CN106885747A - 基于瞬态加速度检测的土壤贯入特性测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于瞬态加速度检测的土壤贯入特性测量方法及装置，具体就是一种测量土壤贯入阻力进而得出土壤物理性质的一种方法和装置，主要包括加速度检测装置、手柄、导向杆、冲击砝码，连接套、贯入杆、导向支架等。贯入杆贯入土壤，加速度检测装置检测出整个装置下降过程中的加速度变化，完成整个操作过程后，可以将数据读入计算机，做进一步分析处理。通过改变下落过程参数，使贯入土壤时的初速度不一样，从而使锥头到达同一深度时的速度不一样，进而可以建立数学模型探讨速度与贯入阻力的关系，研究出土壤的一系列特性参数，对指导农业生产具有重大意义。本发明实现了变速贯入、自动记录和数据储存，其测量精度高、工作效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量土壤机械物理性质的测量方法及装置，尤其是涉及一种测量土壤阻力仪锥头阻力的测量方法及装置。
背景技术
在农业生产中，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转运。土壤容积质量增加，土壤通气孔隙降低，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。而在工业生产中，例如水利工程，建筑和道路桥梁方面，我们需要一个更紧实的土壤来使作业地基更加稳固，增强施工后的整体结构稳定性。圆锥指数是反映土壤压实度的通用指标，是指一定截面积的椎体或柱塞以恒定速率插入土壤过程中所受的阻力。这一指标不仅可以综合反映土壤的机械物理性质，还可以表征土壤耕作层深度的动力机械在土壤表面的可行驶性。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。而有另外一种动力触探方法，，试验时记录重锤锤击后探头进入特定土层深度时的锤击数N作为探测指标，通过这一探测指标来判断土壤紧实度。
传统的静力触探测量装置采用手动施压贯入、人工记录，装置很复杂，需要匀速贯入，导致自动化程度比较低，而且速度难以恒定控制，容易在贯入的时候产生速度误差，从而导致测量精度低。装置笨重导致自动化程度低,劳动强度低、工作效率低，而且只能实现贯入阻力的测量，功能比较单一。而传统的动力触探方式，测量精度更低，误差范围更大，甚至不能测出具体力的大小。因此，目前迫切需要发明一种通用方便，成本低廉，测量精度高，结构简单的土壤贯入特性测量装置来测量土壤贯入特性。
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加速度检测装置与土壤贯入阻力仪等组成的基于瞬态加速度检测的土壤贯入特性测量装置，实现了非匀速贯入、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，并且操作比较简单。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于瞬态加速度检测的土壤贯入特性测量装置，包括加速度检测装置，土壤贯入阻力仪，导向支架，限位环，水平仪，冲击砝码。
土壤贯入阻力仪包括手柄(1)，导向杆(6)，贯入杆(13)，冲击砝码(5)，圆锥形贯入头(14)，缓冲垫(7)，导向杆(6)与贯入杆(13)通过连接套(8)连接在一起，连接套上方有缓冲垫(7)，缓冲垫(7)与连接套(8)做为一体，使砝码(5)撞击连接套(8)的时候速度过渡更加平稳，同时减小砝码(5)的跳动。导向杆(6)表面都刻有细刻度线，来确定限位环(3)所处高度，所述的限位环(3)套在导向杆(6)上，可上下调节到所需位置并锁定，用于限定冲击砝码(5)提升下落高度和贯入杆组件提升高度，所述冲击砝码(5)由多片砝码组合叠装而成，可以根据测量需要组合成多种重量。贯入杆(13)表面也刻有细刻度线，来辅助确定贯入杆(13)插入土壤深度，锥头(14)通过螺纹与贯入杆(13)相连，实际操作的时候贯入杆(13)插入导向支架(9)中，导向支架(9)中的导向套(12)直径比贯入杆(13)直径略大一点，防止贯入杆(13)发生倾斜，同时又避免产生摩擦，对结果造成影响。加速度检测装置(2)安装在手柄(1)下方位置，与手柄(1)做为一体。所述的限位环(3)套在导向杆(6)上，可上下调节到所需位置并锁定，用于限定冲击砝码(5)提升下落高度和贯入杆组件提升高度。
