CN107957305A - 一种多向无线土压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多向无线土压力传感器。传感器由球形六面体骨架、承压盘、环形压块、测力横梁、密封圈和测量电路板构成。当土壤压力作用于压盘，作用力通过压盘施加于横梁中心，使横梁发生变形，粘贴于横梁电阻应变片电阻发生变化，每支应变传感器输出的电压信号经放大器调理后接入多路转换器，多路转换器输出经AD转换器将模拟电压信号变换为数字信号，数字信号由单片机处理后经无线数传模块发送给无线协调器，无线协调器接收到的数字信号通过串口发送到电脑端进一步处理后记录和显示。本传感器精度高、成本低、使用方便、适应性强，可广泛适用于土壤多向应力综合监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量土壤等介质内部压应力的多向无线土压力传感器，尤其是涉及一种测量农田耕地土壤压力的传感装置。
技术背景
在现代农业中，随着农业机械化的发展，土壤的机械压实问题日益严重，并给农业生产造成严重的影响。现在我国对土壤压实的评价主要通过多道面波法、土壤紧实度法、土壤容重法以及土壤孔隙度法来测量土壤的机械压实度，但是都是土壤压实后的静态土压力测量，而无法研究土壤压实过程中的土壤压力变化。目前，国外开始采用土压力传感器来测量土壤被压实过程中土壤压力变化，但是还存在以下不足：
(1)膜盒式等土压力传感器承压面与敏感元件为一体，当介质不均或载荷不匀时会产生较大的测量误差。
(2)单支传感器仅能测量单向土壤压力，不能同时测量多向土壤压力。
(3)有线连接，外部供电，连接繁琐，对土壤扰动大。
发明内容
为了满足农田耕地土壤压力测量要求，本发明设计了一种多向无线土压力传感器，能够适应土壤压力场不均匀时的测量，单支传感器可以同时测量三个方向六个面的土压力，并实现了数据无线传输测量的功能。此装置采用电阻应变式的测量方法，结构简单，成本低廉，使用方便，可广泛适用于土壤多向应力综合监测。
为了实现上述测量的目的，本发明设计了一种多向无线土压力传感器，包含球形六面体骨架、承压盘、环形压块、测力梁、密封圈和测量电路板。
所述的球形六面体骨架开有相互正交3个通孔，在球形六面体骨架表面形成6个孔。
所述的测力梁嵌入到6个孔内，在测力梁中部粘贴有4片应变计，采用全桥联接测量电路。
所述的环形压块为圆饼形，中心开有导向孔，外缘为导向面并设有密封凹槽，环形压块压在测力梁上，并通过螺栓固定牢固。
所述的承压盘为圆盘形，置于六面球形骨架最外部，扣在环形压块上，承压盘的中心设有顶杆，用于传递承压盘压力至测力梁上。
所述的密封圈放置与承压盘和环形压块之间的凹槽内，用于防尘、缓冲和防止压盘脱落。
所述的测量电路板置于球形六面体骨架中，由应变传感器、放大器、多路转换器、AD 转换器、单片机、无线数传模块、电池和充电单元组成。
在本发明中，所述的传感器六个面的每支应变传感器输出的电压信号经放大器调理后接入多路转换器，多路转换器输出经AD转换器将模拟电压信号变换为数字信号，数字信号由单片机处理后经无线数传模块发送给无线协调器，无线协调器接收到的数字信号通过串口发送到电脑端进一步处理后记录和显示。
本发明相对现有的土压力传感器具有以下特点：
(1)承压盘、环形压块、测力梁结构方式使承压盘和测力敏感元件分离，可以避免土壤应力在承压盘上不均匀分布导致的测量误差。
(2)球形六面体骨架式的传感器，采用六个面都放置测量模块的方式，可以同时测量三个互相垂直方向的土压力。
(3)本发明采用电阻应变式的方法和无线数据传输，传感器结构简单，操作简便，成本低廉，可以更好适应农业生产。
附图说明
图1是本发明的多向无线土压力传感器的主体轴侧图。
图2是本发明的多向无线土压力传感器的主体剖视图。
图3是本发明的球形六面体骨架的轴测图。
图4是本发明的传感器测量电路框图。
图中：1.球形六面体骨架；2.测力横梁；3.环形压块；4.密封圈；5.承压盘；6.测量电路板7.电阻应变片。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种多向无线土压力传感器。球形六面体骨架为金属或工程塑料可以采用数控或3D打印方式来完成，其外径为80mm，内部空间放置测量电路板。在球形六面体骨架的六个面分别做直径为45mm的孔，用以放置横梁和固定横梁的环形柱体。
