-7所示，为了实现测量状态、非测量状态和放置状态三种状态下定尺1、动尺
2与尺身3的配合安装关系，所述定位组件8包括插销81，所述定尺1和动尺2上设有子插销孔83，所述尺身3与滑框5上均设有母插销孔82，所述定尺1的子插销孔83与尺身3的母插销孔82配合插装插销81，所述动尺2的子插销孔83与滑框5的母插销孔82配合插装插销81。
23.本实施例中，所述插销81包括沿轴向依次设置的转动部811、定位部812和限位部813；转动部811采用圆柱形，定位部812包括圆柱体和圆柱体上径向设置的凸起，转动部811的直径、定位部812的直径均小于限位部813的直径，且限位部813便于工作人员抽拉插销81。
24.所述子插销孔83包括圆孔和径向凸出设有的限位孔831，圆孔和限位孔831连通设置；所述母插销孔82包括圆孔，所述圆孔的径向分别凸出设有的水平孔822和斜孔821，所述水平孔822和斜孔821呈60
°
设置，限位孔831、水平孔822、斜孔821设置为条形，所述水平孔822沿着尺身3长度方向设置，所述限位孔831沿定尺1和动尺2长度方向设置。
25.测量状态时，限位孔831与斜孔821重合，定位部812插装在子插销孔83与母插销孔82内，凸起插装在限位孔831与斜孔821重合处；非测量状态时，转动部811插装在子插销孔83与母插销孔82内，使得定尺1与尺身3转动配合，动尺2与滑框5转动配合，便于安装不同直径的树干；放置状态时，限位孔831与水平孔822重合，定位部812插装在子插销孔83与母插销孔82内，凸起插装在限位孔831与水平孔822重合处，保证定尺1、动尺2与尺身3重合。这样可以实现三种不同状态下，定尺1、动尺2分别与尺身3配合，实现定尺1、动尺2与尺身3围合形成测量树干直径的等边三角形；或者定尺1、动尺2相对尺身3转动，实现调整测量不同树干直径；或者定尺1、动尺2与尺身3重叠配合，便于携带和转运。
26.如图2-7所示，为了只能采集数据、显示数据、保存数据，本实施例中，所述智能信息采集组件包括容珊传感器、数值显示屏和录像计时装置。容珊传感器可以将测量围合形成的等边三角形的边长，通过公式，直接转换得到树干的直径，本实施例中，所述容珊传感器的定珊固定在尺身3上，优选的，定珊安装在尺身3上定尺1的回转中心处，容珊传感器的动珊贴在滑框5上；所述数值显示屏和录像计时装置安装在滑框5上。通过数值显示屏显示出来，可以直观的读出直径值。通过安装录像计时装置，将显示数据一一采集、储存起来，便于最后储存输入至数据库内，同时录像计时装置还能够及时采集时间表，定位工作地址，能在林地现场自动采集和储存数据，减少烦杂的判读、记录、转抄、计算等手续，减轻劳动强度。
27.如图2-3所示，为了保证测量数值的准确性，所述尺身3上还安装有水平气泡4。测量时，通过观察水平气泡4，保证尺身3水平放置，可以克服因测径器倾斜而造成的误差。
28.基于一种智能三角卡尺树干直径测量装置的一种树干直径测量方法，包括如下步骤：1.通过容珊传感器，确定测量树干的围合形成的等边三角形的边长；2.通过公式，求出树干直径，其中d为树干直径，c为围合形成的等边三角形的边长， k为径边率k=0.57735。
29.通过等边三角形的内切圆（无论是椭圆、卵圆、正圆）直径d与边长c存在严格的函数关系，即径边率k=0.57735c，得出，来测量不同截面形状树干的直径，为原创结构、方法，具有新颖性和创造性。
30.本发明的工作过程为：
非测量状态时，转动部811插装在子插销孔83与母插销孔82内，使得定尺1与尺身3转动配合，动尺2与滑框5转动配合，当定尺1上的限位孔831与尺身3上的斜孔821重合，按压插销81，使得定位部812插装在子插销孔83与母插销孔82内，定位部812的凸起插装在限位孔831与斜孔821重合处；使得定尺1与尺身3保持60度，动尺2与滑框5转动配合，将树干置于定尺1与尺身3围合的60度角内，同理，按照上述原理调整动尺2与滑框5，使得动尺2与尺身3保持60度，定尺1、动尺2与尺身3围合形成测量树干直径的等边三角形，进入测量状态，此时，树干位于等边三角形内。
31.定珊固定在尺身3上，动珊贴在滑框5上数值显示屏和录像计时装置安装在滑框5上。当定珊与动珊之间有位移产生时，经过公/k制转换（将位移量乘以k(0.57735)），这种转换值（直径）就会转换为数字量。通过显示部分在数值显示屏上显示出来，我们就可以直观的读出直径值。显示屏上安装录像计时装置，将显示数据一一采集、储存起来，而后向数据库输出。
32.测量完毕后，向外拔出插销81，使得转动部811插装在子插销孔83与母插销孔82内，使得定尺1与尺身3转动配合，动尺2与滑框5转动配合，使限位孔831与水平孔822重合，定位部812插装在子插销孔83与母插销孔82内，凸起插装在限位孔831与水平孔822重合处，保证定尺1、动尺2与尺身3重合，进入放置状态。
