專利名稱：一種微機(jī)控制的沉水植物材料力學(xué)自動測定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及沉水植物機(jī) 械性能監(jiān)測技木，尤其涉及ー種微機(jī)控制的沉水植物材料力學(xué)自動測定裝置，適用于沉水植物根、莖、葉柄的拉伸和彎曲性能的測定。
背景技術(shù)：
水生態(tài)系統(tǒng)中的沉水植物無時無處地受到有很多機(jī)械脅迫，如水流的拖曳、波浪、船舶、食草鳥類和魚類攝食等(Vogel, 1981 ;Brewer&Parker, 1990)。這些機(jī)械脅迫會對大型淡水植物造成機(jī)械損傷甚至連根拔起(Dawson&Robinson, 1984 ；Usherwood, 1997 ；Ennos&Ball, 1997)。大多沉水植物具有柔軟的枝條可以隨波擺動(Koehl，1984)，當(dāng)有外力作用于沉水植物時，其莖很易彎曲(Usherwood et al，1997)以使外力和莖平行；但當(dāng)外力超過植株的變形能力，植株就會斷裂(Schutten et al，2005)。最終影響植物的生長、生物量、分布、群落組成等(e. g. Eriksson et al, 2004 ；Keddy, 1982),進(jìn)而影響沉水植物在水生態(tài)系統(tǒng)中的重要作用，如光合作用，食物，避難所等。許多研究表明，植物的機(jī)械性能對維持植物的生長、分布、繁殖等具有重要作用。目前，國內(nèi)還鮮見對沉水植物機(jī)械性能測定的報道(Zhu et al. ,2012)，國際對沉水植物莖機(jī)械性能的測定裝置主要有兩種方式一、簡易式的，如彈簧秤或簡易裝置(Schutten et al, 2005 ；Coop&Van derVelde)。優(yōu)點(diǎn)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，輕便易攜帯；缺點(diǎn)非自動化操作且沒有電腦輸出顯示，人為誤差較大使得數(shù)據(jù)不精確，測定指標(biāo)較少，不能測定拉伸率及繪制拉力-拉伸曲線；ニ、專業(yè)的電子儀器,如德國Zwick/Roell集團(tuán)的測カ儀(Z020) (Bociag et al,2009)、美國英斯特朗的萬能測カ儀(Model 1125，Model 4301) (Brewer& Parker, 1990 ；Usherwood et al, 1997)和英國 Hounsfield Test Equipment Ltd 公司的測カ儀(ModelH10K-T) (Miller et al，2011)。優(yōu)點(diǎn)自動化操作并有數(shù)顯屏避免人為誤差對測試結(jié)果的影響，測定指標(biāo)齊全；缺點(diǎn)價位高，笨重不易攜帯，從而不能實(shí)時測定野外樣品，從而降低樣品的時效性和準(zhǔn)確性。為更實(shí)時準(zhǔn)確地得到水生態(tài)系統(tǒng)中(湖泊、河流以及水庫等)沉水植物機(jī)械性能特征，發(fā)明ー種測量準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)且輕便易攜帯的沉水植物材料力學(xué)自動測定裝置迫在眉睫。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，提供了ー種微機(jī)控制的沉水植物材料力學(xué)自動測定裝置本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一、微機(jī)控制的沉水植物材料力學(xué)自動測定裝置(簡稱測定裝置)本測定裝置由設(shè)置在機(jī)架上的輕柔夾具、夾持器、驅(qū)動部分、滾珠絲桿、滾珠螺母、軌道、微機(jī)控制部分、電源和光電編碼器組成；夾具包括第一輕柔夾具、第二輕柔夾具、第三輕柔夾具和彎曲壓頭；[0012]夾持器包括上夾持器和下夾持器；驅(qū)動部分包括相互連接的步進(jìn