应力波在落叶松活立木中传播影响因素数值模拟

探究应力波在落叶松活立木中传播的影响因素,有助于研究应力波在人工林活立木中的传播机理。依据固体介质中的应力波传播理论和弹性力学理论,将活立木看作只由心材层和边材层组成的两层结构材料,基于活立木的正交各向异性假定,利用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件对应力波在活立木中的传播进行了模拟计算,并研究了敲击载荷频率、活立木胸径和心材比对应力波传播的影响。结果表明,应力波波速随着载荷脉冲频率的增大而减小;对于胸径为10 cm的活立木模型,当传播距离达到1. 2 m时,应力波波阵面已经转换为一维平面波,而对于胸径超过30 cm的活立木模型,应力波在0～1. 2 m传播距离内是以三维膨胀波的形式传播;活立木胸径对应力波的传播速度有影响,当胸径小于10 cm时,波速较小且基本没有发生变化,当胸径从10 cm增加到40 cm时,应力波的波速随着活立木胸径的增加而增加,而当胸径超过40 cm时,波速略微增加后保持相对稳定;应力波在活立木中的波速随着心材比的增大而减小。胸径对应力波在活立木中的传播形式以及波阵面形状有影响,而敲击载荷频率和心材比对应力波在活立木中的传播形式以及波阵面形状没有影响,但三者都会对应力波的传播速度产生影响,数值模拟最佳的敲击载荷频率为2. 5 kHz,应力波在活立木中的传播速度不只取决于边材的力学性能,而是受到心材和边材的共同影响。     

活立木茎干水分状况实时检测传感器研究

活立木茎干水分状况是植物生命状态的有效体现,其中茎干含水率(Stem water content, StWC)和液流密度(Sap flux density, SFD)是研究植物体内水分变化规律的重要参数。准确检测活立木茎干同一空间位置的含水率和液流密度可以更有效地分析2个参数的关系、评估植物生长状况。将基于驻波率(Standing wave ratio, SWR)原理的茎干水分检测方法和基于热比率法(Heat ratio method, HRM)原理的茎干液流检测方法结合,设计了活立木茎干含水率和液流复合参数检测传感器,复合传感器的含水率检测单元和液流检测单元复用一套三针式探针,可对活立木茎干同一位置的含水率和液流实时精准检测。含水率检测单元输出电压与介电常数(6～53.3范围内,对应茎干含水率为0～85%)具有良好的线性关系(决定系数R²=0.970 1),静态稳定性良好(长时间测试最大波动为0.6%全量程)。以杨树为研究对象,含水率检测单元与BD-IV型植物茎体水分传感器的对比实验结果一致(决定系数R²=0.980 0)。液流检测单元与S...     

髓心、心材和边材的比例对应力波在活立木中传播影响数值模拟研究

基于固体介质中的应力波传播理论和弹性力学理论,将活立木看作是由髓心层、心材层和边材层组成的三层结构材料,假定活立木具有正交各向异性,利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件对应力波在活立木中的传播过程进行模拟计算与分析,研究了髓心、心材和边材的比例对应力波在活立木中传播的影响。结果表明,在髓心、心材和边材比例不同的活立木模型中,应力波的传播形式和传播规律基本相同,在开始阶段都是以倾斜曲面的形式传播,之后,随着传播距离的增大,波阵面的倾斜程度逐渐减小,且这个波阵面逐渐趋向与活立木的长度方向垂直。然而,髓心、心材和边材比例的不同对应力波在活立木中的传播速度有影响,随着活立木模型中心材比例的减少以及边材比例的增大,应力波的传播速度逐渐变大,应力波波速和髓心、心材和边材的比例之间存在显著的相关性。应力波在活立木中传播形式和传播规律受髓心、心材和边材的共同作用。     

