CN100561224C - 机载行走式土壤水分与压实度同步实时测量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机载行走式土壤压实度与含水率同步实时测量复合传感器，包括主臂梁，与固定于主臂梁上后臂梁和圆锥体；主臂梁上垂直固定一刀刃支架，主臂梁通过活动支点垂直固定活动支架，活动支架上固定一支链，支链与后臂梁之间固定一压力传感器，压力传感器的信号输出到信号处理器；在刀刃支架下方前部有刀刃，圆锥体与活动支架的底部垂直固定连接，圆锥体上复合有水分探头，其输出经信号处理器后形成两路标准0-5V电压信号；分别代表压实度与含水率值。

Description

机载行走式土壤水分与压实度同步实时测量传感器

技术领域

本发明涉及一种土壤水分测量和压力测量技术，尤其涉及一种机载行走式土壤水分与压实度同步实时测量的复合传感器

背景技术

在农业生产过程中，土壤不仅对植物的生长提供物理支撑，也是植物生长的营养库。大量研究结果已经表明，土壤含水率与压实度是影响农作物生长的两个至关重要物理参数。水是保证农作物生长的命脉，土壤中所发生的一系列反应，能量与物质交换均与水分有关，它直接关系着作物产量与品质。土壤压实度不仅与种子的发芽破土率与植物的根系发育状况密切相关，同时也直接影响着土壤水分的运移过程。自从TOPP等(1980)应用统计实验方法揭示了土壤含水率与土壤介电特性之间的定量关系以来，基于土壤介电特性的土壤含水率测量方法研究引起了土壤科学工作者的广泛关注与重视。土壤圆锥指数定义为圆锥深入土壤过程中单位圆锥表面积所受到的阻力(N/cm²)，是目前国际上广泛使用的评价土壤压实度的测量参数。

近年来的大量研究表明土壤压实度与土壤含水率的之间存在着显著相关性，为了避免两种参数独立测量所带来的一系列问题，尤其是对原状土的扰动的影响以及测量过程的同步性，国内外不少学者开始关注复合传感器的研究。

对于目前已经有的土壤压实度与土壤含水率复合传感器存在以下几个问题：

1.非连续测量问题，是指传感器测量参数时，通过采样点的测量方法来估算整块地的性能。由于土壤的空间变导性极大，这种通过以点代面的方法存在的极大的误差。

2.测量动力问题，现有的测量传感器，尤其是压实度传感器，是采用人力向土里压，测量速度慢，而且在测完一个点后，还必须通过其它方式转移到另外一个点，因此对于大范围测量费时费力。

通过以上分析，可以知道，对于目前存在的土壤压实度与土壤水分测量复合传感是非连续测量且使用不方便。本发明通过将土壤压实度与土壤水分测量融为一体，并设计成机载式，实现田间大范围内的连续快速测量。

发明内容

本发明的目的在于克服已有的土壤压实度与含水率复合传感器不能同时测量，也不能连续测量，以及存在使用不方便等缺点；从而提供一种能够实现田间大范围范围内的同步实时连续测量土壤压实度与含水率的复合传感器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的机载行走式土壤压实度与含水率同步实时测量复合传感器，包括主臂梁1、固定于主臂梁1上的后臂梁2，以及一圆锥体8；其特征在于：还包括主臂梁1上垂直固定一刀刃支架6，在所述的刀刃支架6下方前部有刀刃7；所述的主臂梁1通过活动支点9垂直固定活动支架5，在所述的活动支架前部加装了一个刀刃7及刀刃支架6，以防止活动支架5受到表层土壤阻力的影响，所述的活动支架5上固定一根支链4，所述的支链4与后臂梁2之间固定一压力应变片桥3，所述的压力应变片桥3的后部直接与后臂梁2固定，压力应变片桥3的信号输出到信号处理器15；圆锥体8与活动支架5的底部垂直固定连接，但与刀刃支架6没有接触；所述的圆锥体8上复合水分探头，水分探头测得的信号和所述的压力应变片桥3测得的信号，分别输入信号处理器15，经信号处理器15处理后的输出信号为两路标准0-5V电压信号，分别代表压实度与含水率值，并且可同市场上提供任何模拟信号数据接收器相连(如图1所示)。