导向支架(9)可以起到导向和限位作用即可，一般是多脚支架，下面以三脚支架举例进行详细说明，三脚支架通过铰接件与导向套(12)相连并且得到固定，导向支架(9)中的导向套(12)既可以起到导向的作用，同时可以限制锥头(14)的插入深度，防止锥头(14)与桶底发生接触，导向套(12)上方安装一个水平仪(11)，通过观察水平仪(11)中气泡的移动来确定贯入方向是否竖直向下，导向支架(9)的支腿可以通过伸缩调节长度，并用螺钉锁住以使支腿保持在一定长度，以适应不同长度的贯入杆(13)。
本发明的测定装置使用如下两种方法，一种是自由下落法，另一种是砝码冲击法；所述的自由下落法，其具体实施过程如下：
(1)用限位环将冲击砝码锁定到连接套上；
(2)将套在导向杆提升到所需高度；
(3)松开贯入杆组件，贯入杆组件自由下落贯入头向下贯入土壤；
(5)加速度检测装置实时检测贯入过程中的瞬时加速度值经处理传送至电脑端或手机端；
(6)运用加速度检测模块实时检测出贯入特性测量装置的加速度，数据由单片机处理单元经过实时处理后储存到存储单元，并通过无线数据通讯单元传输至监测电脑端或手机端存储，例如蓝牙、无线传输模块、WiFi或Zigbee等，在电脑端或手机端进一步分析处理，如滤除杂波，计算出锥头速度，位移和阻力，并绘制出分析曲线；所述的砝码冲击法，其具体实施过程如下：
(1)将贯入杆组件徐徐下降，直到贯入头接触土面为止；
(2)将套在导向杆上的限位环调节到所需高度后锁定；
(3)将砝码提升到限位环设定高度(砝码上端抵到限位环下端)；
(5)松开砝码，砝码沿导向杆自由下落撞击连接套带动贯入杆组件向下运动，使贯入头贯入土壤；
(5)加速度检测装置实时检测贯入过程中的瞬时加速度值经处理传送至电脑端或手机端；
(6)运用加速度检测模块实时检测出贯入特性装置的加速度，数据由单片机处理单元经过实时处理后储存到存储单元，并通过无线数据通讯单元传输至监测电脑端或手机端存储，例如蓝牙、无线传输模块、WiFi或Zigbee等。在电脑端或手机端进一步分析处理，如滤除杂波，计算出锥头速度，位移和阻力，并绘制出分析曲线；
本发明采用了一种新的土壤贯入特性测量方法：所述的基于瞬态检测的土壤贯入特性测量方法，运用加速度检测装置实时检测记录贯入杆组件在贯入土壤过程中的瞬时加速度获取瞬时加速度时间历程；同时采用低通数字滤波，滤除瞬时加速度高频扰动信号，单片机处理单元将数据进行实时处理，然后后储存到数据存储单元，并可通过无线数据通讯单元传输至监测电脑端或手机端存储，例如蓝牙、无线传输模块、WiFi或Zigbee等。这些数据在电脑端或手机端进一步分析处理，根据滤波处理后的瞬态加速度历程计算获得贯入过程的瞬态贯入阻力时间历程；对滤波后的瞬态加速度进行数值积分获得贯入杆组件运动速度的时间历程；对所获贯入杆组件运动速度的时间历程进行数值积分获得贯入杆组件贯入深度的时间历程；根据上述步骤结果分析获得贯入过程中的贯入阻力、加速度、速度与深度关系特性，并绘制出分析曲线。所述自由下落法中贯入装置下落高度可以调节，使每次的初速度不同，从而使锥头到达不同深度或到达同一深度时所具有的速度不一样。所述砝码冲击法，冲击砝码重量和冲击高度都可以调节使冲击砝码具有不同的初始能量，撞击连接套的时候使整个装置产生不同的加速度，从而使锥头到达不同深度或到达同一深度时所具有的速度不一样，通过构建力学模型进行定量分析，并通过仿真来进行验证计算，探索出锥头速度与锥头所受阻力的关系，并通过这一规律，我们可以建立阻力与土壤一系列的参数的联系，对指导农业生产具有重要意义。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点和效果：