太赫兹波光谱成像技术在肉制品检测中的应用

我国是农产品大国,但由于商品产后处理化水平不高造成出口比例低。生鲜肉制品的快速、准确、在线及无损检测在食品安全分析以及农产品检测中占有重要地位。太赫兹（THz）波作为一项新的、快速发展的技术在很多领域受到广泛关注。当食品安全检测技术面临巨大的机遇与挑战时,太赫兹波光谱成像技术具有高信噪比和动态范围宽等诸多特点,能够获得肉制品在THz波段的时域频域信息,不但能够辨别物体的形貌而且能够鉴别内部组成部分,因此在食品安全检测领域有独特的优势。简要介绍了太赫兹波概念、特点和与其他检测方法的对比,并讨论了在肉制品检测中的研究前景及受限因素。      

机械零件缺陷的无损检测方法发展趋势

介绍了在零件检测中常用的几种无损检测方法，比较了它们各自的优缺点和适用范围，以及传统超声检测和现代超声检测差别，得出无损检测发展的趋势将是检测的自动化、智能化和图象化。     

机械零件缺陷的无损检测方法发展趋势

介绍了在零件检测中常用的几种无损检测方法,比较了它们各自的优缺点和适用范围,以及传统超声检测和现代超声检测差别,得出无损检测发展的趋势将是检测的自动化、智能化和图象化.     

基于潜热效应的活立木冻融检测传感器设计与实验

针对植物冻融过程中植物水分生理信息(植物水冰含量)难以实时、在线、连续监测及冻融难以准确判断的问题,设计了一种基于潜热效应的活立木冻融检测传感器。通过检测植物冻融过程中潜热释放引起的温度变化对茎干是否冻融进行有效判断,在准确检测冻融点的基础上,根据茎干体积含水率变化计算冻融过程中的茎干体积含冰量及径向冻融深度,同时设计环式弹片探头消除固定式探头对茎干压迫形成的凹槽。标定结果表明,传感器测量结果与真值拟合决定系数超过0. 99。静动态特性分析表明,传感器体积含水率和温度测量范围分别为0～68. 67%、-30～80℃,动态响应时间小于2 s。室内冻融模拟实验及室外长期冻融监测表明,传感器能够有效检测植物冻融过程中茎干水分生理参数的变化,可以作为植物冻融的有效监测手段。     

基于茎干水分包络分析的活立木冻融检测方法

为解决活立本在越冬期易遭受低温所引发的冻融灾害问题,针对现有评估检测方法存在的检测手段复杂、对活立本破坏性大、设备昂贵和难以实时检测的现状,通过分析活立本在越冬期的茎干水分和环境温度的变化规律,提出一种基于活立木茎干水分序列包络分析的冻融状况检测方法.在采用具有自主知识产权的活立木冻融检测传感器实时获取活立木茎干水分和...     

介电谱无损检测梨内部品质方法研究

为了探索利用介电谱无损检测采后梨内部品质的潜力,采用同轴探头技术测量了采摘于4个果园的310个砀山酥梨在采后8周贮藏期间20~4 500 MHz间201个频率点下的相对介电常数和介质损耗因数;分别以可溶性固形物含量(SSC)、硬度和含水率作为内部品质指标,基于x-y共生距离的样本划分法确定了校正集样本233个和预测集样本77个。采用连续投影选法(SPA)从全介电谱中分别提取出了15个、14个和15个用于预测SSC、硬度和含水率的特征变量;建立了基于全介电谱和SPA提取的特征变量预测SSC、硬度和含水率的最小二乘支持向量机(LSSVM)、极限学习机和BP神经网络模型。结果指出,基于全介电谱的LSSVM模型具有最好的SSC决定性能和良好的预测能力,其校正集和预测集相关系数分别为0.974和0.931,校正集和预测集均方根误差分别为0.592°Brix和0.868°Brix,剩余预测偏差为2.65;基于SPA的LSSVM模型可粗略预测含水率;但是所有模型对硬度的预测能力很差。研究结果表明,介电谱结合LSSVM可用于无损检测梨的SSC和含水率,但尚难用于检测梨的硬度。     

苹果内部褐变的光学无损伤检测研究

利用可见近红外连续透射光谱技术（650～900 nm）对苹果内部褐变进行了研究.分析了其光谱特性,选择715 nm,750 nm,810 nm 3个特征波长进行了褐变果判别分析,实验结果表明,样品的正确判别率达到95.65%.另外,还讨论了苹果尺寸大小对检测结果的影响.     

