CN108007337A - 时域深度传感器 - Google Patents

Abstract

此处的实施例涉及用于确定地面接合装置在土壤中的深度的时域深度传感器系统和方法。该传感器系统可包括布置在适于穿透土壤的地面接合装置的外周上的信号传输元件。信号传输元件可布置成用以接收并传输响应于阻抗不连续性的、由脉冲检测器检测到的电信号。脉冲检测器构造为检测对应于在第一土壤位置处和第二土壤位置处感测的阻抗不连续性的第一反射信号和第二反射信号。电数据处理器可通信地联接脉冲检测器，并且构造为基于第一反射信号的第一传播时间与第二反射信号的第二传播时间之间的差异确定地面接合装置在土壤中的深度。

Description

时域深度传感器

技术领域

本公开的内容总体上涉及一种用于确定地面接合装置在土壤中的深度的时域(time domain)深度传感器系统。

背景技术

在农业生产中，保持最佳土壤条件以最大限度地提高作物产量是非常重要的。通过保持最佳土壤条件，作物能够获得足够的营养，这些营养对健康的生长是必不可少的，这又导致了持续的作物生产。良好的土壤质量的示例可包括、例如、良好的土壤耕作、适当的种植深度、受限的植物病原体和良好的土壤排水，其中，任何此类条件的缺失均可导致无法正常发芽。例如，在较浅的沟渠深度处，可能经历较大的湿度波动和温度波动，从而造成作物损害。因此，在农业生产中，对于能够监测土壤条件并执行精确的深度测量的农业设备和系统的需求日益增长。

为了解决这些问题，一些常规方法利用下压力测量和机械设计来推断种植深度。例如，诸如测隙规、电位计、线性位置传感器和超声波测距仪之类的某些机械装置很容易有不准确的深度测量，这趋于降低以不准确的种子深度种植的作物的产量。因此，本领域中仍然存在对能够执行精确的实时的深度测量的系统的需要。

发明内容

此处公开了一种用于利用时域反射法确定播种机的地面接合装置在土壤中的深度的传感器系统。该传感器系统包括适于穿透土壤的地面接合装置。至少一个信号传输元件可布置成邻近地面接合装置的外周延伸以接收并传输电信号。例如，信号发生器连接到至少一个信号传输元件并将电信号传输到至少一个信号传输元件内，该电信号由脉冲检测器检测。脉冲检测器连接在信号传输元件与信号发生器之间并且构造为检测在第一土壤位置处的第一反射信号和在第二土壤位置处的第二反射信号，其中，第一反射信号和第二反射信号分别响应于信号传输元件中的检测到的阻抗不连续性而生成。电数据处理器可通信地联接到信号发生器和脉冲检测器，并且构造为基于第一反射信号的第一传播时间与第二反射信号的第二传播时间之间的差异确定地面接合装置在土壤中的深度。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的传感器系统的一个实施例的框图。

图2A是其中包含有图1的传感器系统的播种机系统的一个实施例的侧视图。

图2B是根据本发明的实施例的地面接合装置的后视图。

图3A是根据一实施例的图1的传感器系统的布置在地面接合装置上的信号传输元件的侧视图。

图3B是根据一实施例的图1的传感器系统的布置在图2B的地面接合装置的前部圆盘上的信号传输元件的侧视图。

图3C是根据一实施例的图1的传感器系统的布置在图2B的地面接合装置的后部圆盘上的信号传输元件的侧视图。

图4是由图1的传感器系统传输的传输脉冲的脉冲波形的图示。

图5是图1的传感器系统在使用时的图示。

图6是由图1的传感器系统传输的传输脉冲的脉冲波形的图示。

图7是图1的传感器系统在使用时的图示。

图8是根据一实施例的用于利用图1的传感器系统确定沟渠的深度的方法的流程图。

在全部的若干附图中相似的附图标记用于指示相似的元件。

具体实施方式

参照图1至图2B，示出了与播种机系统250结合的传感器系统100，如图所示，播种机系统250可包括构造为在将种子或其它作物材料(例如，根、球茎、或根状茎)分配至土壤中的同时穿过田地行进的播种机行单元。在其它实施例中，传感器系统100也可用于空气播种机、谷物条播机、耕作单元、或与图1(其只是一个示例性实施例)类似的其它农业设备中。