1.本发明采用冲击砝码撞击然后自由下落或是自由下落来代替手动施压，不用考虑贯入过程中的恒速问题，具有精度高，自动化程度高，劳动强度低等优点。
2.本发明可以通过间接方式来得到锥头贯入阻力，大大简化了整个装置的复杂程度，坚固耐用，调整也更加方便。
3.本发明采用加速度检测装置而不是直接用力传感器，方法新颖，结构简单，可以通过加速度计算出阻力，也可以通过加速度计算出锥头速度和位移，实现了多种测量功能，一机多能。
4.本发明可以通过改变冲击砝码个数或者改变冲击下落高度来调整整个装置能量，还可以调整整个装置自由下落高度来使锥头所能达到的最大深度不同，可以满足不同贯入深度的测量；运用导向支架来使贯入时的前进方向保持竖直状态。
5.相对于以往实验，本发明采用了新的测量方法，过去的方法只是进行定性说明，而本方法可以实现定量说明，研究结果更精确，能够从根本上解释土壤阻力问题；
附图说明
图1为本发明装置的立体结构示意图；
图2为本发明圆锥形贯入头与贯入杆连接图；
图3为加速度检测装置的系统组成框图；
图中，手柄(1)，加速度检测装置(2)，限位环(3)，冲击砝码(5)，导向杆(6)，缓冲垫(7)，连接套(8)，导向支架(9)，支腿(10)，水平仪(11)，导向套(12)，贯入杆(13)，圆锥形贯入头(14)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
实施例：
如图1～3所示，一种基于瞬态加速度检测的土壤贯入特性测量装置，包括手柄(1)，加速度检测装置(2)，限位环(3)，冲击砝码(5)，导向杆(6)，缓冲垫(7)，连接套(8)，导向支架(9)，支腿(10)，水平仪(11)，导向套(12)，贯入杆(13)，圆锥形贯入头(14)。
如图1所示，本发明的手柄(1)通过螺纹与导向杆(6)相连，实验的时候可以用手握住手柄(1)，防止整个装置发生倾斜，手柄(1)表面刻上花纹，增大摩擦力，冲击砝码(5)套在导向杆(6)上面，实验的时候有两种方法,第一种方法就是实验的时候用手握住砝码(5)，限位环(3)移动到一定高度然后锁定，导向杆(6)上面标记有刻度线，可以帮助我们确定冲击砝码(5)提升高度，这样冲击砝码(5)的下降高度也就可以确定了，改变冲击砝码(5)的下降高度，使整个装置具有不同的能量，在锥头(14)到达同一深度时具有不同的速度，排除深度对锥头(14)阻力的影响；第二种方法就是用限位环(3)将冲击砝码(5)与连接套(8)锁定在一起，然后把整个装置提升到一定高度，从静止开始释放出来，使整个装置自由下落然后贯入土壤中，改变提升的高度，使整个装置拥有不同的能量，锥头(14)到达同一深度时具有不同的速度，可以消除深度对阻力的影响而只考虑速度对阻力的影响。导向杆(6)和贯入杆(13)通过连接套(8)连接，同样也是螺纹连接，导向杆(6)用于给冲击砝码(5)导向，使砝码(5)沿竖直方向下落，在连接套(8)上面有缓冲垫(7)，使撞击的时候速度过渡更加平稳，同时减小冲击砝码(5)撞击后的跳动。实验的时候可以用水平仪(11)来协助确定贯入杆(13)保持竖直状态，如果水平仪(11)中的气泡在中间位置，就代表此时的贯入方向是竖直向下，限位环(3)套在导向杆(6)上，可上下调节到所需位置并锁定，用于限定冲击砝码(5)提升下落高度和贯入杆组件提升高度。导向支架(9)用于导向和限制锥头(14)插入深度，导向支架(9)的支腿(10)可以伸缩变换长度以适应不同长度的贯入杆(13)，导向支架(9)用铝合金制成。加速度检测装置(2)安装在手柄下方(5)，与手柄(1)连为一体，导向套(12)内部加工光滑，尽量在导向的同时减少摩擦。导向套(12)内圆直径比贯入杆(13)直径略大，以便适应不同长度的插入深度，导向套(12)可以限制连接套(8)的下降高度，从而限制锥头(14)插入深度，以免插入过深使实验设备损坏。贯入杆(13)表明刻有细刻度线，用来辅助判断贯入杆(13)的贯入深度，整个贯入装置用不锈钢制作。