)電機(jī)和減速機(jī)；微機(jī)控制部分包括測カ傳感器、微控制器、顯示器和鍵盤；其位置和連接關(guān)系是在機(jī)架上，軌道垂直設(shè)置，在軌道的上部設(shè)置有相互連接的測カ傳感器和上夾持器，在軌道的下部設(shè)置有下夾持器；光電編碼器和下夾持器與套在滾珠絲桿上的滾珠螺母連接；滾珠絲桿、減速機(jī)、步進(jìn)電機(jī)依次連接；上夾持器與第一輕柔夾具連接(供拉伸測定)，或上夾持器、第一輕柔夾具和彎曲壓頭依次連接(供彎曲測定)；下夾持器與第二輕柔夾具或第三輕柔夾具連接(供拉伸測定)，下夾持器分別與第二輕柔夾具和第三輕柔夾具連接(供彎曲測定)；第一輕柔夾具、第二輕柔夾具和第三輕柔夾具夾持沉水植物材料，彎曲壓頭垂直壓迫沉水植物材料；步進(jìn)電機(jī)、光電編碼器、傳感器、顯示器和操作鍵盤分別與微控制器連接。ニ、基于微機(jī)控制的沉水植物材料力學(xué)測定裝置的測定方法(簡稱測定方法)本測定方法包括下列步驟①接通電源，開機(jī),預(yù)熱5min ；②通過操作鍵盤，選擇測定程序拉伸測定或彎曲測定；③設(shè)置起始值、運(yùn)動速度、測定組數(shù)、次數(shù)和時間等參數(shù)；④將準(zhǔn)備好的沉水植物材料通過輕柔夾具夾持拉伸測定時，第一夾具和第二夾具分別夾持呈垂直方向的沉水植物材料的上下兩端，夾距S為30mm ；彎曲測定時，上夾持器加持固定彎曲壓頭，第二夾具和第三夾具分別夾持呈水平方向的沉水植物材料的左右兩端，夾距S為30mm ；⑤在操作鍵盤里選擇“校正”鍵，清零；⑥在操作鍵盤里選擇“測定”鍵，測定沉水植物材料；⑦測定過程拉伸測定時，平行作用于沉水植物材料的作用力F，在起始值基礎(chǔ)上不斷増加，下夾持器以80_ mirT1的運(yùn)動速度向下運(yùn)動,拉伸沉水植物材料,直至沉水植物材料斷裂；彎曲測定時，確保彎曲壓頭垂直壓迫于沉水植物材料中間位置，產(chǎn)生作用力F F1在起始值基礎(chǔ)上不斷增加,下夾持器以80mm mirT1的運(yùn)動速度向上運(yùn)動,使得彎曲壓頭向下壓迫沉水植物材料，直至沉水植物材料斷裂；F2為恒定作用力IN，下夾持器以80mm mirT1的運(yùn)動速度向上運(yùn)動，使得彎曲壓頭接觸井向下壓迫沉水植物材料，當(dāng)作用力值達(dá)到IN即自動停止増加，并以INカ值持續(xù)壓迫沉水植物材料30s后自動停止；⑧當(dāng)測定裝置自動完成測定程序后，自動將測定過程中的最大カ值、拉伸長度及應(yīng)カ-拉伸長度圖在顯示器上顯示出來并保存；⑨取下斷裂后的沉水植物材料；⑩清潔輕柔夾具和機(jī)架。[0040]本實(shí)用新型具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果①顯示直觀；②操作方便；③數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；④大量存貯測試數(shù)據(jù)；⑤經(jīng)濟(jì)且易攜帯(總重為20kg)，方便野外樣品的迅速處理。適用于沉水植物根、莖、葉柄的拉伸和彎曲性能的測定。
圖I是本測定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2. I是輕柔夾具的結(jié)構(gòu)主視圖；圖2. 2是輕柔夾具的結(jié)構(gòu)左視圖；圖3. I是彎曲壓頭的結(jié)構(gòu)主視圖；圖3. 2是彎曲壓頭的結(jié)構(gòu)左視圖；圖4. I是下夾持器的結(jié)構(gòu)主視圖；圖4. 2是下夾持器的結(jié)構(gòu)左視圖；圖5. I是拉伸測定方法示意圖；圖5. 2是彎曲測定方法示意圖；圖6是本測定方法的工作流程圖。