基于力学特性的小麦生物量检测仪的研发

论文摘要

生物量是反映农作物生长状况的重要指标,对田间小麦生物量进行快速无损检测,在小麦育种及生产管理中具有重要意义。目前国内尚没有对农作物生物量的无损检测方法进行系统性的研究,在生物量检测仪器开发方面更是空白。本文在德国农业工程研究所设计的一种摆式生物量检测仪的基础上,首先分析了小麦在受外力作用时,作用力的大小、位置、方向与小麦茎秆形变的关系,借助压力传感器获取茎秆形变回弹力,建立回弹力与生物量之间的函数关系,从而实现间接预测生物量的目的。然后据此设计并研发了新的基于力学特性的小麦生物量检测仪。主要研究内容如下：首先,进行小麦生物力学特性分析,确定仪器设计方案及样机的研制。本研究以自然生长状态的小麦为分析对象,分析小麦茎秆的生物力学特性,通过小麦茎秆的弯折性能的力学指标（弹性模量、惯性矩、抗弯强度、抗弯刚度）来分析茎秆强度,并给出检测小麦生物量的测量原理。基于该测量原理进行小麦生物量检测仪的设计工作,关键设计部分主要包括传感器模块、数据采集模块以及各模块的支撑平台；借助UG三维实体建模软件进行多方案（导轨式、手持式）设计；基于检测仪器的测量稳定及直线运动等要求,最终确定最优方案,并研制出小麦生物量检测仪样机。其次,进行小麦生物量检测仪样机准确度的测定。采用YYD-1茎秆强度测定仪与样机测量系统进行对比,设计2种验证方案通过多次测量,得到样机测量系统具有较好的灵敏度、准确度,能够满足小麦茎秆活体测量的需求。最后,对小麦生物量检测仪样机进行小麦生物量田间检测实验。在小麦成熟期,利用样机测量系统,获取的小麦茎秆回弹力数据,比较回弹力的测量值与理论计算值之间的差异,结果表明样机测量数据曲线与理论曲线基本吻合,且通过分析同一小麦茎秆不同作用点处回弹力的差异,可反映出不同茎节处的机械强度；分析检测仪获取的茎秆回弹力数据与地上小麦生物量的相关度,得到0.86以上的相关度,即获取的回弹力越大,测量区域内的小麦生物量越大。由此可以说明使用该检测仪对田间小麦生物量的预测是可行的。本研究可为田间农作物生物量的获取提供智能、便携、低成本的生物量检测设备,生物量检测仪测试的数据也可为农作物茎秆收获机械的设计提供设计参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 国内外农作物生物量检测的研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 研究目的
• 第2章 小麦茎秆生物力学特性分析
• 2.1 农作物生物力学特性及评价指标
• 2.2 确定与小麦生物量关联程度较大的力学性能指标
• 2.2.1 灰色系统理论
• 2.2.2 指标的关联分析
• 2.2.3 验证结果
• 2.3 本章小结
• 第3章 小麦生物量检测仪的方案设计
• 3.1 基于小麦生物力学特性检测小麦生物量的基本原理
• 3.2 关键参数的确定
• 3.3 关键部件设备选型
• 3.3.1 传感器选型
• 3.3.2 驱动电机选型
• 3.3.3 机械结构部件材料选用
• 3.4 设计方案的确定
• 3.4.1 小麦活体无损检测仪的设计分析
• 3.4.2 实体三维建模技术
• 3.4.3 模型的建立
• 3.4.4 多种设计方案,确定最优方案
• 3.5 本章小结
• 第4章 小麦生物量检测仪样机研制及其性能准确度的测定
• 4.1 机械结构加工
• 4.2 数据采集系统
• 4.3 小麦生物量检测仪样机的实现
• 4.4 样机性能准确度的测定
• 4.4.1 实验测量装置的构建
• 4.4.2 系统准确度的验证
• 4.5 本章小结
• 第5章 小麦生物量检测仪的田间试验与分析
• 5.1 单株小麦茎秆机械强度的力学评价研究
• 5.1.1 小麦茎秆在横向受迫条件下的力学模型及力学分析
• 5.1.2 田间实验及结果分析
• 5.2 测量区域内小麦生物量检测试验
• 5.2.1 实验目的
• 5.2.2 田间实验及结果分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与建议
• 6.1 本文研究内容概述
• 6.2 结论
• 6.3 有待进一步研究的内容
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文及研究成果