CN105929139A - 一种电动式土壤贯入阻力与温度的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤圆锥指数和温度的测量装置，包括测量表头、电动贯入装置、折叠扶手、固定套、支架、支撑底板、支脚、推杆、圆锥形贯入头和测力传感器。电动贯入装置包括直流电机、机座、导向套筒，测量表头与机座连接。圆锥形贯入头在恒速贯入土壤过程中受到来自土壤的贯入阻力，推杆以二力杆形式将所受贯入阻力传递给测力传感器，贯入深度由电机贯入速度和贯入土壤时间的乘积计算得出，温度由温度传感器测出，液晶显示屏实时显示出的土壤贯入深度、土壤圆锥指数、土壤温度。本发明实现了恒速贯入、自动记录和数据储存，其测量精度高、结构简单、工作效率高。

Description

一种电动式土壤贯入阻力与温度的测量装置

技术领域

本发明涉及一种测量土壤机械物理性质的测试装置，尤其是涉及一种测量土壤圆锥指数和温度的仪器。

背景技术

随着农业生产机械化水平不断提高，极大地降低了劳动强度，提高了劳动生产效率，但农业机械设备的大规模、频繁使用使耕地土壤压实问题日趋严重。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，还直接影响着土壤水分的运移。土壤容积质量增加,土壤通气孔隙降低,水渗透能力降低,从而导致土壤侵蚀加重,土壤阻力增加,作物根系生长受阻,进而导致作物产量降低,农田质量退化。

贯入阻力是反应土壤压实度的通用指标，是指一定截面积的锥体或柱塞以恒定速率插入土壤过程中所受的土壤阻力。这一指标不仅可综合反映土壤的机械物理性质，还可用来表征土壤耕作层深度和动力机械在土壤表面上的可行驶性。目前应用较为广泛的是美国农业与生物工程师协会(ASABE)制定的操作标准，其中规定圆锥以恒定速度(30mm/s)贯入土壤。

传统的土壤贯入阻力测量装置采用手动施压贯入、人工记录，其贯入速度难于恒定控制，导致测量精度低并且自动化程度低、劳动强度大、工作效率低。

发明内容

为了克服传统土壤贯入阻力测量装置存在的不足,本发明设计了一种由电动贯入装置和测量表头等构件组成的电动式土壤贯入阻力与温度测量装置，实现了恒速贯入、自动测量与结果储存记录，其测量精度高、结构简单、工作效率高，同时本发明在圆锥形贯入头内设置了温度传感器，实现了将土壤贯入阻力、贯入深度与温度三个重要参数的测量融为一体化测量。

为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案：一种电动式土壤贯入阻力与温度测量装置,包括测量表头、电动贯入装置、折叠扶手、固定套、支架、支撑底板、支脚、推杆、圆锥形贯入头和测力传感器。

电动贯入装置包括直流电机、机座和导向套筒，所述机座内设有起固定蜗杆轴作用的轴承Ⅰ、固定丝杠的轴承Ⅱ、轴承Ⅲ，轴承Ⅱ、轴承Ⅲ之间设有与蜗杆连接的蜗轮；所述导向套筒内壁设有滑槽，与螺母上端的凸起嵌套，导向套筒外缘设有轴向凸起，轴向凸起上下端安装有行程控制开关；所述螺母与丝杠套设，其下端与推管螺接；推管内侧设有测力传感器，所述测力传感器由四片粘贴于推管上端的内壁上的电阻应变片通过桥式电路连接组成，推管 末端通过连接头与推杆上端衔接，所述推杆下端通过内螺纹与圆锥形贯入头连接，所述圆锥形贯入头内侧设有温度传感器。

所述丝杠的上端依次套设轴承Ⅱ、蜗轮、轴承Ⅲ，四者均安装在机座上；所述导向套筒与机座通过螺孔固连；导向套筒、推管、螺母、丝杠从外到内依次套设，直流电机在测量表头的控制下恒速转动，直流电机的蜗杆轴与和丝杠上端固连的蜗轮相互啮合，进而带动丝杠运动，丝杠通过螺母将运动传递给推管，由于螺母的凸起与导向套筒的滑槽嵌套，从而将丝杠的旋转运动转变为推管的竖直进给运动，进而通过连接头带动推杆和圆锥形贯入头，完成上下恒速运动。

测量表头与壳架连接，内侧设有电机驱动模块、应变放大器、A/D转换器、数据储存器、单片机、液晶显示屏、有线和无线传输模块。贯入阻力由圆锥形贯入头、推杆、推管传递给安装在推管内的测力传感器，测力传感器的输出电压经应变放大器、A/D转换器，再通过单片机的处理运算，贯入深度由标准贯入速度和贯入土壤时间的乘积计算得出，温度传感器将测出的温度同时传递给单片机处理，输出在液晶显示屏上并同时保存在数据储存器中，可通过有线或无线模块传输。

