便携式农作物茎杆力学特性测试仪的设计与试验

摘要

现代农业的发展趋势迫切要求有一批现代化的仪器作保障，为此本文从农作物茎秆力学特性测试的实际情况出发，设计出一款适应农业应用的茎秆力学测试设备。
　　 该测试仪机械部分通过测试刀具、传感器、作物茎秆的一体化设计和总体结构优化，减小了仪器的尺寸和重量，方便携带，便于在农作物生长现场进行检测。同时采用交流减速电机作为驱动机构，保持了测试速度的恒定，消除了手动操作时因速度变化导致的测试误差。该测试仪设计有农作物茎秆的剪切、穿刺、弹性模量、茎秆刚度等实验模块。剪切力测试刀片由1mm厚的不锈钢片切割而成。为满足不同直径的茎秆实验，刀片刃口大小分为5个等级，可进行小麦、高粱、玉米等茎秆的剪切力实验。穿刺探针设计有0.5mm、1.0mm、1.5mm三种不同直径。弹性模量测试模块由支架和数显百分表构成，数显百分表可实时显示茎秆的挠度，拆下数显百分表则可进行茎秆刚度实验。
　　 信号放大模块采用BSQ-2型变送器，其内部采用AD620芯片作为放大器。A/D转换采用ADS8344芯片。为保证A/D转换电路稳定性，系统采用AD586BR芯片作为基准电压源为ADS8344提供稳定的基准电压。
　　 控制系统以意法半导体公司推出的基于ARMCortex-M3系列最高配置芯片STM32F103ZE为核心设计制作了单片机开发系统板，其上集成EEPROM、串口、SD卡、蜂鸣器、TFT屏等外设。该控制系统可实时采集拉/压力传感器的输出信号，可对压力曲线等试验结果进行实时显示和SD卡存储，同时还能完成做功、最大压力等参数的计算。
　　 通过MicrosoftVisualC++6.0开发环境和C++等编程语言设计开发了上位机数据采集接收界面。该界面可以实现数据的实时显示、历史查询、数据下载、曲线绘制等功能。同时该软件还可读取SD卡存储的数据，很好的再现测量时的压力曲线。
　　 通过测试精度校正，该测试仪平均相对误差为0.84％，工作稳定可靠，为进一步研究农作物茎秆的力学性能提供了方便。利用该测试仪进行了玉米茎秆剪切力和弹性模量试验。弹性模量采用三点弯曲方法进行测试。同时充分利用该测试仪的优点，用压力与茎秆挠度耦合曲线的斜率代替弹性模量计算公式中加载载荷与茎秆挠度的比值，使试验的可靠性及可重复性得到提高。弹性模量试验结果表明，在一定范围内，茎秆弹性模量随茎秆含水率的升高而呈增大趋势。