叶片厚度仪原理误差的研究

　　植物体内水分的精确测量是一个难题.近代植物水分生理学的理论表明,植物体内的水分状况可以通过器官几何尺寸变化来反映,这一理论为检测植物水分、挖掘节水潜力提供了重要的理论支持[123,6].为此,研究人员根据这一理论,研制了植物叶片厚度测量仪[4,5],可形成植物水分动态测量传感器,也可以用该技术构成新型高效节水灌溉系统的核心环节,为建设循环经济和节约型社会提供一种切实可行的技术.

　　本文作者研制了两种叶片厚度仪,一种仪器的传感部分采用了电阻应变式转换原理,具有结构简单、成本低廉、测量精度较高等优点;另一种仪器则是采用了差动电感式转换原理,具有测量精度高的特点,其成本也较高.这两种类型的仪器由于结构方面的原因,测头的机械结构中采用了正弦机构或准正弦机构,使仪器具有非线性的特性,而仪器的刻度(这里是A/D转换器)是采用线性模型,出现了原理误差.本文以电阻应变式叶片测量仪为例对该仪器的原理误差进了较详细的分析与研究.

　　1　电阻应变式叶厚仪的原理

　　电阻应变式测量原理属于常规技术,在普通的传感器教科书中都有介绍,常见于力值测量仪器中,很少见到用于长度测量方面.笔者将该原理引入小尺度长度测量中,是该原理的新应用[7].图1示出的是基于该技术的叶厚仪原理框图.值得说明的是图1所示的信号拾取部分是将位移转换成应变的关键环节,即被测叶片厚度的变化使弹性片变形,引起应变片产生应变的输出值就体现为位移的变化信号.为简化电路及提高可靠性,调制解调转换电路采用了一种特殊的单片式集成电路芯片,可有效地使仪器的体积减小、功耗降低.

　　2　原理误差分析

　　2.1　测头机构的传动方程

　　这里对仪器测头部分的原理误差进行分析,为使分析过程简单,将球测头机构简化成图2所示的机构,图2中设测球的半径为r,测球的弦高为h,被测位为s,臂长为l,则有测头上A点在垂直方向的位移

　　由式(2)可见,该机构的传动方程比典型的正弦机构的函数式多出一个误差项(若仪器采用式(1)的测量原理,则为典型的正弦机构).因此,可以将式(2)所示的测量原理称为改进型的正弦机构,由于多出一个误差项,所以,其原理误差比正弦机构还要大些.

　　而目前的仪器在刻度时无法采用同实际特性完全一致的模型,基本是以线性函数作为理论特性方程:

　　可见,理论特性与实际特性之间的不一致就形成仪器的原理误差(属于系统误差),关系式为

　　2.2　原理误差分析

　　由式(2)可知,若选取测头弦高h=r,即测头为半球时,第二项原理误差就不存在了.这个结论成为重要设计依据,也可以作为参数设计原则来考虑.这里对一般情况下,即h≠r的原理误差进分析.