本发明相对与现有技术，具有如下的优点和效果：

1.本发明采用直流电机来代替手动施压，将圆锥形贯入头以30mm/s恒定速度贯入土壤，解决了手动测量难以恒速的问题，具有精度高、自动化程度高、劳动强度低等优点。

2.本发明可实现土壤贯入阻力、贯入深度与温度三个参数的一体化测量，其结构简单、坚固耐用、调整方便。

3.本发明的测量表头以单片机、传感器、电机驱动模块、液晶显示屏为核心，测量数据实时显示，同步记录和存储，并无线传输。

4.本发明可通过调整固定套上的锁紧螺母的松紧程度，来调节电动贯入装置与地面的高度，可满足不同贯入深度的测量；所述支架、支撑底板、支脚的整体连接保证了测量装置的平衡,进而使圆锥形贯入头垂直贯入土壤,同时支撑底板也做为踏板，与折叠扶手一起使用，便于抵消操作时，装置带来的反作用力，加强电动贯入装置的稳固。

附图说明

图1为本发明装置的立体结构示意图；

图2为本发明电动贯入装置的分解图；

图3为本发明测量表头的外形结构示意图；

图4为本发明测量表头的电路框图；

图5是本发明导向套筒的横截面图；

图6为本发明固定套的结构示意图；

图7为本发明圆锥形贯入头与推杆连接图；

图中,测量表头(1)，液晶显示屏(11)，按键区(12)，电源开关按钮(12A)，测量按钮(12B)，上升按钮(12C)，下降按钮(12D)，暂停按钮(12E)，左移按钮(12F)，右移按钮(12G)，数据传输接口(13)，外接电源接口(14)，电动贯入装置(2)，直流电机(201)，机座(202)，导向套筒(203)，轴承Ⅰ(204)，轴承Ⅱ(205)，蜗轮(206)，轴承Ⅲ(207)，螺母(208)，丝杠(209)，行程控制开关(210)，推管(211)，连接头(212)，折叠扶手(3)，电机急停按钮(31)，固定套(4)、锁紧螺母(41)、支架(5)、支撑底板(6)、支脚(7)、推杆(8)、圆锥形贯入头(9)、温度传感器(91)和测力传感器(10)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例,对本发明作进一步的详细说明。

实施例：

如图1～7所示，一种电动式土壤贯入阻力与温度测量装置，包括测量表头(1)、电动贯入装置(2)、折叠扶手(3)、固定套(4)、支架(5)、支撑底板(6)、支脚(7)、推杆(8)、圆锥形贯入头(9)和测力传感器(10)；

如图1所示，本发明的折叠扶手(3)上设有电机急停按钮(31)，以便操作者在测量过程中出现特殊情况并及时停止电机运转，进而停止圆锥形贯入头(8)贯入土壤；所述固定套(4)和支架(5)用于稳固电动贯入装置(2)，固定套(4)上锁紧螺母(41)的松紧程度用于调节电动贯入装置(2)与支撑底板(6)的高度，方便不同长度的推杆(8)的安装；所述支架(5)带有三个支腿，支腿底部设有螺孔，所述支脚(7)顶端带有螺杆穿过支撑底板(6)上的安装孔与支腿底部螺孔固接。所述支撑底板(6)为圆形且设有三个安装孔，三个安装孔在支撑底板(6)上均匀分布，安装孔直径与支脚(7)螺杆直径相等，以便支脚(7)螺杆通过安装孔与支架(5)支腿底部连接。

如图2所示，所述电动贯入装置(2)包括无刷直流电机(201)、塑料机座(202)和不锈钢导向套筒(203)，所述塑料机座(202)内设有起固定蜗杆轴作用的轴承Ⅰ(207)、固定丝杠(209)上端的轴承Ⅱ(204)、轴承Ⅲ(205)，轴承Ⅱ(204)、轴承Ⅲ(205)之间设有与蜗杆轴连接的蜗轮(206)；所述导向套筒(203)内壁设有三个均匀分布的滑槽，与塑料螺母(208)上端三个均匀分布的凸起对应嵌套，导向套筒(203)外缘设有轴向凸起，轴向凸起上下端安装有行程控制开关(210)；所述螺母(208)在丝杠(209)中部套设，其下端与不锈钢推管(211)顶端螺接；所述推管(211)内侧上设有应变片式测力传感器(10)，所述的应变片式测力传感器(10)由四片电阻应变片通过桥式电路连接组成，并粘贴于推管(211)上端的内壁上。所述推管(211)末端通过连接头(212)与推杆(8)上端衔接，所述的直径为9.53毫米推杆(8)通过内螺纹与直径为12.83毫米的圆锥形贯入头(9)连接，所述的圆 锥形贯入头(9)内设有型号为DIS18B20的温度传感器(91)；