圖中00-沉水植物材料；10-夾具，11-第一輕柔夾具，12-第二輕柔夾具，13-第三輕柔夾具，14-彎曲壓頭；20-夾持器，21-上夾持器，22-下夾持器，221-后夾板，222-前夾板，223-標(biāo)尺，224-堅(jiān)固件，225-安裝孔；30-驅(qū)動部分，31-步進(jìn)電機(jī)，32-減速機(jī)；41-滾珠絲桿，42-滾珠螺母；50-軌道；60-微機(jī)控制部分，61-測カ傳感器，62-微控制器(PLC)，63-顯示器，64-鍵盤；70-電源；80-機(jī)架；90-光電編碼器；S-夾距；F-作用力。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明一、測定裝置I、總體如圖I，本測定裝置由設(shè)置在機(jī)架80上的輕柔夾具10、夾持器20、驅(qū)動部分30、滾珠絲桿41、滾珠螺母42、軌道50、微機(jī)控制部分60、電源70和光電編碼器90組成； 輕柔夾具10包括第一輕柔夾具11、第二輕柔夾具12、第三輕柔夾具13和彎曲壓頭14 ；夾持器20包括上夾持器21和下夾持器22 ；驅(qū)動部分30包括相互連接的步進(jìn)電機(jī)31和減速機(jī)32 ；微機(jī)控制部分60包括測カ傳感器61、微控制器62、顯示器63和鍵盤64 ；其位直和連接關(guān)系是在機(jī)架80上，軌道50垂直設(shè)置，在軌道50的上部設(shè)置有相互連接的測カ傳感器61和上夾持器21，在軌道50的下部設(shè)置有下夾持器22 ；光電編碼器90和下夾持器22與套在滾珠絲桿41上的滾珠螺母42連接；滾珠絲桿41、減速機(jī)32、步進(jìn)電機(jī)31依次連接；上夾持器21與第一輕柔夾具11連接(供拉伸測定)，或上夾持器21、第一輕柔夾具11和彎曲壓頭14依次連接(供彎曲測定)；下夾持器22與第二輕柔夾具12或第三輕柔夾具13連接(供拉伸測定)，下夾持器22分別與第二輕柔夾具12和第三輕柔夾具13連接(供彎曲測定)；第一輕柔夾具11、第二輕柔夾具12和第三輕柔夾具13夾持沉水植物材料00，彎曲壓頭14垂直壓迫沉水植物材料00 ；步進(jìn)電機(jī)31、光電編碼器90、測カ傳感器61、顯示器63和操作鍵盤64分別與微控制器62連接。本測定裝置的工作原理是驅(qū)動部分30采用步進(jìn)電機(jī)31作為動カ源，滾珠絲桿41作為執(zhí)行部件。由步進(jìn)電機(jī)31驅(qū)動減速機(jī)32，動カ傳動滾珠絲桿41帶動滾珠螺母42上下移動，從而實(shí)現(xiàn)下夾持器22的上下運(yùn)行；步進(jìn)電機(jī)31的轉(zhuǎn)速由微控制器62輸入的脈沖頻率決定，進(jìn)而決定下夾持器22的運(yùn)動速度；而輸入的脈沖信號與下夾持器22的伸長計(jì)數(shù)信號是完全同步的，從而確保了測量的準(zhǔn)確度。通過下夾持器22的上下運(yùn)行實(shí)現(xiàn)對沉水植物材料00拉伸或彎曲壓迫的加荷，該負(fù)荷經(jīng)測カ傳感器61產(chǎn)生電信號被輸入到微控制器62 ;同時下夾持器22向上或向下運(yùn)動所產(chǎn)生的位移，由與之相連的光電編碼器90轉(zhuǎn)化成位移脈沖信號，也被輸入到微控制器62 ;兩者經(jīng)微控制器62控制調(diào)整后將載荷值、位移值以及測量過程中的載荷值-位移值的動態(tài)曲線在顯示器63上顯示出來。2、功能部件I)輕柔夾具10如圖1，輕柔夾具10包括第一輕柔夾具11、第二輕柔夾具12和第三輕柔夾具13和彎曲壓頭14 ；輕柔夾具10由金屬夾具及其包裹在金屬夾具外層的柔軟塑膠組成，如圖2. I和圖2. 2 ;其功能是產(chǎn)生ー種固定夾持沉水植物材料00的力，柔軟塑膠保護(hù)沉水植物材料00不受損傷。[0100]彎曲壓頭14由金屬柄和光滑的硬塑膠圓柱組成，如圖3. I和圖3. 2 ;其功能是在三點(diǎn)彎曲測定中施加作用力F于沉水植物材料00中間位置，即O. 5S。2)夾持器 20如圖1，夾持器20包括上夾持器21和下夾持器22 ；上夾持器21是ー種常用部件，其功能是固定第一輕柔夾具11，并將沉水植物材料00受カ情況傳給測カ傳感器61 ；如圖4. I和圖4. 2，下夾持器22由T字形的后夾板221、長方形的前夾板222和堅(jiān)固件224組成，在前夾板222上方設(shè)置有標(biāo)尺223，在后夾板221的下方設(shè)置有安裝孔225。