在上述的技术方案中，所述的圆锥体8(如图2所示)包括一圆锥头14，圆锥头14后端面上固定一用空心圆杆制作的圆锥柄12；至少2个金属环11镶嵌于圆锥柄12外围，2个金属环11之间镶嵌有绝缘块10；一根同轴电缆13连接圆锥头14，并从圆锥柄12的空心圆杆中穿出；金属环11通过绝缘块10内壁上嵌入的导电片与同轴电缆13连接，且金属环11与圆锥体8和圆锥柄12绝缘；至少2个金属环11串联构成水分探头，它的信号通过同轴电缆13输出到信号处理器15。

信号处理器15的电路见图3。金属环11构成的水分探头的信号经过高频振荡器(晶体振荡器)OCR转换为高频信号后，再经检波电路输出到运算放大器，转换为0-5V标准电压输出。压力应变片桥3(压力传感器)的信号通过检波电路输出到运算放大器，转换为0-5V标准电压输出。

信号处理器1 5的输出信号为两路标准0-5V电压信号，分别代表压实度与含水率值，可同市场上提供任何模拟信号数据接收器相连。

还包括在所述的圆锥体上，不仅可以复合水分探头，同时也可以复合电导率探头，温度探头等。

还包括在测量过程中，可以连接上GPS，也可以不接GPS。

在上述的技术方案中，所述的金属环11的材料选自铜材料，且与其它金属部件都绝缘。

在上述的技术方案中，所述的压力传感器3为压力应变片桥基于应变片原理，型号为SF-S1型。

在上述的技术方案中，所述的绝缘块10的材料选自PVC材料。

在上述的技术方案中，所述的圆锥头14的材料选自镍铬合金材料。

本发明提供的机载行走式土壤水分与压实度同步实时测量系统，在田间使用时主臂梁1与田间拖拉机后挂相连接，并将圆锥横向插入土中。以田间机械的起动为测量起点，到田间机载的停止为测量终点，在这个过程中可以连续地同步实时测量土壤压实度与含水率。这里所述的田间机械包括拖拉机，播种机，施肥机，除草机，收割机，耕地机等田间机械。

本发明提供的机载式土壤水分与压实度同步实时测量传感器具有以下优点：

1.本发明通过巧妙的机机结构，也就是由于活动支架5的连接分别是活动支点9与支链4，均是活动连接，所以活动支架5上所受的力将完全传递到压力应变片桥上，压力应变片桥将所接收到的压力信号转换成电压信号后输出到信号处理器15；在圆锥体8横向前进时，为了防止活动支架5受到表层土壤阻力的影响，在活动支架前部加装了一个刀刃7及刀刃支架6，刀刃7将表层土壤开出一条沟，且刀刃7把受到的土壤阻力将不会传递到压力应变片桥上，因为圆锥体与活动支架底部固定，但与刀刃支架没有连接，刀刃支架受力时，其受力不传递给压力应变片桥，这样保证了压力应变片桥的输出信号只与圆锥体8的受力情况有关，测得数据准确。

2.本发明还将在圆锥体上复合一水分探头，这样一个传感器中复合了土壤压实度与含水率测量；在圆锥体横向前进时，复合于圆锥体上的水分探头不停地与土壤相接触，连续给出土壤含水率信号，并将测量信号输出到信号处理器；可实现两个参数的同步测量。在测量时主臂梁与田间拖拉机后挂相连接，复合传感器下端的圆锥体横向切入土壤，当田间拖拉机向前行进时，测量过程由田间机械实现移动，所以实现了田间大范围内的连续测量。