如图2所示，所述丝杠(209)的顶端依次贯穿有轴承Ⅱ(204)、蜗轮(206)、轴承Ⅲ(205)四者均安装在机座(202)上；所述导向套筒(203)与机座(202)通过螺孔固连；导向套筒(203)、推管(211)、螺母(208)、丝杠(209)从外到内依次套设，直流电机(201)在测量表头(1)的控制下恒速转动，直流电机(201)的蜗杆轴与和丝杠(209)顶端固连的蜗轮相互啮合，进而带动丝杠(209)运动，丝杠(209)通过螺母(208)将运动传递给推管(211)，由于螺母(208)的凸起与导向套筒(203)的滑槽嵌套，从而将丝杠(209)的旋转运动转变为推管(211)的竖直进给运动，进而通过连接头(212)带动推杆(8)和圆锥形贯入头(9)完成上下恒速运动。

如图3所示，测量表头(1)与壳架(22)连接，测量表头(1)内侧设有直流电机驱动模块、低漂移差分应变放大器、24位高精度A/D转换器、EEPROM数据储存器、单片机、1602液晶显示屏(11)、USB传输模块和HC-05蓝牙传输模块；所述1602液晶显示屏(11)固定在测量表头(1)的外壳上，其下方为按键区(12)所述按键区(12)依次包括电源开关按钮(12A)，测量按钮(12B)，上升按钮(12C)，下降按钮(12D)，暂停按钮(12E)，左移按钮(12F)，右移按钮(12G)；测量表头(1)外侧设有USB数据传输接口(13)和外接电源接口(14)。如图4所示，圆锥形贯入头(9)在恒速贯入土壤过程中必然受到来自土壤的贯入阻力,推杆(8)以二力杆形式将所受贯入阻力传递给应变片式测力传感器(10)，深度由标准贯入速度乘以贯入土壤的时间计算得出，同时将DIS18B20温度传感器(91)测出的温度一起传递给单片机处理；应变片式测力传感器(10)的输出电压经低漂移差分应变放大器、24位高精度A/D转换器，再通过单片机的处理运算后，输出在1602液晶显示屏(11)上并同时自动保存在数据储存器EEPROM中。1602液晶显示屏(11)上显示贯入土壤的深度、土壤的圆锥指数、土壤温度，通过调节按键区(12)的按钮可使测量仪处于无线传输模式(蓝牙传输)或有线传输模式(USB传输)。在有线传输模式下，数据通过数据传输接口(13)从EEPROM数据储存器中传输；在蓝牙模式下，操作者可通过手机中的软件APP远程操控测量仪，并查看力与深度的二维图。

Claims (2)

1.一种电动式土壤贯入阻力与温度测量装置,其特征在于：包括测量表头(1)、电动贯入装置(2)、折叠扶手(3)、固定套(4)、支架(5)、支撑底板(6)、支脚(7)、推杆(8)、圆锥形贯入头(9)和测力传感器(10)；

电动贯入装置(2)包括直流电机(201)、机座(202)和导向套筒(203)，所述机座(202)内设有起固定蜗杆轴作用的轴承Ⅰ(207)、固定丝杠(209)的轴承Ⅱ(204)、轴承Ⅲ(205)，轴承Ⅱ(204)、轴承Ⅲ(205)之间设有与蜗杆连接的蜗轮(206)；所述导向套筒(203)内壁设有滑槽，与螺母(208)上端的凸起嵌套，导向套筒(203)外缘设有轴向凸起，轴向凸起上下端安装有行程控制开关(210)；所述螺母(208)与丝杠(209)套设，其下端与推管(211)螺接；所述推管(211)内侧设有测力传感器(10)，所述测力传感器(10)由四片粘贴于推管(211)上端的内壁上的电阻应变片通过桥式电路连接组成，推管(211)末端通过连接头(212)与推杆(8)上端衔接，所述推杆(8)下端通过内螺纹与圆锥形贯入头(9)连接，所述圆锥形贯入头(9)内置有温度传感器(91)；

所述固定套(4)上端为带有夹板的开口圆，夹板上设有锁紧螺母(41)，下端通过法兰盘与平面架头相连；所述支架(5)带有三个支腿，支腿底部设有螺孔，所述支脚(7)顶端带有螺杆穿过支撑底板(6)上的安装孔与支腿底部螺孔固接；

测量表头(1)与机座(202)连接，内侧设有电机驱动模块、应变放大器、A/D转换器、数据储存器、单片机、液晶显示屏(11)、有线和无线传输模块。

2.根据权利要求1所述的一种电动式土壤贯入阻力与温度测量装置，其特征在于：所述电动贯入装置(2)中的导向套筒(203)、推管(211)、螺母(208)、丝杠(209)从外到内依次套设，直流电机(201)的蜗杆轴与丝杠(209)顶端固连的蜗轮(206)相互啮合，进而带动丝杠(209)运动，丝杠(209)通过螺母(208)将运动传递给推管(211)，由于螺母(208)的凸起与导向套筒(203)的滑槽的嵌套，从而将丝杠的旋转运动转变为推管的竖直进给运动。