一种树木年轮检测装置及其检测方法

本发明涉及林业技术领域，特别是一种树木年轮检测装置及其检测方法。

背景技术：

传统的树木年轮特征提取方法需要先获得树木年轮圆盘或者通过生长锥钻取树木木芯，然后通过人工处理的办法获取年轮特征数据。这些树木年轮特征提取方法操作繁琐，对树木伤害较大，并且特征提取效率较低。

目前国际上使用的最先进的树木阻抗仪器是英国sibtec公司生产的digitalmicroprobe系列树木阻抗仪，该仪器可以对大多数树木进行微损测量，并对内部特征进行全面分析，仪器轻巧，易于携带，使用的分析软件强大，可以根据不同的树木自动的调节钻木探针钻取的速度，测量精度较高。

现有技术中的测量装置在测量时存在以下问题：首先，市面上现有的仪器均为国外研发，价格昂贵；其次，这些树木阻抗仪器大多用来进行树木有无损伤检测，很少用来进行年轮特征提取，而年轮特征提取是树木年轮学一个重要的环节，对于气候学、环境学都有着重要的贡献。

技术实现要素：

如何快速获得能够反映树木年轮特征的数据，并且操作简单，根据这些数据如何分析出树木年轮特征。

本发明针对上述问题，公开了一种树木年轮检测装置及其检测方法。

具体的技术方案如下：

一种树木年轮检测装置，其特征在于，包括数据采集模块、测控单元模块、数据存储模块、数据处理模块和供电模块；

所述的供电模块与测控单元模块交互，并经由测控单元模块向数据采集模块、数据存储模块和数据处理模块供电；

所述的数据采集模块与测控单元模块交互，传递采集的数据；

所述的数据处理模块与测控单元模块交互，并经由测控单元模块获取数据采集模块采集的数据，进行数据处理；

所述的数据存储模块与测控单元模块交互，并经由测控单元模块获取数据处理模块处理后的数据，并存储。

上述的一种树木年轮检测装置，其中，所述数据采集模块、测控单元模块、数据存储模块以及数据处理模块和供电模块整合装设于壳体内，所述数据采集模块包括钻木探针、旋转机构以及推进机构；

所述推进机构包括推进电机、推进丝杆、导向滑杆和移动座，所述推进电机固定设置于壳体，所述推进丝杆与推进电机同轴设置，其一端通过第一轴承座与壳体转动连接，另一端与推进电机的输出轴固定相连，所述导向滑杆与壳体固定连接，对称设置于推进丝杆的两侧，并与推进丝杆平行，所述移动座装设于推进丝杆上，其下端固定设置有滚珠螺套，其两端与导向滑杆间隙配合，滚珠螺套与推进丝杆对应配合；

所述旋转机构包括旋转电机、联轴器、传动杆和第二轴承座，所述旋转电机和第二轴承座固定设置于移动座上，旋转电机的轴向与推进丝杆的轴向平行，其输出轴与联轴器相连，并经由联轴器与传动杆连接，所述传动杆与第二轴承座转动连接，且其轴向与进丝杆的轴向平行；

所述钻木探针的一端与传动杆固定连接，另一端自壳体的一侧探出；钻木探针由旋转机构控制旋转，由推进机构控制移动。

上述的一种树木年轮检测装置，其中，所述数据采集模块包括采样电阻，所述采样电阻与旋转电机并联，所述数据处理模块包括椭圆滤波器。

上述的一种树木年轮检测装置，其中，所述数据存储模块包括sd卡，所述供电模块包括蓄电池。

上述的一种树木年轮检测装置，其中，优选的，所述旋转电机为akm2g系列直流伺服电机，所述推进电机为powermaxii系列推进电机，测控单元模块由tmss320f2812主控芯片控制，供电模块由lm2575s-adj电源管理芯片控制。

上述的一种树木年轮检测装置，其中，所述钻木探针的顶部为尖端，整体呈扁平型。

上述的一种树木年轮检测装置，其中，所述钻木探针的尖端自壳体一侧的检测口探出，所述检测口处设置稳定套，所述稳定套的外端与检测口通过轴承转动连接，其轴向开孔，并与钻木探针间隙配合；

