CN101303338A - 一种车载行进式土壤坚实度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车载行进式土壤坚实度传感器，包括依次连接成L形的锥头、微型压力单元、支持杆、连接杆，所述微型压力单元还包括：受力弹性体，所述受力弹性体的两端设有用于连接所述锥头和所述支持杆的连接螺纹；护套，所述护套是筒状，底部设有通孔，所述受力弹性体通过所述通孔插在所述护套内；感应元件，位于所述受力弹性体和所述护套形成的空间内并且附在所述受力弹性体的外表面。本发明的优点在于简化测量机构，提高集成度，准确度，有利于集成到其它农田车载作业过程中。

Description

一种车载行进式土壤坚实度传感器

技术领域

本发明涉及一种测量土壤坚实度的传感器，尤其涉及一种车载行进式土壤坚实度传感器。

背景技术

近年来随着各种大型现代化农业田间机械设备(例如：施肥、洒药、除草、行走式喷灌以及农作物收获等田间机械)的大规模、频繁使用，无论发达国家还是发展中国家都面临着土壤压实问题日趋严重的现状。土壤压实不仅与农作物产量、种子的发芽破土率以及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。土壤压实的后果是显著地改变了表层土壤孔隙度。因此，土壤透气性降低、表层水入渗的减少与径流的相对增加都直接反映着压实导致农田质量的退变。

对土壤坚实度的定量描述，国际上一般采用圆锥指数CI(ConeIndex)，定义为：圆锥在贯入土壤的过程中圆锥头上单位底面积所受到的土壤阻力，单位为N，kPa，MPa，PSI等。对其结构设计与操作欧洲与美国有各自的规范，目前应用较为广泛的是美国农业工程师学会(ASAE)推荐的土壤坚实度测量标准。该标准主要描述了定点垂直剖面土壤坚实度测量的锥头结构，而在农田尺度下，车载行进式土壤坚实度测量与定点式相比，具有采样密度大、成本相对低的显著优点。

但在现有技术中，土壤坚实度传感器的基本设计思路是把锥头受到的土壤阻力通过受力杆传递给尾部和地上的压力传感器，测量机构相对复杂，与其它土壤参数复合测量中容易引起测量误差，不便于集成到其它车载农田作业过程。

发明内容

本发明的目的在于克服现有车载行进式土壤坚实度传感器的上述不足，提出将土壤坚实度传感器直接嵌入在锥头的设计思想，形成一种新的嵌入式土壤坚实度传感器，简化测量机构，提高测量准确度。

本发明是一种车载行进式土壤坚实度传感器，包括依次连接成L形的锥头、微型压力单元、支持杆、连接杆，所述微型压力单元还包括：受力弹性体，所述受力弹性体的两端设有供连接所述锥头和所述支持杆的连接螺纹；护套，所述护套是筒状，底部有通孔，所述受力弹性体通过所述通孔插在所述护套内；感应元件，位于所述受力弹性体和所述护套形成的空间内并且附在所述受力弹性体的外表面。

其中，所述锥头是上端小下端大的锥形体。

其中，所述受力弹性体，受土壤阻力产生变形，所述感应元件将所述受力弹性体产生的变形转化为电信号输出。

其中，所述受力弹性体两侧还设有限位台阶，通过固定环与所述受力弹性体间的螺纹螺接，所述护套的底端夹在固定环与所述受力弹性体的限位台阶之间。

其中，所述受力弹性体和所述支持杆的轴向设置贯通孔且所述受力弹性体的所述限位台阶之间设置出线孔，所述感应元件的引线通过所述出线孔、所述贯通孔引出到外部。

其中，所述锥头与所述限位台阶之间设有锥头台阶，通过螺纹螺接夹持在所述锥头与所述限位台阶之间。

其中，所述支持杆用于支撑所述微型压力单元，所述支持杆的上表面设有双环介电电极。

其中，所述护套的一端与所述限位台阶和所述锥头台阶之间留有间隙。

其中，所述连接杆一端连接支持杆，另一端连接车载设备。

其中，所述土壤坚实度传感器还包括信号线，所述信号线包括双环介电电极的同轴线与所述感应元件的引线，所述信号线引出到外部后沿着所述连接杆与车载设备相连。

本发明的优点在于简化测量机构，提高集成度，便于与其它参数复合测量；避免土壤摩擦力、测量深度等因数的影响，提高准确度；有利于实现土壤坚实度剖面的测量，有利于集成到其它农田车载作业过程(如耕地、收获、播种等)中。

