茎秆强度仪介绍

一、仪器定义与学术定位

托普云农植物茎秆强度测定仪（代表性型号TP-YYD-1、TP-YYD-1A、TP-YYD-1B，亦称植物抗倒伏测定仪）是由浙江托普云农科技股份有限公司研制的便携式生物力学测试设备。该仪器基于材料力学三点弯曲原理与轴向穿刺/压缩力学模型，通过高精度拉压力传感器与倾角传感器，对作物活体或离体茎秆施加标准化载荷，定量测定抗弯折力、抗压强度、穿刺强度及拉伸断裂力，将传统经验性的"茎秆硬度"主观判断转化为可重复验证的力学参数（N、kPa），属作物抗倒伏表型组学与栽培生理学研究中的原位力学量化工具。

二、测量原理与理论依据

抗弯折（弯曲）强度测定：采用类三点弯曲加载方式，以恒速推进压板对直立或水平固定茎秆施加侧向集中力，记录茎秆产生规定挠度或发生结构性失效（折断/屈服）时的峰值力值，结合支点跨距与茎秆直径可按梁弯曲公式近似估算弯曲应力与弹性模量。

穿刺强度测定：以标定截面积的圆锥或圆柱探针垂直压入茎秆表皮及纤维层，记录穿透表皮及内部组织过程中力—位移曲线，以穿透峰值力或单位面积穿透阻力表征茎壁组织致密度与抗虫蚀能力。

轴向抗压/拉伸强度测定：通过压板垂向施压或拉钩轴向拉伸，测定茎秆在模拟自重、风载或机械拉扯下的承载极限与形变特征。

倾角同步记录：内置MEMS倾角传感器同步采集茎秆倾斜角度，绘制力—角度（力—位移）曲线，用于分析茎秆韧性、塑性变形阶段及倒伏临界角。

三、系统硬件构成

高精度拉压力传感单元：量程依机型分设细茎秆（如水稻、小麦）与粗茎秆（如玉米、甘蔗、高粱）两档，内置温度补偿电路，输出力信号经24位ADC数字化。

模块化可换测头组件：含侧向压板（弯折测试）、穿刺探针（穿刺强度）、拉钩（拉伸/抗弯）、平面压头（轴向抗压），适配不同径级茎秆。

恒速推进/施力机构（实验室架式配置）：手动或电动恒速推杆确保加载速率均一，消除人为施力波动对断裂临界点的干扰。

倾角传感模块：实时监测茎秆偏转角，用于力—角度曲线构建与倒伏趋势分析。

主机控制与显示终端：嵌入式微处理器、液晶显示屏、功能按键，支持自动捕捉并保持峰值力值、设定触发阈值、蜂鸣提示及屏幕翻转显示。

供电与数据接口：内置可充电锂电池、USB数据线接口、蓝牙/Wi-Fi无线模块，可与配套手机APP或云平台通信实现数据同步、曲线回放与分组统计。

四、可测参数

力学参数：茎秆抗弯折力（折断力/屈服力）、穿刺强度（穿透峰值力或单位面积阻力）、轴向抗压极限力、拉伸断裂力。

几何与过程参数：茎秆受荷倾斜角、加载位移（依配置）、力—角度/力—位移曲线。

衍生分析指标（需配套软件或后处理）：近似弯曲应力、弹性模量估算值、抗倒伏指数分级（按内置经验模型）。

五、仪器功能特征

1、配置4种测头：设备配置探针、拉钩、压板等多种形式测头，可进行茎秆弯折性能测量、茎秆抗压强度测量、茎秆组织结构（穿刺）强度测量，满足不同的实验需求；

2、主机可拆卸：植物茎秆强度测定仪主机拆卸后可以单独通过附带的测头来测量田间作物的抗倒伏数值；

3、具有分组显示功能：可分组显示已保存数据的平均值、最大值、最小值，最多可以测量200组数据，每组最多可以测量96条数据；

4、应用场景广泛：适用于小麦、水稻等茎秆较细和玉米、甘蔗、高粱等茎秆较粗的植物茎秆强度测试；

5、高精准角度测量：设备采用高精度压力及倾角传感器，无损实时获取受力大小及设备倾斜角度；

6、数据列表查询功能：设备测量完成自动保存当前测量的峰值压力、测量角度、测量时间、存储序号，可按照时间查看多组历史数据；

7、多种显示单位：设备支持kg、N、lb 3种计测单位，可自行选择，相互切换；

8、测量结果稳定：测量支架通过手摇的方式可以使测试头保持匀速位移下降，使测量数据更加稳定；

9、数据自动存储：自动保存当前测量压力、测量角度、时间、存储序号，可存储>1万条数据；

10、超长待机：一次充电可满足连续工作使用12h；

11、蜂鸣器提示：在设备到达预设测量角度、测量压力超出传感器最大量程以及低电量时都会发出蜂鸣器提示音；

12屏幕数字正反转：设备具有屏幕数字正反转功能，可方便用户通过多角度观察测量的数据结果；

13、绿色节能环保：设备具有屏幕背光亮度调节、自动熄屏和自动关机功能，可根据自定义数值控制设备自动关机和熄屏；

14、无线传输功能：支持蓝牙传输数据至手机端（app），手机端可将分析数据上传到科研助手平台。

六、主要应用领域

作物遗传育种与种质筛选：在F₂及以后分离群体中量化基部节间弯折力与穿刺强度，筛选高抗倒伏基因型，建立力学性状与木质素沉积、维管束发育的关联模型。

栽培生理与抗逆研究：评估不同种植密度、氮磷钾配比、化控剂（如矮壮素、烯效唑）处理对茎秆壁厚、机械组织发育及抗倒伏力学指标的影响。

作物倒伏机理与灾变预警：结合风载模拟或田间气象数据，研究茎秆力学衰减规律（如乳熟—成熟期弱化）与倒伏临界风速的关系。

农业工程与收获机械适配：测定成熟期茎秆抗碎裂/抗压强度，为联合收割机滚筒转速、间隙调整及减损设计提供力学依据。

高校实验教学：作物栽培学、植物生理学实验中演示作物抗倒伏性评价的材料力学方法与量化手段。

七、学术使用注意事项

测量前须按说明书进行传感器归零校准，排除测头安装间隙引入的零点漂移；活体测量应统一选取相同节位（通常为基部第N节间）、相同生育时期及相同距地面高度，并注明茎粗与株高以便横向比较；离体测试应尽量缩短采样至测试时间间隔，防止组织失水导致力学性能改变；解读穿刺强度时需考虑探针几何尺寸与压入速率对结果的系统性影响，不同文献间数据对比须关注测试方法一致性。长期野外使用后需检查传感器弹性体是否受污染或微变形，并按周期送计量检定。