叶片水势仪

冠层叶绿素含量（CCC）可以反映一个种群的总光合生产力，是判断植物个体生长和营养状况的重要依据。通过遥感准确监测冠层和叶片尺度的叶绿素含量是确定作物生长状态和预测产量的关键。玉米是一种高秆作物，叶面积大，冠层深。它具有不均匀的叶片叶绿素含量（LCC）垂直分布，这限制了遥感的叶绿素含量评估。因此，了解LCC和叶片反射光谱的垂直异质性对提高CCC监测的准确性至关重要。 基于此，在本研究中，来自中国农业科学院作物科学研究所和宁夏大学农学院的研究团队以玉米为研究对象，于2019年和2020年在位于中国东部河南省黄淮海玉米生态区的中国农业科学院新乡实验站通过5个氮处理梯度（0、100、200、300和400 kg/hm2（记为N0–N400））建立各种冠层结构，采集不同生长季节作物冠层叶片，并测量了其LCC和叶片光谱反射率（ASD FieldSpec 4光谱仪+植物探头+叶片夹，光谱范围为350-2500 nm）。主要目标为：（1）理解施氮量对玉米冠层叶绿素垂直分布的影响以及生长季节叶绿素分布的动态变化；（2）在不同时空条件下探索冠层叶片光谱反射率特征差异以及验证基于叶片光谱反射率的VI模型是否可以准确反演LCC；（3）确定敏感叶位（可用于表征LCC和CCC之间的关系）以及评估基于叶片光谱的VI模型的鲁棒性和准确性，以评估冠层叶绿素状态。2020年9月2日研究区俯视图 (a)。高光谱反射率测量系统（b）。台式叶绿素分光光度计 (c) 。2020年8月8日五次氮处理（N）下的冠层状况（d）。【结果】2020年生长季节玉米冠层LCC的垂直剖面。（a、c、e）不同位置叶片的光谱反射曲线。（b、d、f）不同叶片位置波段与LCC的相关系数曲线。6种LCC-VI模型的rRMSE（%）：（a）mRER、（b）VOG2、（c）CIred-edge、（d）NDRE、（e）MTCI 和（f） DD。rRMSE用于评估模型反演精度。rRMSE的值较低对应于预测值和观察值更接近。中期模型（a）、后期模型（b）和生殖模型（c）CCC预测值和2019年实测值对比。【结论】 5个施氮水平用于构建不同的玉米冠层结构，揭示玉米冠层叶片叶绿素含量（LCC）的垂直异质性以及叶片光谱反射率特征。基于冠层LCC的垂直分布，建立多元逐步回归（MSR）模型以准确监测冠层叶绿素含量（CCC）；LCC表现出不对称的垂直分布，呈现出底层较低，中层上升，上层下降的趋势。氮处理显著改变了LCC，且不同处理之间LCC的垂直剖面分布基本一致。分析了不同时空条件下叶片光谱反射率特征。绿色波段（531-567 nm）和红边波段（712-731 nm）是监测LCC的敏感波段。6个经典的VIs用于构建VI-叶绿素模型，其中修正的红边比值植被指数（mRER，R2=0.87）构建的模型最优。VI模型可以准确预测生长中期的LCC（rRMSE=10.9%），但是，上、下叶层VI和LCC的相关性在营养生长早期和成熟阶段发生变化（rRMSE=36%-87%）。通过结合反演精度和多元逐步回归，结果发现在CCC估算中，营养阶段叶位L6以及生殖阶段L11+L14（L12是穗叶）最敏感。这样，基于叶片光谱反射率构建了VI-LCC-CCC模型以估算冠层叶绿素状态。利用2019年和2020年田间试验数据评估了模型性能，结果表明该模型具有良好的鲁棒性和准确性（rRMSE=8.97%）。请点击下方链接，阅读原文：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NjE1ODg2NA==&mid=2650312959&idx=1&sn=579c2cd2862e8037f3fe0a32dda8e2ee&chksm=bee1bc00899635161ff79ab90bcff29bc9a96537973b3be2cb439a88caa8d8e36c29108f32eb&token=1852366781&lang=zh_CN#rd