附图说明

图1为本发明的车载行进式土壤坚实度传感器结构示意图；

图2为本发明土壤坚实度传感器的微型压力单元及其锥头的结构剖面示意图；

图3为本发明土壤坚实度传感器的微型压力单元电阻应变片的位置剖面示意图；

图4是本发明土壤坚实度传感器的微型压力单元电阻应变片的电路连接图；

图5是本发明土壤坚实度传感器复合双环电极的结构示意图。

图中：1、锥头；2、微型压力单元；3、支持杆；4、信号线；5、连接杆；6、锥头台阶；7、受力弹性体；8、限位台阶；9、护套；10、电阻应变片；11、固定环；12、出线孔；13、连接螺纹；14、绝缘环；15、金属环；16、固定螺母；17、夹线栓；18、刀刃；19、连接孔。

具体实施方式

如图1所示，其中锥头1可以是美国农业工程师学会(ASAE)标准推荐的圆锥型，也可以是棱锥型或其他形状；微型压力单元2基于应变片或压电原理，反映锥头受到的土壤阻力，而不受土壤摩擦力与行进深度影响；支持杆3一方面作为微型压力单元2的支撑点，同时也可以进一步复合其它的土壤参数测量，如土壤水分、电导率与温度等参数的测量；微型压力单元的引线从支持杆3的圆心孔引出；连接杆5实现探头(锥头1、微型压力单元2与支持杆3的合称)与车载设备的连接，就本发明的土壤坚实度传感器而言，只要实现固接即可，连接杆5不起力的传递作用，因而其结构可以根据应用设计。

各部分间的连接方式

(1)锥头1可以和微型压力单元2一体化设计，也可以分体设计，采用螺纹连接，分体设计的好处是锥头一定程度磨损后，便于更换；

(2)微型压力单元2与支持杆3通过螺纹连接；

(3)支持杆3与连接杆5之间一般采用螺纹与螺栓固接，既保证连接强度，也便于更换探头；

(4)信号线4从支持杆3贯通孔引出后，沿着连接杆5穿出土壤，起到保护信号线4的作用；

(5)连接杆5与车载设备通过三点悬挂机构固接，利用车载动力牵引探头水平前进。

本发明的车载行进式土壤坚实度传感器的工作过程如下

(1)车载设备在动力牵引下，在田间行进作业，牵引力通过三点悬挂机构、连接杆5传递给探头，从而实现探头在土壤中行进；

(2)探头行进破土的过程中，锥头1受到土壤阻力，微型压力单元2和支持杆3受到表面摩擦力，但微型压力单元2只对锥头1受到的土壤阻力敏感；

(3)微型压力单元2受到土壤阻力后内部弹性体发生形变，该形变通过电阻应变片或压电晶体等敏感元件转化为电信号；

(4)电信号通过信号线4与外部测量电路相连，输出土壤坚实度信号；

(5)利用标定方法，输出信号可以转化为土壤阻力(N)或土壤坚实度(MPa)，实现车载行进式土壤坚实度的连续测量。

在上述内容的基础上，给出一种微型压力单元2的具体实施方式和一种车载行进式土壤坚实度传感器的应用方式。

在本实施方式中，微型压力单元2基于应变片原理设计，图2是微型压力单元及其锥头的结构剖面示意图。其中护套9、固定环11、限位台阶8、锥头台阶6、受力弹性体7均为圆柱形。为了便于更换锥头1，微型压力单元2与锥头1分体设计，通过连接螺纹13与限位台阶8固接，锥头1为符合美国农业工程师学会(ASAE)推荐圆锥头尺寸的大号标准(锥角30°，底面直径20.27mm)，也可以采用非标尺寸或棱锥型结构，锥头1底部的锥头台阶6起到保护微型压力单元护套9与延长锥头1寿命的作用；护套9通过连接螺纹13、固定环11和限位台阶8固接于受力弹性体7底部，一方面保护内部的应变片10，同时避免土壤摩擦力引起的测量误差，此外，可以保证受力弹性体7与支持杆3固接时，不挤压护套9，避免护套9与受力弹性体7发生弯曲变形，引起测量误差。同时护套与锥头台阶6以及限位台阶8(靠近锥头1)之间留有间隙，保证所有锥头1受到的土壤阻力完全传递给受力弹性体7，而不会因为护套9引起测量误差。

