用于监测生物质材料切面结构变化的装置的制作方法

1.本实用新型涉及植物检测技术领域，尤其涉及一种用于监测生物质材料切面结构变化的装置。


背景技术：

2.生物质材料在受到外界环境荷载时的力学响应十分复杂，这是由其组织结构和解剖特征决定的。生物质材料大多为非均质、不连续且具有各向异性的材料，在实际使用或生产加工中，容易受外力作用发生变形、破坏。材料科学研究发现，材料的强度与其微观结构有极密切的关系，从结构方面分析生物质材料在荷载作用下是如何和为何发生破坏的始终是一个重难点。关于生物质材料在各个方向上受力时的力学行为，早在20世纪50年代已有研究，大多使用光学显微镜观察受力破坏后材料切面的微观结构特征后逐渐发展为力学过程中的实时检测，如通过图像分析系统，实现了对受拉作用下木材早晚材结构的显微动态观测。但是现有通过对材料切面的图像分析来实现对受拉作用下木材早晚材结构的显微动态观测的方式，不能实时获取切面的图像，从而不能达到实时监测材料切面的结构变化的目的，比如在发明专利“维管束的检测方法及装置(授权公告号cn 109829879 b)”中，通过平板式影像扫描仪配合普通光学显微镜获取竹材横切面图像，再通过模型检测实现对横切面二维尺寸的准确测量及其内任一维管束的精准定位与形貌、尺寸测量。而对维管束进行定位检测的前提是竹材横切面图像的获取，由于检测模型数据库中的图像都来自于平板式影像扫描仪，因此实际检测时使用的图像也必须来自于扫描仪，这就使得通过该方法不能实时监测竹材横切面内维管束形貌、尺寸及坐标等的变化。
3.因此，如何解决现有用于检测生物质材料在各个方向上受力时的力学行为的装置或方式中不能实时监测生物质材料的结构信息变化的问题，是目前业界亟待解决的重要课题。