3.成本低，机械设计坚固耐用

附图说明

图1是本发明的复合传感器结构示意图

图2是本发明复合传感器的圆锥体结构示意

图3是本发明信号处理器电路结构框图

图面说明：

主臂梁-1；     后臂梁-2；     压力应变片桥-3；

支链-4；       活动支架-5；   刀刃支架-6；

刀刃-7；       圆锥体-8；     活动支点-9；

绝缘块-10；    金属环-11；    圆锥柄-12；

同轴电缆-13；  圆锥头-14；    信号处理器-15。

具体实施方式

实施例1，以下结合附图与实施例对本发明进行详细地说明。

参考图1，制作一本发明机载式土壤压实度与含水率同步实时测量的复合传感器。一金属主臂梁1，在其主臂梁1末端的后部固定一金属后臂梁2，主臂梁1的另一端前面板上垂直固定的刀刃支架6，刀刃支架6下部的前有刀刃7；通过一活动支点9与主臂梁1连接一活动支架5，在活动支架5上固定支链4(垂直于在活动支架5)，该支链4用于连接活动支架5与压力传感器3采用SF-S1型压力应变片桥，该压力应变片桥后部直接与后臂梁2固定，前部通过支链4与活动支架5相连。一个本发明制作的复合了水分探头的圆锥体8与活动支架5的底部固定连接，但与刀刃支架6没有接触。

本实施例制作的圆锥体8结构如图2所示，包括一由镍铬合金材料做的有20Cm长度的空心杆作为圆锥柄12，圆锥柄12的一端是镍铬合金材料做的圆锥头14。采用PVC材料的制作的绝缘块10，共3块；铜制作的金属环11，共2个；PVC材料的绝缘块10、铜的金属环11，PVC材料的绝缘块10，铜的金属环11，PVC材料的绝缘块10，按顺序镶嵌于圆锥体8的圆锥柄12的外围，两片金属环11通过镶嵌在绝缘块10内壁上的导电片串联组成一个水分探头，并且金属环11还通过所述的导电片与同轴电缆13电连接，金属环11与圆锥柄12及圆锥头14绝缘，同轴电缆13从圆锥柄12的空心杆中穿出；水分探头的信号通过同轴电缆13输出到数据接收器15。本实施例的圆锥体8上复合水分探头，水分探头测得的信号和所述的压力传感器3测得的信号，分别输入信号处理器15，经信号处理器15处理后的输出信号为两路标准0-5V电压信号，分别代表压实度与含水率值，并且可同市场上提供任何模拟信号数据接收器相连。

本实施例的信号处理器15电路见图3；高频振荡器采用计算机主板上常用的贴片式晶体振荡器，金属环11构成的水分探头的信号经过高频振荡器转换为高频信号后，再经检波电路(检波电路的作用是对经过高频振荡器转换后的高频信号进行滤波)输出到运算放大器，转换为0-5V标准电压输出。所述的运算放大器是将检波后的模拟信号转换成数字信号，并放大为0-5V标准电压信号。

本实施例的压力传感器采用基于应变片原理的压力应变片桥，其型号为SF-S1型；压力应变片桥的信号通过检波电路(检波电路的作用是对经过高频振荡器转换后的高频信号进行滤波)输出到运算放大器(运算放大器的作用是将检波后的模拟信号转换成数字信号，并放大为0-5V标准电压信号)，转换为0-5V标准备电压输出。

测量过程中，主臂梁1与田间拖拉机后挂相连接。复合传感器下端，主要是圆锥体8横向切入土壤，当田间拖拉机向前行进时，圆锥体8横向切入土壤，将会受到土壤阻力的影响，圆锥体8所受到的土壤阻力传递到活动支架5上，由于活动支架5的连接分别是活动支点9与支链4，均是活动连接，所以活动支架5上所受的力将完全传递到压力应变片桥上，压力应变片桥将所接收到的压力信号转换成电压信号后输出到信号处理器15。在圆锥体8横向前进时，为了防止活动支架5受到表层土壤阻力的影响，在活动支架前部加装了一个刀刃7及刀刃支架6，刀刃7将表层土壤开出一条沟，且刀刃7把受到的土壤阻力将不会传递到压力应变片桥上，因为圆锥体与活动支架底部固定，但与刀刃支架没有连接，刀刃支架受力时，其受力不传递给压力应变片桥)这样保证了压力应变片桥的输出信号只与圆锥体8的受力情况有关，测得数据准确。在圆锥体8横向前进时，复合于圆锥体8上的水分探头11不停地与土壤相接触，连续给出土壤含水率信号，并将测量信号输出到信号处理器。