近日，中国中车旗下时代新材海上风电叶片检测中心完成验收，正式投入使用。该检测中心是目前全球唯一可开展160米叶片全尺寸结构试验的检测实验室，可支撑百米级叶片的研究和检测，验证大尺寸叶片的可靠性。该检测中心位于江苏省盐城市射阳港经济开发区，2022年7月启动建设，占地面积约6.7万㎡，规划建设4个试验承载平台，已建成2个平台，可测试叶片最大功率级别20MW、最大叶片静力极限弯矩载荷200000kNm、最大疲劳弯矩载荷100000kNm、最长叶片长度160m、最大叶根节圆直径7.2m。检测中心采用先进的设计与施工工艺，8m*8m整体面板的凹凸程度不高于0.5mm，平整度超LED显示屏。最大载荷是现有10MW机组载荷的5倍，与2万吨吊车起吊能力相当。静力试验单点加载载荷达50吨，基于神经网络控制技术实现了16点协同精准加载，加载精度误差≤0.5%。叶片疲劳试验依据目标载荷自动扫频启动，试验全程闭环控制，已实现无人值守。中车时代新材海上风电叶片检测中心拥有风电仿真计算平台、频率、静力、疲劳等各类检测系统，加速了中车

p 　　航空发动机叶片几何形状复杂、尺寸跨度大、加工精度要求高等特点决定其成为了航空发动机中加工制造的难点，同时也对航空发动机叶片加工质量检测精度和检测效率提出了更高要求。航空发动机叶片检测技术已逐步从定性检测到定量检测，从接触式检测到非接触式检测，从传统手工检测到自动数字化检测，从二维比对检测到多自由度组合检测，从单一规格大批量检测到多规格小批量检测。航空发动机叶片质量检测方法众多，如标准样板法、自动绘图测量法、光学投影测量、电感测量法、坐标测量法、激光测量法、机器视觉测量法等，其中，三坐标检测凭借通用性强、重复性好、稳定性强、检测精度高等优势在航空叶片制造企业中被广泛应用，但此种方法要求测量时处于恒温环境下且采样效率较低。本文将介绍和评析航空叶片三坐标自动测量研究现状和发展趋势，并基于三坐标测量机(Coordinate Measuring Machine，CMM)提出一种改进型航空叶片自动测量与控制系统。 /p p style=" text-align: left " strong 　　1 叶片三坐标自动测量研究现状 /strong /p p 　　(1)基于CAD数模的自动测量 /p p 　　基于CAD数模的三坐标测量是产品设计、加工、测量一体化进程中的重大突破。CMM的测量能力和可操作性在很大程度上取决于测量软件的功能，测量软件决定了CMM可采用的测量方式以及应用范围。目前很多叶片测量软件都具备基于CAD模型脱机编程功能，比如海克斯康PC-DMIS、蔡司Calypso等，并能读入多种文件格式，如IGES、DXF、STL及VDA等格式，也可以兼容UG、Pro/E或CATIA等CAD格式文件。 /p p 　　CMM可实现基于CAD数模的叶片自动测量，待测点的分布和采集、测量路径优化及测量程序生成是自动测量中的关键问题。杨雪荣等结合ARCO CAD测量软件，实现了对基于CAD数模零件进行自动测量 周保珍等基于UG CAD提出了沿待测点矢量方向测量的方法，并给出了自动生成DMIS测量程序的方法步骤 刘勇等在前人的成果上基于UG CAD数模给出了叶片自动测量路径规划系统的操作流程 S.G.Zhang等基于CAD数模特征，在CMM平台上设计了一套检测过程规划原型系统，能极大减少判断探针方向的时间 Hui-Chin Chang等基于汽轮机叶片CAD数据库，系统通过简单三角函数计算在短时间内能自动生成无碰撞检测路径，并输出DMIS格式文件。 /p p 　　在对三坐标测量系统进行研究总结后，测量程序生成方法主要有以下几种： /p p 　　①脱机编程。此方法根据待测件的几何特征和公差要求，用DMIS语言手动编写测量程序，以指导CMM自动测量。但此方法对操作人员专业水平要求较高，编程所需时间长。 /p p 　　②自学习编程。此方法适合没有CAD数模和设计图纸的情形下，操作较为简单便捷，适合产品大批量测量。在手动测量一次后，三坐标测量软件系统会自动记录测头运动和操作并保存为测量程序，对相同批次的产品可实现自动重复测量。但此时测量软件需要与CMM联机才能完成程序的编制，CMM其他任务将会被占用。 /p p 　　③自动编程。