根据横梁两端固定，可以导出其中心弯矩公式：
M＝pl/8
W＝bh2/6
其中M为中心点的弯矩，p为中心点承受的压力值，W是该材料的抗弯截面模量，b是横梁的宽，h为横梁的高。查询材料的许用载荷，根据公式可以求出测力横梁横梁相应的宽和高，且可以通过上述公式理论计算出该地方的土壤压力值。
确定和选取相应尺寸的电阻应变片，将电阻应变片进行全桥连接，温度补偿，得到测量电路，并贴片于测力横梁上，在将每支测量电路接入放大器后接入多路转换器，再连接AD 转换模块对得到的电压型号进行AD转换，然后接入单片机，数据通过单片机处理，为了实现无线数据传输，通过ZigBee模块进行组网，最后将数据信号通过2.4GHz无线传输协议进行无线传输，并通过协调器接受和发送到电脑端实时显示数据。整个过程实现了土壤压力无线监测功能。单片机采用电池1供电。将放大器、多路转换器、AD转换模块、单片机和ZigBee 模块放置与球形六面体骨架中。无线数据传输采用ZigBee模块，实现了数据传输的延时短、低功耗和低成本。
测力梁嵌入到6个孔内，在测力梁中部粘贴有应变计，并将环形压块嵌入6个孔内压在侧力梁上。再将密封圈放到环形压块的凹槽内，再将承压盘置于环形压块上，通过密封环与其紧密连接。
所述的基于电阻应变式的无线土压力传感器理论计算和实际测量存在一定的误差，因此在使用前必须对土压力传感器进行标定，本发明采用油标和砂标，通过实验可以得到单片机测量得到的数据和外界实际土壤压力值得到拟合曲线；通过无线土壤压力传感器测量土壤中压力变化要经过两个过程，包括传感器放置和数据信号传递和处理：传感器放置是当选取一定的深度，然后配合人工挖坑侧壁钻洞埋设的方法，最大程度的减小对原位土壤结构状态的扰动和破坏，能够更加准确地反映农田土壤的应力及压实状况；信号处理是在传感器埋入土壤后，经过压力传递将信号传递到单片机，通过拟合曲线公式得到该区域的土壤压力，并且可以同时得到该处不同方向的土壤压力。
在本发明中，最后数据处理时，可以对同一个方向的两个测量值进行对比，并设置阈值，对发生错误的数据进行排除，最后结果采用二者平均值，数据测量更加精确。
本发明是通过具体实施过程进行说明的，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明专利进行各种变换及等同代替，因此，本发明专利不局限于所公开的具体实施过程，而应当包括落入本发明专利权利要求范围内的全部实施方案。
Claims (2)
1.一种多向无线土压力传感器，其特征是：所述的土压力传感器包含球形六面体骨架(1)、承压盘(5)、环形压块(3)、测力横梁(2)、密封圈(4)和测量电路板(6)构成；所述的球形六面体骨架(1)开有相互正交3个通孔，在球形六面体骨架表面形成6个孔；所述的测力横梁(2)嵌入到6个孔内，在测力横梁中部粘贴有应变计(7)；所述的环形压块(3)为圆饼形，中心开有导向孔，外缘为导向面并设有密封凹槽，环形压块(3)压在测力横梁(2)上，并通过螺栓固定牢固；所述的承压盘(5)为圆盘形，置于六面球形骨架(1)最外部，扣在环形压块上，承压盘(5)的中心设有顶针，用于传递承压盘压力至测力横梁上；在承压盘(5)和环形压块间有密封圈(4)。
2.一种多向无线土压力传感器，其特征是：所述的测量电路板(6)置于球形六面体骨架(1)中间，由应变传感器、放大器、多路转换器、AD转换器、单片机、无线数传模块、电池和充电单元组成；每支应变传感器输出的电压信号经放大器调理后接入多路转换器，多路转换器输出经AD转换器将模拟电压信号变换为数字信号，数字信号由单片机处理后经无线数传模块发送给无线协调器，无线协调器接收到的数字信号通过串口发送到电脑端进一步处理后记录和显示。
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109269705A (zh) * | 2018-10-26 | 2019-01-25 | 大连理工大学 | 一种无线传输压电式四分量测力仪装置 |