基于无效目标滤除的毫米波雷达农田障碍物检测方法

农田障碍物检测是农机自动驾驶的前提,针对毫米波雷达的农田障碍物检测,本文提出一种无效目标滤除的算法。首先对毫米波雷达所输出的目标信息进行解析并提取农田目标障碍物信息,然后使用无效目标滤除算法对解析后的空目标、伪目标、非威胁数据进行滤除。对雷达数据中目标距离为零的空目标直接滤除;对因雷达工作性能或回波信号不稳定而产生的伪目标通过雷达有效目标生命周期法进行过滤;对超出横向距离阈值和纵向距离阈值的非威胁目标直接滤除。试验结果表明,所提算法在静止状态,平均滤除率达到85%以上。当速度为3 km/h时,未作业状态的平均滤除率为85.24%,旋耕为84.23%;当速度为5 km/h时,未作业为84.22%,旋耕为84.18%;当速度为7 km/h时,未作业为84.19%,旋耕为84.16%。尽管在行驶状态下,随着速度的提升或悬挂旋耕机,滤除率有一定的下降,但本文所提算法在各种状态下的平均滤除率均可达到84%以上。     

基于驻波率原理的植物茎体水分无损检测方法研究

水在植物的各项生理活动中起着至关重要的作用,实时无损检测植物茎体的水分对研究植物的生命活动有着重要的指导意义。本文提出了一种基于驻波率原理的茎体水分实时无损在线检测方法,并设计了BD-IV型植物茎体水分传感器,分别在以有机溶剂及烧杯为实验材料的仿真环境、以松树为实验材料的树段环境及以桃树为实验材料的活立木实验环境下,验证了BD-IV型植物茎体水分传感器的检测性能。当植物茎体直径在5.0~10.5 cm之间且体积含水率在1.17%~59.59%之间时,BD-IV型植物茎体水分传感器能准确地检测出植物茎体的体积含水率。通过长期监测桃树茎体水分的日变化和月变化情况,得知BD-IV型植物茎体水分传感器的检测结果与植物生理特性相符;与德国生产的SF-L型树干茎流仪同时监测柳树的茎体水分和茎流,得出茎体水分和茎流之间的关系,为植物生理特性研究提供了一种高性能价格比的国产化检测仪器。     

基于2D激光探测的立木胸径几何算法优化

目前林业测绘中使用2D激光扫描仪对树干立木胸径及位置的测定研究占据重要地位。针对3种较为常用的几何类算法(弧长法、切线法和双余弦法),提出在近距离下利用补偿角对其测量值进行补偿的方案,研究了弧长法与切线法补偿角随距离的变化关系,并进行回归分析,所得拟合方程的R~2均大于0.85。运用拟合方程在0~5.5 m范围内对实际树干进行验证,试验选取了5株杨树树干,通过算法补偿,半径与距离测量值的准确性均得到提高,其中弧长补偿算法和切线补偿算法对半径的测量精度分别比未补偿前提高了10.6和10.7个百分点,补偿后的绝对误差均值分别为4.8 mm和3.8 mm;补偿后距离测量值绝对误差均值可分别控制在66.0 mm和15.9 mm以内。试验证明2种补偿后的几何算法均可作为近距离下的林业测绘算法,其中切线补偿算法更优。     