技术实现要素：

4.本实用新型提供一种用于监测生物质材料切面结构变化的装置，用以解决现有技术中用于检测生物质材料在各个方向上受力时的力学行为的装置或方式中不能实时监测生物质材料的结构信息变化的缺陷，通过普通光学显微镜结合ccd相机能够实时获取测试材料的切面的清晰图像，并通过监测装置的信息检测模块获取生物质材料切面的形貌、尺寸及其结构信息的形貌、尺寸和坐标的动态变化数据，实现了在载荷作用下对生物质材料的切面微观结构进行实时检测。
5.本实用新型提供一种用于监测生物质材料切面结构变化的装置，包括：
6.力学试验机，设置有用于挤压测试材料的压头；
7.光学显微镜，所述光学显微镜的镜头与所述测试材料的切面相对应设置；
8.ccd相机，与所述光学显微镜相连接，用于拍摄所述测试材料切面的图像；
9.监测装置，与所述ccd相机可通信地连接，所述监测装置设置有信息检测模块，所
述信息检测模块用于对所述图像中切面的结构信息进行检测，并获取所述图像中切面的形貌、尺寸及其结构信息的形貌、尺寸和坐标。
10.根据本实用新型提供的一种用于监测生物质材料切面结构变化的装置，所述压头靠近所述光学显微镜的镜头的一侧与所述测试材料的切面上下对齐。
11.根据本实用新型提供的一种用于监测生物质材料切面结构变化的装置，所述压头为矩形压头或方形压头。
12.根据本实用新型提供的一种用于监测生物质材料切面结构变化的装置，所述监测装置包括用于控制所述ccd相机的控制机箱和与所述控制机箱可通信连接的图像显示器，所述信息检测模块设置在所述控制机箱内。
13.根据本实用新型提供的一种用于监测生物质材料切面结构变化的装置，还包括用于固定所述光学显微镜和所述ccd相机的支架，所述支架上设置有用于固定所述光学显微镜的显微镜工作平台，所述显微镜工作平台靠近所述压头设置。
14.根据本实用新型提供的一种用于监测生物质材料切面结构变化的装置，所述支架包括底座和用于支撑所述显微镜工作平台的支撑竖杆，所述支撑竖杆与所述底座固定连接，且所述ccd相机设置在所述支撑竖杆上。
15.根据本实用新型提供的一种用于监测生物质材料切面结构变化的装置，所述监测装置与所述ccd相机通过数据传导线相连接。
16.根据本实用新型提供的一种用于监测生物质材料切面结构变化的装置，还包括用于对所述测试材料的切面砂光的砂光机。
17.根据本实用新型提供的一种用于监测生物质材料切面结构变化的装置，还包括用于对所述测试材料的切面刨削的切片机。
18.根据本实用新型提供的一种用于监测生物质材料切面结构变化的装置，所述支架还包括水平横杆，所述水平横杆固定连接在所述支撑竖杆的顶端，且所述显微镜工作平台位于所述水平横杆远离所述支撑竖杆的一端。
19.本实用新型提供的用于监测生物质材料切面结构变化的装置，通过普通光学显微镜结合ccd相机能够实时获取测试材料的切面的清晰图像，并通过监测装置的信息检测模块获取生物质材料切面的形貌、尺寸及其结构信息的形貌、尺寸和坐标的动态变化数据，实现了在载荷作用下对生物质材料的切面微观结构进行实时检测，有助于了解加工或实际应用过程中，外力因素对生物质材料的物理、力学性质产生影响的深层机理，从而为不同使用场景设计更合理的加工工艺提供依据。
附图说明
20.为了更清楚地说明本实用新型或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本实用新型提供的用于监测生物质材料切面结构变化的装置的结构示意图。
22.附图标记：
23.1：力学试验机；
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2：压头；
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3：显微镜工作平台；
24.4：底座；
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5：支撑竖杆；
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6：螺丝；
25.7：ccd相机；
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8：数据传导线；
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9：控制机箱；
26.10：图像显示器。
具体实施方式
27.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
28.下面结合图1描述本实用新型的用于监测生物质材料切面结构变化的装置，包括力学试验机1、光学显微镜、ccd相机7和监测装置。
29.其中，力学试验机1设置有压头2、以用于挤压测试材料。
30.光学显微镜的镜头与测试材料的切面相对应设置，以能够对测试材料的切面进行观察。
31.ccd相机7与光学显微镜相连接，并且ccd相机7用于拍摄测试材料切面的图像，即ccd相机7用于拍摄光学显微镜显示的测试材料切面的图像。
32.需要说明的是，ccd相机7的连拍帧速为2000帧每秒，在帧间能够持续进行自动对焦和自动曝光计算检测，ccd相机7的传感器能够在连拍期间不间断地跟踪目标对象，每秒可计算6000次对焦，以实现获取连续时间点位的测试材料切面的图像。
33.监测装置与ccd相机7可通信地连接，并且监测装置设置有信息检测模块，信息检测模块用于对图像中切面的结构信息进行检测，以获取图像中切面的形貌、尺寸及其结构信息的形貌、尺寸和坐标。通过获取每一张图像中切面的形貌、尺寸及其结构信息的形貌、尺寸和坐标，能够获取其动态变化数据。
34.如此设置，通过普通光学显微镜结合ccd相机7能够实时获取测试材料的切面的清晰图像，并通过监测装置的信息检测模块获取受力作用下生物质材料切面的形貌、尺寸及其结构信息的形貌、尺寸和坐标的动态变化数据，实现了在载荷作用下对生物质材料的切面微观结构进行实时检测，有助于了解加工或实际应用过程中，外力因素对生物质材料的物理、力学性质产生影响的深层机理，从而为不同使用场景设计更合理的加工工艺提供依据。