如图3所示，锥头(14)在插入土壤以后，锥头(14)阻力变化会引起锥头加速度变化，加速度传感器将加速度变化转化为电信号传输给单片机处理单元，加速度传感器型号可为ADXL345，单片机处理单元对数据进行分析处理，单片机处理单元型号可为STM32F103ZET6，随后可以由数据存储单元将处理后的数据存储起来，数据存储单元的型号可为AT24C512，同时也可以通过蓝牙传输单元将数据传输到电脑端或手机端，蓝牙传输单元的型号可为HC-05。加速度检测装置由锂电池供电，锂电池供电电压为3.7v,容量大于250mAh。根据加速度变化值与力之间的牛顿力学关系进行运算可以得出阻力值，加速度经过第一步积分可以得出速度随时间变化量，把速度进一步积分可以得出位移随时间的变化量，从而可以得出一系列参数，并绘制出分析曲线。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。
Claims (10)
1.基于瞬态加速度检测的土壤贯入特性测定装置，其特征是：它包括贯入杆组件、导向支架(9)和加速度检测装置(2)；所述的贯入杆组件用于贯入土壤，所述的导向支架用于导向和限位贯入杆(13)的运动，所述的加速度检测装置用于实时检测贯入杆组件贯入时的运动加速度。
2.根据权利要求1所述的基于瞬态加速度检测的土壤贯入特性测定装置，其特征是：所述的贯入杆组件包括贯入头(14)、贯入杆(13)、连接套(8)、导向杆(6)、冲击砝码(5)和限位环(3)，连接套上方有缓冲垫(7)，缓冲垫与连接套做为一体，使砝码撞击连接套的时候速度过渡更加平稳，同时减小砝码的跳动。
3.根据权利要求1所述的基于瞬态加速度检测的土壤贯入特性测定装置，其特征是：所述的导向支架(9)包括支腿(10)和导向套(12)，导向套上方还安装一个水平仪(11)，导向套与支腿上端铰接相连并且固定，所述导向支架用于调节和限制贯入杆贯入深度，并使贯入杆能垂直下落贯入土壤，所述水平仪用于实验之前调整锥头贯入方向，通过气泡的移动来判断贯入杆的初始速度方向是否与地面垂直。
4.根据权利要求1所述的基于瞬态加速度检测的土壤贯入特性测定装置，其特征是：所述的加速度检测装置安装在探杆链接套上或导向杆上端，它由加速度传感器、数据采集单元，单片机处理单元、存储单元、有线与无线数据通讯单元以及电池供电和充电单元组成；加速度传感器实时检测贯入杆运动加速度数据，经过数据采集和单片机处理单元实时处理后储存到存储单元，并可通过有线或无线数据通讯单元传输至监测电脑端。
5.根据权利要求2所述的基于瞬态加速度检测的土壤贯入特性测定装置，其特征是：所述的贯入头与贯入杆螺纹连接，可以根据不同土壤和测量标准更换。
6.根据权利要求2所述的基于瞬态加速度检测的土壤贯入特性测定装置，其特征是：所述的连接套通过螺纹将贯入杆和导向杆连接成一体。
7.根据权利要求2所述的基于瞬态加速度检测的土壤贯入特性测定装置，其特征是：所述冲击砝码由多片砝码组合叠装而成，可以根据测量需要组合成多种重量。
8.根据权利要求2所述的基于瞬态加速度检测的土壤贯入特性测定装置，其特征是：所述贯入杆、导向杆上标有细刻度线(4)。
9.根据权利要求2所述的基于瞬态加速度检测的土壤贯入特性测定装置，其特征是：所述的限位环套在导向杆上，可上下调节到所需位置并锁定，用于限定冲击砝码提升下落高度和贯入杆组件提升高度。
10.基于瞬态加速度检测的土壤贯入动态特性测定方法，其特征如下：
(1)实时检测记录贯入杆组件在贯入土壤过程中的瞬时加速度获取瞬时加速度时间历程；
(2)采用低通数字滤波，滤除瞬时加速度高频扰动信号；
(3)根据滤波处理后的瞬态加速度历程计算获得贯入过程的瞬态贯入阻力时间历程；
(4)对滤波后的瞬态加速度进行数值积分获得贯入杆组件运动速度的时间历程；
(5)对所获贯入杆组件运动速度的时间历程进行数值积分获得贯入杆组件贯入深度的时间历程；
(6)根据上述步骤结果分析获得贯入过程中的贯入阻力、加速度、速度与深度关系特性。
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