检测口所处的壳体的一端设置有用于连接壳体和林木的紧固器。

一种树木年轮检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

s1、选取合适胸径的林木，进行树木年轮检测；将探针顶部对准林木中心方向，并启动检测装置，此时，钻木探针在推进机构和旋转机构控制下，匀速向林木方向移动并转动，钻入林木内，直至钻木探针从林木的另一端钻出，最后，旋转机构停止工作，推进机构反向工作，直至钻木探针复位；

s2、由于林木早材跟晚材的密度差异关系，在钻木探针钻入林木的过程中，其顶部所受阻力会产生差异，导致旋转电机工作电压发生变化，采样电阻周期性感应并采集旋转电机工作时的电压数据，后经数据处理模块滤波处理后，得到能够反映年轮特征信息的平滑频率信号，该平滑频率信号即为林木的年轮特征数据；

s3、处理后的所述年轮特征数据存储于数据存储模块中，年轮特征数据呈现为波形，波峰与波谷即表示每一个年轮的边界，测控单元模块调取存储于数据存储模块中的年轮特征数据，进行计算分析，计算出波峰或者波谷的个数，并根据相邻波峰或者波谷间的个数以及推进电机的前进速率，即可分析得到林木的年轮宽度。

上述的一种树木年轮检测装置的检测方法，其中，步骤s2中，设定：推进电机的推进速率为1mm/s，采样电阻的采样周期为10ms。

上述的一种树木年轮检测装置的检测方法，其中，步骤s2中，数据处理模块通过椭圆滤波器对电压数据进行滤波处理；

所述椭圆滤波器的椭圆滤波函数的振幅平方函数为：

式中，un(x)为n阶雅可比椭圆函数，ωp给定，两个参数分别为ε和n[62-63]；

按照滤波要求，进行滤波参数设置；

设定：采样频率fs为100hz，为得到年轮特征数据明显的信号，设置滤波参数如下：

ωp＝2/fshz；

ωs＝3/fshz；

αs＝1db；

αp＝40db。

本发明的有益效果为：

本发明公开的一种树木年轮检测装置，包括数据采集模块、测控单元模块、数据存储模块以及数据处理模块和供电模块，数据采集模块包括钻木探针、旋转机构以及推进机构，推进机构包括推进电机、推进丝杆、导向滑杆和移动座，旋转机构包括旋转电机、联轴器、传动杆和第二轴承座，检测装置结构简单，设计合理，基于该检测装置进行林木年轮检测的检测方法快捷有效，可高效准确的实现相关数据的采集，完成树木年轮信息的检测，且大幅度降低了对林木的损伤，为气候学、环境学作出了显著贡献，同时，检测效率高。

附图说明

图1为本发明的树木年轮检测装置示意图。

图2为本发明的树木年轮检测装置示截面图。

图3为实施例三中，本发明的树木年轮检测装置示意图。

图4为本发明原理图。

图5为本发明流程图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案更加清晰明确，下面结合实施例对本发明进行进一步描述，任何对本发明技术方案的技术特征进行等价替换和常规推理得出的方案均落入本发明保护范围。

实施例一

本实施例公开的一种树木年轮检测装置，其特征在于，包括数据采集模块、测控单元模块、数据存储模块以及数据处理模块和供电模块；

所述的供电模块与测控单元模块交互，并经由测控单元模块向数据采集模块、数据存储模块和数据处理模块供电；

所述的数据采集模块与测控单元模块交互，传递采集的数据；

所述的数据处理模块与测控单元模块交互，并经由测控单元模块获取数据采集模块采集的数据，进行数据处理；

所述的数据存储模块与测控单元模块交互，并经由测控单元模块获取数据处理模块处理后的数据，并存储。

实施例二

本实施例公开的一种树木年轮检测装置，其中，所述数据采集模块、测控单元模块、数据存储模块。数据处理模块和供电模块21整合装设于壳体1内，其中，数据采集模块、测控单元模块、数据存储模块和数据处理模块设置于壳体1内的电路板模块盒20中；

所述数据采集模块包括钻木探针2、旋转机构以及推进机构；

所述推进机构包括推进电机3、推进丝杆4、导向滑杆5和移动座6，所述推进电机3固定设置于壳体1，所述推进丝杆4与推进电机3同轴设置，其一端通过第一轴承座7与壳体1转动连接，另一端与推进电机3的输出轴固定相连，所述导向滑杆5与壳体1固定连接，对称设置于推进丝杆4的两侧，并与推进丝杆4平行，所述移动座6装设于推进丝杆4上，其下端固定设置有滚珠螺套8，其两端与导向滑杆5间隙配合，滚珠螺套8与推进丝杆4对应配合；

所述旋转机构包括旋转电机9、联轴器10、传动杆11和第二轴承座12，所述旋转电机9和第二轴承座12固定设置于移动座6上，旋转电机9的轴向与推进丝杆4的轴向平行，其输出轴与联轴器10相连，并经由联轴器10与传动杆11连接，所述传动杆11与第二轴承座12转动连接，且其轴向与进丝杆的轴向平行；