35.本实施例中，压头2靠近光学显微镜的镜头的一端与测试材料的切面上下对齐，即在放置测试材料时，使测试材料的切面与压头2靠近光学显微镜的镜头的一侧上下吻合对齐，以保证ccd相机7拍摄的切面图像完整，从而保证监测装置获取的数据精准。
36.优选地，压头2可以为矩形压头，或者可以为方形压头，以满足压头2的一侧与测试材料的切面上下吻合对齐的需求。
37.需要说明的是，该装置对测试材料的尺寸要求较低，符合力学试验机的样品尺寸要求即可，甚至可对大尺寸圆竹、圆木进行实验。
38.本实施例中，该装置还包括支架、以用于固定光学显微镜和ccd相机7，并且，支架
上设置有用于固定光学显微镜的显微镜工作平台3，显微镜工作平台3靠近压头2设置，以便于光学显微镜对测试材料的切面进行观察。
39.其中，支架包括底座4和支撑竖杆5，支撑竖杆5用于支撑显微镜工作平台3，并且支撑竖杆5与底座4固定连接，以使支架固定在桌面或地面等平台上。
40.这里，ccd相机7设置在支撑竖杆5上，以便于与监测装置相连接。
41.支架还包括水平横杆，水平横杆通过螺丝6固定安装在支撑竖杆5的顶端，显微镜工作平台3固定设置在水平横杆远离支撑竖杆5的一端。
42.本实施例中，监测装置与ccd相机7通过数据传导线8相连接，以便于ccd相机7将拍摄的图像传输给监测装置。
43.具体地，监测装置包括控制机箱9和图像显示器10，控制机箱9用于控制ccd相机7，以控制ccd相机7的拍摄，信息检测模块设置在控制机箱9内，并且控制机箱9与图像显示器10可通信地连接，以能够将信息检测模块获取的测试材料的切面的信息显示出来，从而得出受力作用下生物质材料切面的形貌、尺寸及其结构信息的形貌、尺寸和坐标的动态变化数据。
44.其中，控制机箱9还设置有分析模块，分析模块用于将每相邻的两组图像的测试材料切面的相关数据进行连续分析，以获得实时检测其变化的效果，并且待测试完成后通过以上数据便可绘制出载荷-变形曲线、微观结构变形图像，两者均与时间相关联。该分析模块与图像显示器10可通信地连接，以使图像显示器10将载荷-变形曲线、微观结构变形图像显示出来。
45.本实施例中，该装置还可以包括用于对测试材料的切面砂光的砂光机，砂光机使用的砂纸的目数大于300目，不仅可以准确分辨出纤维鞘和薄壁细胞的分界线，而且可以使砂光产生的粉尘填充维管束中导管等孔状组织，避免了导管孔对纤维鞘面积计算的干扰。使ccd相机7可以快速拍摄到测试材料切面图像，不仅方便快捷、所得信息也更全面准确。
46.本实施例中，该装置还可以包括用于对测试材料的切面刨削的切片机，切片机采用的刀片可以为leica刀片，以保证测试材料的管孔或细胞的形貌结构完整且边界清晰。
47.本用于监测生物质材料切面结构变化的装置对测试材料的切面结构信息的检测方式如下：
48.首先，将待测试材料加工成预设尺寸或保持原状后，对待测试材料的切面进行砂光或刨削处理，使测试材料的切面结构清晰可见；
49.然后，将测试材料放置在力学试验机1的压头2下，并使测试材料的切面与压头2靠近光学显微镜镜头的一侧上下对齐；
50.测试材料放置妥当以后，先用特别训练的生物质材料切面结构信息的识别模型对原始材料特征结构进行识别并进行光线、角度等调整，随后开始力学测试，通过软件的实时成像监测不同受力情况下测试材料切面特征结构的变化。
51.上述实时成像是通过ccd相机7高速连拍获取连续时间点位的测试材料切面的图像。
52.其中，模型样本的制备：若研究竹材、藤材等材料切面上的维管束，对于样本的制备需通过微型砂光机配合300目以上的砂纸进行切面砂光，使砂光产生的粉尘填充维管束中的导管等孔状组织；若研究木材切面上的管孔或是薄壁细胞等，对于样本的制备需用超
薄切片机配合leica刀片进行切面刨削，以保证管孔或细胞的形貌结构完整且边界清晰。训练数据集的获取：通过普通光学显微镜结合ccd相机拍摄包含维管束或管孔或薄壁细胞等不同结构信息的切面图像若干张。然后参照发明专利“维管束的检测方法及装置(授权公告号cn109829879b)”中叙述的目标检测对象的标注方法以及训练方法，构建生物质材料切面结构信息的识别模型。
53.具体地，若研究木材切面上的管孔或是薄壁细胞时，利用迁移学习来学习管维束的训练方法，并参照发明专利“维管束的检测方法及装置(授权公告号cn 109829879 b)”的检测方法来获得每一张图像中切面的形貌、尺寸及其内部结构信息的形貌、尺寸和坐标。
54.迁移学习(transfer learning)：就是指利用已经训练好的开源网络模型比如常见的vgg系列、resnet系列、googlenet系列、mobilenet等，利用这些网络和其已经在其他大型数据集上训练好的权重参数，将自己的任务数据集在这些迁移过来的网络上进行训练或者微调。
55.上述对力学测试过程中的材料切面结构变化进行实时监测的方法可进一步推导至对材料力学性能及其结构的研究中实现应用。
56.本用于监测生物质材料切面结构变化的装置通过特定的力学测试压头、光学显微镜和ccd相机以及生物质材料切面结构信息的识别模型成功实现了对材料切面结构的清晰识别，实现了力学测试过程中对测试样品横切面形貌、尺寸及其重要结构单元(竹材、藤材等的维管束，木材的管孔、薄壁细胞等)的形貌、尺寸、坐标的实时监测，从而深入挖掘在荷载作用下发生宏观破坏时的结构变化机理。
57.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
58.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
59.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。