Claims (8)

1.一种机载行走式土壤压实度与含水率同步实时测量复合传感器，包括主臂梁(1)、固定于主臂梁(1)上的后臂梁(2)，以及一圆锥体(8)；其特征在于：还包括主臂梁(1)上垂直固定一刀刃支架(6)，在所述的刀刃支架(6)下方前部有刀刃(7)；所述的主臂梁(1)通过活动支点(9)垂直固定活动支架(5)，在所述的活动支架前部加装了一个刀刃(7)及刀刃支架(6)，以防止活动支架(5)受到表层土壤阻力的影响，所述的活动支架(5)上固定一根支链(4)，所述的支链(4)与后臂梁(2)之间固定一压力应变片桥(3)，所述的压力应变片桥(3)的后部直接与后臂梁(2)固定，压力应变片桥(3)的信号输出到信号处理器(15)；圆锥体(8)与活动支架(5)的底部垂直固定连接；所述的圆锥体(8)上复合水分探头，水分探头测得的信号和所述的压力应变片桥(3)测得的信号，分别输入信号处理器(15)，经信号处理器(15)处理后的输出信号为两路标准0-5V电压信号，分别代表压实度与含水率值。

2.按权利要求1所述的机载行走式土壤压实度与含水率同步实时测量复合传感器，其特征在于：所述的圆锥体(8)包括一圆锥头(14)，圆锥头(14)后端面上固定一用空心圆杆制作的圆锥柄(12)；至少2个金属环(11)镶嵌于圆锥柄(12)外围，2个金属环(11)之间镶嵌有绝缘块(10)；一根同轴电缆(13)连接圆锥头(14)，并从圆锥柄(12)的空心圆杆中穿出；金属环(11)通过绝缘块(10)内壁上嵌入的导电片与同轴电缆(13)连接，且金属环(11)与圆锥体(8)和圆锥柄(12)绝缘；至少2个金属环(11)串联构成水分探头，它的信号通过同轴电缆(13)输出到信号处理器(15)。

3.按权利要求1所述的机载行走式土壤压实度与含水率同步实时测量复合传感器，其特征在于：所述的信号处理器(15)的电路包括：一由至少2个金属环(11)构成水分探头，和高频振荡器OCR、检波电路以及运算放大器的电路；其中所述的金属环(11)构成的水分探头的信号经过高频振荡器OCR转换为高频信号后，再经检波电路输出到运算放大器，所述的运算放大器是将检波后的模拟信号转换成数字信号，并放大为0-5V标准电压信号；和由一压力应变片桥、检波电路和运算放大器组成的电路，其中压力应变片桥的信号通过检波电路输出到运算放大器，转换为0-5V标准电压输出。

4.按权利要求1所述的机载行走式土壤压实度与含水率同步实时测量复合传感器，其特征在于：所述的压力应变片桥(3)为基于应变片原理的压力应变片桥，压力应变片桥(3)的信号通过检波电路输出到运算放大器，转换为0-5V标准电压输出。

5.按权利要求1所述的机载行走式土壤压实度与含水率同步实时测量复合传感器，其特征在于：还包括在所述的圆锥体(8)上同时复合电导率探头，或/和同时复合温度探头。

6.按权利要求2或3所述的机载行走式土壤压实度与含水率同步实时测量复合传感器，其特征在于：所述的金属环(11)选自金属铜制作的，且与其它金属部件都绝缘。

7.按权利要求2所述的机载行走式土壤压实度与含水率同步实时测量复合传感器，其特征在于：所述的绝缘块(10)的材料选自PVC材料。

8按权利要求2所述的机载行走式土壤压实度与含水率同步实时测量复合传感器，其特征在于：所述的圆锥头(14)的材料选自镍铬合金材料。

Images