基于驻波率原理的森林枯落物和土壤含水率测量方法

枯落物含水率测定在森林水文学、碳循环、林火蔓延以及火险等级评估等研究中具有重要作用。本文提出了一种基于驻波率(SWR)原理的森林枯落物含水率测量方法,所设计的SWR水分传感器具有复用双环式探头结构,可分时测量枯落物或土壤的含水率和电导率。实验结果表明,传感器输出电压与半分解、全分解枯落物和土壤含水率呈现良好的线性关系。与商品化TDR水分传感器相比,SWR传感器测量枯落物和土壤含水率的平均绝对误差较小,且在厚度小于10 cm的枯落物含水率测量以及测量成本方面具有明显优势。在对枯落物含水率进行长期原位测定时,SWR传感器可通过测量电导率判断半分解的枯落物是否随时间推移而完全分解,以便及时调整传感器水分测量的标定曲线,最大程度降低因枯落物成分改变对传感器测量精度造成的影响,为准确测量森林地表枯落物含水率奠定基础。     

基于驻波原理的锥式林区土壤含水率仪设计与性能分析

为了提高现有土壤含水率传感器在林区的测量性能及可使用性,在优化传感器结构的基础上,设计了一种基于驻波原理的锥式林区土壤含水率仪,其锥角30°、探头直径20 mm、探头长度150 mm。实验结果表明:传感器横向测量范围为10 cm、纵向测量范围为18 cm,输出线性拟合决定系数在0.96以上。静动态特性分析表明,传感器测量范围为零到粘壤性土壤饱和含水率,测量精度为3%,稳定性标准差0.49%,超调量为0.48%,过渡时间0.582 s。通过与TDR(TRIME-HD2型传感器、德国)进行对比,测量结果线性拟合决定系数在0.97以上,两者测量性能相当,表明所设计的传感器能够达到实际使用的要求。本文设计的土壤含水率仪性价比更高,更适用于林区土壤含水率测量,使用更为便捷。     

基于探地雷达和深度学习的果树根径预测方法

针对果树根系相较于果树枝干或冠层难以观察和取样的问题,提出一种基于探地雷达和卷积神经网络的果树根系半径和深度预测方法。首先,使用开源软件gprMax构造所需的探地雷达A-Scan数据集;然后,将输入数据导入注意力模块,对特征信息重新分配权重,突出关键特征对模型的影响;最后,通过卷积层提取特征信息,通过全连接层将前面卷积层所学到的局部特征综合为A-Scan数据的全局特征,完成对根系半径和深度的准确预测。为了证明提出方法的可行性与有效性,在仿真数据和实测数据上分别进行实验。结果表明,该方法可以实现对根系半径和深度的有效预测,其中,在仿真数据上对根系半径预测的最大误差为2.9mm,R2为0.990,均方根误差为0.00068m,深度预测最大误差为11.2mm,R2为0.999,均方根误差为0.0020m;在实测数据上对根系半径预测最大误差为1.56mm,深度预测最大误差为9.90mm,总平均相对误差为5.83%,能够实现对根系半径和深度的准确预测。     

介质含水率与探地雷达电磁波特征参数关系

【目的】研究GPR电磁波属性参数与含水率的内在关系,揭示流域范围内土壤水分赋存特征具有重要意义。【方法】利用美国劳雷工业SIR-3000型地质雷达,对不同含水状态风积沙进行GPR探测试验,分析了不同含水率风积沙试样中电磁波传播过程的参数特征,建立了其与含水率的关系模型,并推算介电常数;利用介电常数仪直接测定不同含水率风积沙试样的介电常数,对比基于波速间接所得介电常数,校验了介质含水率与电磁波特征参数关系模型的有效性。【结果】随介质含水率增加,GPR电磁波的双程走时呈非线性增加趋势,波速呈负线性降低趋势;随含水率增加,基于GPR波速间接推算介电常数与介电常数仪直接测定介电常数呈相似增大趋势,相同条件下两类介电常数最大误差约3.6%。【结论】借助GPR电磁波波速与双程走时可以有效评价风积沙水分赋存特征与介电特性。