第二輕柔夾具12和第三輕柔夾具13置于后夾板221和前夾板222之間，通過堅(jiān)固件224固定，第二輕柔夾具12和第三輕柔夾具13之間的夾距S通過標(biāo)尺223讀取。3)驅(qū)動部分30如圖I，驅(qū)動部分30由前后連接的步進(jìn)電機(jī)31和減速機(jī)32組成；其功能是通過滾珠絲桿41帶動滾珠螺母42，使與滾珠螺母42相互連接的下夾持器22和光電編碼器90向上或向下運(yùn)動。步進(jìn)電機(jī)31是常用的將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，可選用型號 PCB-BYXX011D498A。減速機(jī)32是ー種常用的驅(qū)動高效減速機(jī)。4)滾珠絲桿41、滾珠螺母42如圖I，滾珠絲桿41是ー種常用的螺旋部件，和滾珠螺母42配套使用；滾珠絲桿41、減速機(jī)32、步進(jìn)電機(jī)31依次連接，滾珠螺母42套在滾珠絲桿41上；其功能是步進(jìn)電機(jī)31驅(qū)動減速機(jī)32，動カ傳動滾珠絲桿41，帶動滾珠螺母42及和滾珠螺母42連接的下夾持器22和光電編碼器90向上或向下運(yùn)動。5)軌道 50如圖1，軌道50是ー種垂直的軌道；其功能是給下夾持器22提供上下運(yùn)動的軌道。6)微機(jī)控制部分60如圖1，微機(jī)控制部分60由與上夾持器21連接的測カ傳感器61及微控制器62、顯示器63和操作鍵盤64組成；測カ傳感器61、顯示器63和操作鍵盤64分別與微處理器62連接。①測カ傳感器61是ー種常用的高精度電阻應(yīng)變式負(fù)荷傳感器，選用量程5kg，型號J212642，很適合沉水植物材料00的機(jī)械力學(xué)范圍(0-30N)，精確到O. OlN ；其功能是將沉水植物材料00所受負(fù)荷值轉(zhuǎn)換成電信號傳輸?shù)轿⒖刂破?2。②微控制器62是ー種常用的部件，此部件以32位微處理器為核心，由運(yùn)算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、接ロ電路、編程器和主存儲器等組成。其功能是編輯并控制調(diào)節(jié)儀器的測定和輸出流程；接收并處理測カ傳感器61輸入的負(fù)荷電信號和光電編碼器90輸入的位移脈沖信號，最后將最大負(fù)荷カ值、位移值以及測量的載荷值-位移值的動態(tài)曲線經(jīng)顯示器63顯示出來。③顯示器63是ー種液晶顯示器，常用部件；其功能是顯示作用力、測試時間、伸長長度、拉伸率、時間、試驗(yàn)次數(shù)、試驗(yàn)方法和各種參數(shù)的設(shè)定，井能動態(tài)地顯示曲線并動態(tài)跟蹤試驗(yàn)機(jī)的工作狀態(tài)。④鍵盤64是ー種常用的鍵盤，包括上排的Fl F4功能鍵4個，下排左邊的數(shù)字鍵11個，“Shift”鍵I個和“Clr”鍵I個，以及下排右邊的上下運(yùn)行鍵2個，“測試”鍵I個和“停止”鍵I個。其功能是設(shè)定各種參數(shù)，進(jìn)而通過微控制器62來操作控制測定流程。7)電源 70 電源70是由交流電220V變換為直流供電。8)機(jī)架 80機(jī)架80為金屬架，安裝固定其它功能部件，外形尺寸為300 X 370X 550mm(長X寬X高)，方便攜帯。9)光電編碼器90光電編碼器90 選用 PCB-BYXX0115253A，精確到 O. 01mm。其功能是將夾持器22的運(yùn)動距離轉(zhuǎn)化成位移脈沖信號并將其輸入微控制器62。ニ、測定方法工作流程包括下列步驟如圖6:開始O①選擇測定程序1，微機(jī)自動讀取上下夾具的位置及夾距S ；②判斷是否復(fù)位2，是則進(jìn)入步驟③，否則進(jìn)入步驟⑤；③通過下夾持器復(fù)位3 ；④判定上下夾具間距S是否為30mm4，是則進(jìn)入步驟⑨，否則轉(zhuǎn)跳到步驟③；⑤通過驅(qū)動部分調(diào)速5 ；⑥下夾持器運(yùn)動和數(shù)據(jù)采集卡同步采集6 ；⑦判定是否完成測定7，是則進(jìn)入步驟⑧，否則轉(zhuǎn)跳到步驟⑥；⑧停機(jī)并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存和處理8 ；⑨判定是否退出9，是則進(jìn)入步驟⑩，否則轉(zhuǎn)跳到步驟②；⑩退出程序10。