所述钻木探针2的一端与传动杆11固定连接，另一端自壳体1的一侧探出；钻木探针2由旋转机构控制旋转，由推进机构控制移动；

其中，所述数据采集模块包括采样电阻，所述采样电阻与旋转电机9并联，感应并采集旋转电机9工作时的电压数据；所述数据处理模块包括椭圆滤波器，用于电压数据的滤波处理，所述数据存储模块包括sd卡，所述供电模块21包括蓄电池，所述旋转电机9为akm2g系列直流伺服电机，所述推进电机3为powermaxii系列推进电机3，测控单元模块由tmss320f2812主控芯片控制，供电模块21由lm2575s-adj电源管理芯片控制，提供3.3v、5v、12v和15v多种电压输出功能和高效率电源管理功能；

本实施例公开的数据采集模块通过钻木探针进行林木的年轮检测，钻木探针通过推进机构进行推进，向林木方向运动，通过旋转机构旋转，钻入林木内，进而进行相关数据的采集；

为便于钻木探针钻入林木中，所述钻木探针2的顶部为尖端，整体呈扁平型，直径采用1mm，适用于5-20cm直径的林木年轮检测；根据林木品种(林木木质密度)和直径大小，可适当进行钻木探针的调换。

实施例三

本实施例的一种树木年轮检测装置，其中，所述钻木探针2的尖端自壳体1一侧的检测口13探出，所述检测口13处设置稳定套14，所述稳定套14的外端与检测口13通过轴承19转动连接，其轴向开孔，并与钻木探针2间隙配合；

其功能特点在于，可大幅度保证钻木探针在钻入林木时的稳定性，防止钻木探针弯折或折断，同时，当钻木探针旋转时，稳定套同步转动，可有效稳定钻木探针轴向，提升检测精度；

而且，于检测口13所处的壳体1的一端设置用于连接壳体1和林木的紧固器15，该紧固器15为可收紧的紧固扎带，通过紧固器15，可将检测装置与待测的林木稳定相连，无需手动将检测装置抵压在林木上，而且还提高了检测的稳定性。

同时，为便于操作检测装置，壳体1的后端连接有把手16，所述把手16上装设有用于控制检测装置开关和调节推进电机3转速的多档位开关17，壳体1的侧面上设置有用于调节旋转电机9转速的旋钮开关18。

实施例四

基于上述实施例，本实施例公开了一种树木年轮检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

s1、选取合适胸径的林木，进行树木年轮检测；将探针顶部对准林木中心方向，并启动检测装置，此时，钻木探针2在推进机构和旋转机构控制下，匀速向林木方向移动并转动，钻入林木内，直至钻木探针2从林木的另一端钻出，最后，旋转机构停止工作，推进机构反向工作，直至钻木探针2复位；

s2、由于林木早材跟晚材的密度差异关系，在钻木探针2钻入林木的过程中，其顶部所受阻力会产生差异，导致旋转电机9工作电压发生变化，采样电阻周期性感应并采集旋转电机9工作时的电压数据，后经数据处理模块滤波处理后，得到能够反映年轮特征信息的平滑频率信号，该平滑频率信号即为林木的年轮特征数据；

s3、处理后的所述年轮特征数据存储于数据存储模块中，年轮特征数据呈现为波形，波峰与波谷即表示每一个年轮的边界，测控单元模块调取存储于数据存储模块中的年轮特征数据，进行计算分析，计算出波峰或者波谷的个数，并根据相邻波峰或者波谷间的个数以及推进电机3的前进速率，即可分析得到林木的年轮宽度；

其中，步骤s2中，设定：推进电机3的推进速率为1mm/s，采样电阻的采样周期为10ms；

其中，步骤s2中，数据处理模块通过椭圆滤波器对电压数据进行滤波处理；

所述椭圆滤波器的椭圆滤波函数的振幅平方函数为：

式中，un(x)为n阶雅可比椭圆函数，ωp给定，两个参数分别为ε和n[62-63]；

按照滤波要求，进行滤波参数设置；

设定：采样频率fs为100hz，为得到年轮特征数据明显的信号，设置滤波参数如下：

ωp＝2/fshz；

ωs＝3/fshz；

αs＝1db；

αp＝40db；

通过本实施例方案，可高效准确的实现相关数据的采集，完成树木年轮信息的检测，且大幅度降低了对林木的损伤(基本相当于无损伤检测)，为气候学、环境学作出了显著贡献，同时，检测效率高，一次林木年轮信息的采集检测，基本在几分钟内即可完成。

实施例五

基于上述实施例，本实施例公开的一种树木年轮检测装置，其中，所述壳体1上设置有用于年轮特征数据展示的显示器，且，集成有语音播报模块，用于年轮特征数据播报。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。