此方法将CAD数模导入到CMM测量软件中，将工件坐标系(即测量坐标系)与理论坐标系进行对齐后，检测员基于CAD模型进行测量路径规划，测量软件系统按照GD& amp T设计要求，自动生成DMIS程序，动态虚拟模拟路径无误后自动保存。也可利用三维软件二次开发功能、C#编程语言或VB编程语言等工具，根据三维软件生成的测量前置文件(包含测量点信息和测头信息)开发格式转换程序，直接生成DMIS格式文件，大幅提高测量效率。 /p p 　　在无图纸的情况下实现叶片的批量测量，可基于光学扫描仪完成叶片初始点云数据的采集，然后利用Geomagic Design Direct设计软件进行逆向建模，获取初始CAD模型，并导入PC-DMIS测量软件中，以引导CMM进行测量路径自动规划。基于CAD数模的交互自动编程较手工编程而言，效率更快、更清晰直观、方便验证，而且也便于对测量点进行采集和编辑。目前，基于CAD数模自动测量已被国内外先进的CMM测量软件普遍采用。 /p p 　　(2)自动定位夹具 /p p 　　目前，由于航空叶片形状复杂且规格繁多，检测时并没有与之兼容的通用定位夹具。国内很多航空叶片制造企业基于三坐标检测普遍都采用简单支撑固定的方式，以降低制造成本，而且每次只能对单个叶片进行测量，每次都需要对待测叶片进行装夹和粗定位，导致叶片检测效率极低。 /p p 　　针对以上难点，不断开展叶片专用夹具研究，叶建友等提出了柔性相变材料夹具为叶片自动化测量提供保障。定位件和夹紧体位置灵活可调，一套柔性相变材料夹具能装夹一定尺寸范围内任意形状的零件。但该夹具存在准备周期长、刚性不足、手工操作繁琐等问题，同时，仍只能对单一叶片实现定位夹紧，在提升检测效率方面效果并不显著。容器里相变材料反复进行固液态两相变换，膨胀和收缩不可避免，势必影响到夹具的装夹精密度和稳定性。 /p p 　　陈林等设计了一套叶片测量气动专用夹具，利用榫根底面、侧面及内径相面进行6点定位并对底平面实现磁力夹紧，有利于实现叶片测量自动化。该套夹具具有刚性强、定位精准、操作简单等特点，但对于具有轴颈型榫根或枞树型榫根的叶片无法实现固定支撑，且仍只能对单一叶片进行测量。 /p p 　　通过研析现有文献和对叶片企业的实地调研，针对航空叶片夹具设计提出参考规则：①夹具在对工件进行装夹时，能保证工件位置的正确性 ②基于某一特征，夹具可对同一规格叶片进行多片装夹定位 ③夹紧操作不能损伤叶片 定位要可靠 夹具系统稳定性强，操作简便快速 ④使用三坐标测量机进行测量时，夹具必须保证探针对于待测叶片的空间可达性且不发生碰撞 ⑤夹具应避免使用吸铁等带有磁性的材料，避免工件或探针收到磁性作用而影响测量结果。 /p p 　　(3)自动测量系统 /p p 　　当前，国内很多叶片加工企业在检测环节没有实现模块化和系统化，特别是在信息共享和自动控制方面能力不足。具体表现在：①测量数据过度离散化，可追溯性较差 ②测量过程人机交互多，自动化程度低 ③工序质量控制能力弱，产品报废率高。 /p p 　　在工业4.0智能制造的大背景下，海克斯康集团推出了自动化、智能化的测量系统。整个自动化测量系统分为几个物理单元：三坐标测量机、自动控制系统及管理软件、料架系统、零件识别系统、机器人系统、机器人外围系统及安全防护系统。通过信息系统把各单元串联起来，形成有效的集成单元，对测量信息高效管理，并对工序过程进行有效的数据反馈，明显提升生产效率。 /p p 　　智能化作为自动化的高级应用，智能测量系统在工业4.0中扮演重要角色，雷尼绍公司推出搭载第二代REVO多传感器五轴测量系统的大型龙门式三坐标测量机有如下特点：①分辨率提高近20倍 ②可加载不同的测量模块 ③不仅可以测量大工件大尺寸，也可以测量大工件小尺寸 ④采用螺旋扫描，采集点的效率高。 /p p 　　(4)叶片三坐标自动测量发展趋势 /p p 　　三坐标测量技术的不断发展促进了测量行业的进步和变革，也对三坐标测量技术提出了更高要求。在航天航空领域，面向智能制造的高精度动态实时测量技术和飞机大尺寸数字化测量关键技术不断被讨论和研究，其中航空叶片三坐标测量技术的研究方向主要是：①自动化、智能化 ②实时监控、可视化 ③高速、高精度、高稳定性。 /p p strong 　　2 叶片自动测量夹具设计 /strong /p p 　　(1)叶片检测现状 /p p 　　以叶片的叶型测量过程为例，无锡某航空叶片企业的检测过程需要的人机交互操作较多，如待检叶片信息的输入，待检叶片的装夹及粗定位、抽调对应的测量程序、PDF文件名及保存路径的输入等，该企业现有检测流程如图1所示。 /p p style=" text-align: center " 　　 img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/212bc28d-9c34-4158-a4cf-746818aaacd4.jpg" title=" 1.jpg" style=" width: 420px height: 298px " width=" 420" vspace=" 0" hspace=" 0" height=" 298" border=" 0" / /p p style=" text-align: center " 　　图1 现有叶型检测流程 /p p 　　在检测过程中，若没有及时的人机交互，CMM就会停机等待操作指令。由于该检测流程仅面向单个叶片，检测效率极其低下，根本无法满足正常的叶片检测需求。 /p p 　　针对上述实际问题有以下解决方案：①增加三坐标测量机以及检测人员数量 ②增强企业叶片数控加工系统的可靠性 ③引进全过程自动化在线控制检测系统 ④优化叶片现有三坐标测量机夹具。 /p p 　　方案①中通过增加检测设备和人力投入显然不符合企业低成本的要求，在设备维护和人员管理上也会耗费巨大 方案②虽然可以改善叶片加工稳定性和精度，减少了叶片检测的任务量，但对于中小型企业来说，短期内很难突破关键技术瓶颈，对企业资金能力、技术能力、检测环境等都提出了更高要求，实施难度大 方案③为目前先进的自动化检测技术，可以实现100%检测并实现零废品率，一定程度上可以降低生产成本，但中小型企业生产规模小，一次性投入太大 方案④是建立在现有设备和人力不变的情况下，通过优化叶片检测夹具来实现叶片测量效率的提升，显然这个方案更加适用于中小型企业。通过对该企业CMM检测过程的实地调研，来找到最合适的解决方案。具体改进后的叶片叶型检测流程见图2。 /p p style=" text-align: center " 　　 img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/c306372c-5a40-443d-bdcd-097232cca3b8.jpg" title=" 2.jpg" style=" width: 500px height: 467px " width=" 500" vspace=" 0" hspace=" 0" height=" 467" border=" 0" / /p p style=" text-align: center " 　　图2 改进后叶型检测流程 /p p 　　通过电子扫描槍对该待检测叶片工序流转卡进行扫描获取叶片ID号，系统自动在产品工艺数据库中根据叶片ID号检索相关加工工序信息。选择检测对应工序名后，系统自动从该数据库中检索对应工序的测量程序文件地址，从FTP服务器下载测量程序到Calypso测量软件指定文件夹，并保留待检测叶片相关信息至指定文本文件作为该叶片自动保存地址。运行Calypso软件并调取对应测量程序，叶型测量完成后调取Blade Pro分析软件的同时运行自动保存应用程序，该应用程序捕捉到系统保存窗体的弹出并获取文本文件中保存地址和名称，实现测量报告的自动命名和保存。生成的PDF文件自动上传到FTP服务器，作为该企业的工艺资料储备。生成的TXT文件经过自动转换后导入MySQL工艺数据库，可实现测量数据的精确查询和SPC分析。对于在可控范围内的测量数据，在逆向工程中进行特征数据提取实现叶片三维建模，以指导无图纸工件进行CMM测量路径规划，并生成测量程序完成自动化测量。 /p p 　　(2)自动测量夹具方案 /p p 　　由于该企业三坐标测量机叶片专用夹具一次只能对单一叶片进行装夹定位，针对燕尾型榫根叶片叶型测量，提出一种多片自动测量专用夹具，该装置主要由夹具体、气缸、气缸座、基座、定位销钉、夹紧块、带有9个楔形块结构的矩形轴组成，单元结构如图3所示。 /p p style=" text-align: center " 　　 img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/fc8a2889-a955-437c-b2af-0bea51b52c36.jpg" title=" 3.jpg" style=" width: 300px height: 180px " width=" 300" vspace=" 0" hspace=" 0" height=" 180" border=" 0" / /p p style=" text-align: center " 　　图3 夹具单元结构 /p p 　　该夹具能实现9片叶片联装联测，由原本单个支撑工位线性地扩展成9个联测装夹工位。该工装夹具利用蔡司Calypso和PDFFactory配合连续测量，并最多保存9份检测报告，缓解企业CMM检测能力不足和效率低下的问题。 /p p 　　采用两个定位销钉和一个紧固螺钉连接夹具体与基座 9个夹具体线性分布在基座上，保证间隔不干涉叶片装夹 矩形轴两端均采用滑动副，并带有9个楔形块，楔形块和夹紧块配合形成滑动副。 /p p 　　夹具装夹方式是：夹具体楔形面和燕尾型榫根楔形面配合，模拟叶片装配状态，限制了榫根5个自由度 用定位销钉对榫根侧面进行定位，限制了榫根1个自由度 通过启动气缸推动矩形轴移动，从而使楔形块推动夹紧销钉向上移动，实现对9片叶片同步进行装夹。单个榫根装夹图如图4所示。 /p p style=" text-align: center " 　　 img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/4b836cd9-4fe9-4d79-92e2-9ea4889a0a04.jpg" title=" 4.png" style=" width: 300px height: 213px " width=" 300" vspace=" 0" hspace=" 0" height=" 213" border=" 0" / /p p style=" text-align: center " 　　图4 单个榫根装夹 /p p 　　以榫根楔形面的中分面(即通过发动机轮毂盘轴线的径向面)工件测量坐标系的XOZ平面，以给定值来确定XOY平面和YOZ平面，以此建立工件测量坐标系(见图5)，且该坐标系与建立CAD数模的理论坐标系保持一致。 /p p 　　在对9片叶片进行检测路径规划时，只需要在DMIS文件中在第一片叶片工件坐标系基础上连续偏置一个固定值即可得到其他叶片的工件坐标系。 /p p 　　该夹具具有以下特点：①定位装置尺寸链短，对测量精度影响较小 ②多叶片可同步装夹和拆卸，实现批量测量 ③采用气动夹紧，实现自动夹紧测量。 /p p 　　 /p p style=" text-align:center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/bacf711e-9ee3-41e0-843f-949e80d69dc4.jpg" title=" 5.png" style=" width: 310px height: 167px " width=" 310" vspace=" 0" hspace=" 0" height=" 167" border=" 0" / /p p style=" text-align: center " 　　图5 建立叶片工件坐标系 /p p strong 　　小结 /strong /p p 　　本文对航空叶片自动化测量技术研究现状和发展趋势展开论述，总结了基于CAD数模的检测路径规划方法和DMIS文件生成方法和自动测量夹具设计基本准则，结合相应实例对叶片自动检测系统未来趋势做了总结阐述，并针对某航空叶片企业实际情况给出了相应解决方案，提出了改进型叶型测量夹具，极大提高了检测效率。 /p p br/ /p