權(quán)利要求1.一種微機(jī)控制的沉水植物材料力學(xué)自動測定裝置，其特征在于 由設(shè)置在機(jī)架(80)上的輕柔夾具(10)、夾持器(20)、驅(qū)動部分(30)、滾珠絲桿(41)、滾珠螺母(42)、軌道(50)、微機(jī)控制部分(60)、電源(70)和光電編碼器(90)組成； 夾具(10)包括第一輕柔夾具(11)、第二輕柔夾具(12)、第三輕柔夾具(13)和彎曲壓頭(14)； 夾持器(20)包括上夾持器(21)和下夾持器(22)； 驅(qū)動部分(30)包括相互連接的步進(jìn)電機(jī)(31)和減速機(jī)(32)； 微機(jī)控制部分￠0)包括測力傳感器(61)、微控制器(62)、顯示器￠3)和鍵盤(64)； 其位置和連接關(guān)系是 在機(jī)架(80)上，軌道(50)垂直設(shè)置，在軌道(50)的上部設(shè)置有相互連接的測力傳感器(61)和上夾持器(21)，在軌道(50)的下部設(shè)置有下夾持器(22)； 光電編碼器(90)和下夾持器(22)與套在滾珠絲桿(41)上的滾珠螺母(42)連接； 滾珠絲桿(41)、減速機(jī)(32)、步進(jìn)電機(jī)(31)依次連接； 上夾持器(21)與第一輕柔夾具(11)連接，或上夾持器(21)、第一輕柔夾具(11)和彎曲壓頭(14)依次連接；下夾持器(22)與第二輕柔夾具(12)或第三輕柔夾具(13)連接，下夾持器(22)分別與第二輕柔夾具(12)和第三輕柔夾具(13)連接； 第一輕柔夾具(11)、第二輕柔夾具(12)和第三輕柔夾具(13)夾持沉水植物材料(00)，彎曲壓頭(14)垂直壓迫沉水植物材料(00)； 步進(jìn)電機(jī)(31)、光電編碼器(90)、測力傳感器(61)、顯示器(63)和操作鍵盤(64)分別與微控制器(62)連接。
2.按權(quán)利要求I所述的一種微機(jī)控制的沉水植物材料力學(xué)自動測定裝置，其特征在于 所述的下夾持器(22)由T字形的后夾板(221)、長方形的前夾板(222)和堅(jiān)固件(224)組成，在前夾板(222)上方設(shè)置有標(biāo)尺(223)，在后夾板(221)的下方設(shè)置有安裝孔(225)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種微機(jī)控制的沉水植物材料力學(xué)自動測定裝置，涉及沉水植物機(jī)械性能監(jiān)測技術(shù)。本測定裝置由設(shè)置在機(jī)架上的輕柔夾具、夾持器、驅(qū)動部分、滾珠絲桿、滾珠螺母、軌道、微機(jī)控制部分、電源和光電編碼器組成；夾具包括第一輕柔夾具、第二輕柔夾具、第三輕柔夾具和彎曲壓頭；夾持器包括上夾持器和下夾持器；驅(qū)動部分包括相互連接的步進(jìn)電機(jī)和減速機(jī)；微機(jī)控制部分包括測力傳感器、微控制器、顯示器和鍵盤。本實(shí)用新型顯示直觀；操作方便；數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；大量存貯測試數(shù)據(jù)；經(jīng)濟(jì)且輕便易攜帶，方便野外樣品的迅速處理；適用于沉水植物根、莖、葉柄的拉伸和彎曲性能的測定。
文檔編號G01N3/20GK202403974SQ20112056594
公開日2012年8月29日 申請日期2011年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月30日
發(fā)明者倪樂意, 張萌, 曹特, 祝國榮 申請人:中國科學(xué)院水生生物研究所