玉米植株的振动特性测试

摘要

玉米是我国乃至全球的重要粮食作物。倒伏是影响玉米产量的一个主要因素。前人对玉米抗倒伏性的研究主要集中于考察植株茎长，茎粗、穗位高和株高等静态参数对抗倒伏性的影响。本文尝试从动力学角度研究玉米植株的振动特性和抗倒伏性。首先介绍了一种基于数据采集器DI-158U的振动测试系统。该振动测试系统的硬件部分主要由MEM加速度传感器、安装有力传感器的力锤LC13、数据采集器DI-158U 和PC机组成。软件部分主要是与数据采集器DI-158U相配套的C_DAS数据采集软件。该系统具有体积小，质量轻，操作简单方便的特点，适合户外测量。利用该系统，通过锤击法对处于生长期内的大田玉米植株进行振动特性测试。实验过程中，将加速度传感器固定于穗位位置，然后用力锤敲击玉米茎杆的第三、四茎节，最后通过数据采集器和PC机采集并记录力锤激励信号和三个方向的加速度信号。通过MATLAB对这些信号进行文件格式转换、最小二乘法消除多项式趋势项和五点三次法平滑处理。经过上述预处理之后，利用快速傅里叶变换（FFT）把信号从时域描述变换成频域描述，从而得到玉米植株的自振频率。最后再通过曲线拟合和半功率带宽法求出阻尼系数。频域结果显示：玉米植株的振动频率主要集中于8～20Hz 的低频率段内；同一植株在三个方向的幅频特性和自振频率的重复性很好。后者表明用这一测试系统对玉米植株进行振动特性测试是可靠、稳定的。同时，实验发现：叶片和叶鞘对植株的自振频率影响不大，对阻尼系数影响较大，叶片和叶鞘的存在可以有效的增大植株系统的阻尼系数。实验结果使得人们对玉米植株的振动特性有了一定的了解，对振动信号中的各频率成分、频率分布的范围及玉米植株的阻尼大小和叶片、叶鞘对阻尼的影响有了初步认识。这也为玉米植株的力学模型的建立提供了参考数据，对玉米抗倒伏性的动力学研究也提供了相应支撑。