| CN110243528A (zh) * | 2019-07-08 | 2019-09-17 | 台州学院 | 一种基于液体压强测量的六维力检测装置 |
| CN111307355A (zh) * | 2020-03-09 | 2020-06-19 | 南京工业大学 | 一种土体全应力分量传感球及其使用方法 |
| CN111629346A (zh) * | 2020-05-25 | 2020-09-04 | 中铁建大桥工程局集团第四工程有限公司 | 一种基于无线传感器的桥面铺装智能压实监测系统及方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102135458A (zh) * | 2010-12-30 | 2011-07-27 | 浙江大学 | 应变梁式土压力传感器 |
| CN105928645A (zh) * | 2016-04-29 | 2016-09-07 | 重庆大学 | 一种基于量子点的三向应力计 |
| CN105938028A (zh) * | 2016-05-17 | 2016-09-14 | 东北农业大学 | 一种基于气压监测方法的无线土压力传感器 |
| CN106932124A (zh) * | 2017-03-10 | 2017-07-07 | 中铁十四局集团有限公司 | 压力传感器及土体压力监测装置 |
| CN208125305U (zh) * | 2018-01-09 | 2018-11-20 | 东北农业大学 | 一种多向无线土压力传感器 |
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2018
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102135458A (zh) * | 2010-12-30 | 2011-07-27 | 浙江大学 | 应变梁式土压力传感器 |
| CN105928645A (zh) * | 2016-04-29 | 2016-09-07 | 重庆大学 | 一种基于量子点的三向应力计 |
| CN105938028A (zh) * | 2016-05-17 | 2016-09-14 | 东北农业大学 | 一种基于气压监测方法的无线土压力传感器 |
| CN106932124A (zh) * | 2017-03-10 | 2017-07-07 | 中铁十四局集团有限公司 | 压力传感器及土体压力监测装置 |
| CN208125305U (zh) * | 2018-01-09 | 2018-11-20 | 东北农业大学 | 一种多向无线土压力传感器 |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109269705A (zh) * | 2018-10-26 | 2019-01-25 | 大连理工大学 | 一种无线传输压电式四分量测力仪装置 |
| CN109269705B (zh) * | 2018-10-26 | 2021-01-19 | 大连理工大学 | 一种无线传输压电式四分量测力仪装置 |
| CN110243528A (zh) * | 2019-07-08 | 2019-09-17 | 台州学院 | 一种基于液体压强测量的六维力检测装置 |
| CN110243528B (zh) * | 2019-07-08 | 2020-11-03 | 台州学院 | 一种基于液体压强测量的六维力检测装置 |
| CN111307355A (zh) * | 2020-03-09 | 2020-06-19 | 南京工业大学 | 一种土体全应力分量传感球及其使用方法 |
| CN111629346A (zh) * | 2020-05-25 | 2020-09-04 | 中铁建大桥工程局集团第四工程有限公司 | 一种基于无线传感器的桥面铺装智能压实监测系统及方法 |
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