33.具体实施方式2如图8所示，为了实现测量状态、非测量状态和放置状态三种状态下定尺1、动尺2与尺身3的配合安装关系，本实施例中，与具体实施方式1的不同之处在于，所述定位组件8包括分别安装在尺身3上和滑框5上定位块6，尺身3上安装的定位块6与定尺1位于同一平面内，滑框5上安装的定位块6与动尺2位于同一平面内；所述尺身3上安装的定位块6靠近定尺1一侧设有与尺身3轴向呈60
°
的斜面；所述滑框5上安装的定位块6靠近动尺2一侧设有与尺身3轴向呈120
°
的斜面，所述定尺1与尺身3转动配合安装，所述动尺2与滑框5转动配合安装，优选的；定尺1与尺身3采用销轴7插装配合，动尺2与滑框5采用销轴7插装配合。所述定位块6分别与尺身3、滑框5通过螺钉安装或者焊接。优选的，滑框5上安装的定位块6位于动尺2的右侧，尺身3上安装的定位块6位于定尺1的右侧。
34.测量状态时，定位块6限制定尺1、动尺2均与尺身3保持60
°
，定尺1、动尺2与尺身3围合形成测量树干直径的等边三角形。
35.基于本发明的三角形内切圆直径的求法：如图1所示，等边三角形abc内切圆o的一个切边ab，长度为c。求：内切圆o的直径d。
36.等边三角形也就是等角三角形，作角a、角b和角c的平分线相交于点o，则点o即为内切圆的圆心。由圆心到切边ab引垂线，则垂线为半径r。
37.在等边三角形abc中，c角的平分线正是切边ab的中点。
38.根据正切定义，=0.57735。
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（1）令等式前的分数相之分子分母同乘以2，于是在数值上有正切定理即径边率
ꢀꢀꢀ
（2）由（2）可知，等边三角形内切圆的直径d等于边长c与常数k的乘积。等边三角形的内切圆（无论是椭圆、卵圆、正圆）直径d与边长c存在严格的函数关系径径边率，即。
39.如图9-11所示，对智能三角卡尺树干直径测量装置及测量方法的验证分析：表1 三角卡尺的测算方法
注：1.表1中所列测定部位是作为例子仅供参考。在实际测定时，根据正切定理，只要掌握三个角均为60
°
，其他任意方向皆可。以测定椭圆为例，若以a1b1为尺身，则a1c1和b1c1为其定尺和动尺；显然，无论什么方位，由于三个角恒为60
°
三边均相等。余类推。
40.2，为了比较同一求积式对不同形状断面的测算效果，在测算时，无论椭圆、卵圆或正圆，都用同一个求积算式计算，其中，卵圆面积是用三角卡尺直接定直径d，再用正圆求积式而得。椭圆面积是用轮尺测长短轴之长，再用椭圆求积式而得；正圆面积是用围尺测平均直径，再用正圆求积式而得。
41.3本次实验中，为了获得准确的数值，表2中各树干断面的图形均为几何意义上的典型。并非是现实的。
42.实验结果如表2所示。实验结果如表2所示。
43.表2 不同形状断面积的测定方法与结果
对实验结果几点说明和分析：1，本次实验中，为了获得准确的数据，表2中各树干断面的图形均为几何意义上的典型。并非是现实的。但是，图表中的断面形状和面积是真实的。
44.2，组合求积式，是通过三角卡尺法能测出准确的正三角形内切圆的任意直径；而正圆求积式能将任意直径转化为准确的面积，所以两者的组合必能测算出准确的断面积，故在表中作为理论面积。
45.2．通过组合求积式测算出的卵圆面积，与通过椭圆求积式测算出来的卵圆面积相比，误差很小（为-1.76，），这是因“从抽象（图形学）角度看待树干的横断面，它的边界曲线，一般是闭凸线。正圆和椭圆均是卵圆的特例。所以郎奎健（1985）提出“将其看成卵圆线，是一种更确切的”论点。（孟宪宇主编《测数学（第三版）》）”由此次实验更加证明该论点是正确的。
46.3，对于正圆来说，无论用三角卡尺、或轮尺、围尺，都能获得理想的效果，误差为0.0%。由此看来似乎可以用正圆面积作为理论面积。其实，误差非常之大（分别为53.59%，28.77%）。由此可以判断不应该以正圆面积为标准。这是因为正圆形的面积最小，任何非正圆的面积都大于它。生产上已经证明了这一点（甘肃省林勘院和云南林学院的
‘
围尺测径偏差及其排除’一文。）并且，林内树干断面大部分为卵圆形，很小部分为椭圆形，但卵圆形面积与理论面积误差很小而且负偏（-1.76）因此，两者的综合偏大是正常的。
47.4，在生产中，要求测算速度最快、误差最小可靠。要求。但在林分现场分辨孰椭、孰
卵、孰正，是很耗时间的效率较低。所以只有智能三角卡尺法能满足这些要求。
48.本发明一种智能三角卡尺树干直径测量装置，还可以用于准确检测加工的柱体的外径，确定是否符合加工精度要求。并且在树干解析时测定不规则的年轮直径能显示其优点。