电阻应变片10的位置分布如图3所示，其中应变片R1和R3的形变方向与受力弹性体7的轴向平行，反映土壤阻力引起受力弹性体7的轴向形变，应变片R2和R4的形变方向与轴向垂直，不反映弹性元件的轴向形变，主要起到构成图4所示的电桥电路，并起到温度补偿作用。图4所示电桥电路的应变片电阻与输出电压关系为：

$V_{o+}-V_{o-}=\frac{R_1{R}_3-R_2{R}_4}{(R_1+R_2)(R_3+R_4)}\×(V_{\mathrm{in}+}-V_{\mathrm{in}-})$

其中Vo+和Vo-是输出信号的正负端，Vin+和Vin-是电源输入的正负端，如土壤阻力引起应变片电阻变化量分别为：ΔR1＝ΔR2＝ΔR，ΔR3＝ΔR4＝0，同时应变片初始电阻R1＝R2＝R3＝R4＝R，考虑到ΔR＜＜R，忽略ΔR的高次项，则上述公式可写成：

$V_{o+}-V_{o-}=\frac{1}{2}\×\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}\×(V_{\mathrm{in}+}-V_{\mathrm{in}-})$

稳定输入电源电压差V_in+-V_in-，测量输出电压的变化量V_o+-V_o-可反映出应变片的形变，测量土壤阻力，进而获取土壤坚实度。

图5是车载行进式土壤坚实度传感器复合双环电极的结构示意图。其中前端是锥头1与微型压力单元2部分，实现土壤坚实度的测量，在支持杆3上复合了两个金属环15，并用绝缘环14实现相互绝缘以及与支持杆3、固定环11的绝缘，从而形成一对能够用于土壤水分与电导率测量的双环介电电极，同轴线与应变片电桥的引线一起作为信号线4输出，分别连接外部各自的测量电路，夹线栓17把信号线4固定于支持杆3，以免外力损坏探头内部连线，起到保护功能。

支持杆3与连接杆5通过螺母16固接，连接杆5的长度根据测量深度要求设计，连接杆5加工出刀刃18减小阻力，利于破土行进。两个连接孔19用于连接杆5与三点悬挂机构的固接，实现动力牵引。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和修改，这些改进和修改也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种车载行进式土壤坚实度传感器，包括依次连接成L形的锥头、微型压力单元、支持杆、连接杆，其特征在于，所述微型压力单元包括：

受力弹性体，所述受力弹性体的两端设有用于连接所述锥头和所述支持杆的连接螺纹；

护套，所述护套是筒状，底部设有通孔，所述受力弹性体通过所述通孔插在所述护套内；

感应元件，位于所述受力弹性体和所述护套形成的空间内并且附在所述受力弹性体的外表面。

2、如权利要求1所述的车载行进式土壤坚实度传感器，其特征在于，所述锥头是上端小下端大的锥形体。

3、如权利要求1所述的车载行进式土壤坚实度传感器，其特征在于，所述受力弹性体，受土壤阻力产生变形，所述感应元件将所述受力弹性体产生的变形转化为电信号输出。

4、如权利要求1所述的车载行进式土壤坚实度传感器，其特征在于，所述受力弹性体两侧还设有限位台阶，通过固定环与所述受力弹性体间的螺纹螺接，所述护套的底部夹在固定环与所述受力弹性体的限位台阶之间。

5、如权利要求4所述的车载行进式土壤坚实度传感器，其特征在于，所述受力弹性体和所述支持杆的轴向设置贯通孔，且所述受力弹性体的所述限位台阶之间设置出线孔，所述感应元件的引线通过所述出线孔、所述贯通孔引出到外部。

6、如权利要求4所述的车载行进式土壤坚实度传感器，其特征在于，所述锥头与所述限位台阶之间设有锥头台阶，所述锥头台阶通过螺纹螺接夹在所述锥头与所述限位台阶之间。

7、如权利要求6所示的车载行进式土壤坚实度传感器，其特征在于，所述护套的一端与所述限位台阶和所述锥头台阶之间留有间隙。

8、如权利要求1所述的车载行进式土壤坚实度传感器，其特征在于，所述支持杆用于支撑所述微型压力单元，所述支持杆的上表面设有双环介电电极。

9、如权利要求1所述的车载行进式土壤坚实度传感器，其特征在于，所述连接杆一端连接所述支持杆，另一端连接车载设备。

10、如权利要求1所述的车载行进式土壤坚实度传感器，其特征在于，还包括信号线，所述信号线包括所述双环介电电极的同轴线和所述感应元件的引线，所述信号线引出到外部后沿着所述连接杆与车载设备相连。

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