在图1中，示出了传感器系统100的一个实施例的框图。在一些实施例中，传感器系统100可包括时域传感单元102，时域传感单元102电联接到布置在土壤接合装置220上的信号传输元件104。例如，时域传感单元102可包括信号发生器112、脉冲检测器122、处理器132和显示器142。如所描绘的，信号发生器112可经由第一触点113a电联接到信号传输元件104的第一端部105b、使得通过信号发生器112生成一系列的电脉冲(例如、阶梯函数或脉冲函数)并经信号传输元件104传输这一系列的电脉冲。每个脉冲均经信号传输元件104、例如以纳秒的级别、快速地传送。随着每个脉冲经信号传输元件104传送至第二端部105a，电脉冲的一部分在遇到阻抗变化或不连续时被反射回来，由脉冲检测器122经由第二触点113b检测到。

特别地，当土壤接合装置220进入和离开土壤150时，由于电介质的变化(即、空气到土壤)和常数的变化，空气-土壤界面处的阻抗(即、阻抗失配)将有可测量的变化。例如，空气具有约为1的相对较小的介电常数，尽管干燥的土壤具有同样小的介电常数(约为2.5)，但必须考虑土壤的含湿量(即含水量)。因此，由于与空气和干燥的土壤相比水的介电常数相当大(约为80)，空气-土壤界面处的阻抗将发生显著的变化。继而，被反射的电脉冲的总行进时间将与空气-土壤界面处的介电常数的变化直接相关或者与介电常数关于土壤接合装置220或相关的作物材料在土壤中的深度的变化相关联。

处理器132可操作地联接到脉冲检测器122，并且被构造成接收并处理由脉冲检测器122生成的输出信号以确定由土壤接合装置220形成的开口270的深度。在实施例中，处理器132可包括数字信号处理器(DSP)、微处理器、微控制器、电控制单元、或其它适合的处理器单元，以及硬件、固件和/或软件中的任何一者。在实施例中，处理器132可经由有线或无线通信(例如、经由WiFi、蓝牙或以太网)可通信地联接到显示器142。由处理器132确定的信息可在显示器142上显示、或可被存储在处理器132的存储器单元中，使得播种机系统250的车辆操作员或一些其它用户可实时或稍后访问该信息。在各种实施例中，显示器142可包括LCD显示器、LED显示器、OLED显示器、触摸显示器或其它适合的用户接口。

在图2A中，根据实施例示出了其中结合有传感器系统100的播种机系统250的图示。在实施例中，播种机系统250可包括安装在框架254上的、布置成大体直立的位置的料斗252。包括上臂258a和下臂258b以及致动装置260的平行臂装置256能以悬臂状构型安装到支承框架254，使平行臂装置256向外并远离框架254延伸。在一些实施例中，致动装置260可安装到上臂258a或下臂258b中的至少一者，并且可包括机械的、气动的、液压的或其它合适的致动器以在播种机系统250上施加提升力和/或下压力。具有大致圆形构型的计量单元262可被布置在漏斗252下方，并且可被构造为将从漏斗252接收的种子分配到种子导管264中。种子导管264将从计量单元262接收的种子引导到由土壤接合装置220形成于土壤150中的开口270。在一些实施例中，可布置成从框架254向下延伸的支承构件266安装成与种子导管264相邻。支承构件266能够可操作地联接到土壤接合装置220并且可包括柄部、立柱或其它合适的支承结构。

如图2B所描绘的那样，在一些实施例中，土壤接合装置220可包括第一圆盘开沟器222a和第二圆盘开沟器222b，第一圆盘开沟器222a和第二圆盘开沟器222b可绕中央轴线旋转并布置成用以形成开口270。在一些实施例中，可以根据设计和/或规格要求包含更多或更少的圆盘开沟器222a、222b，而在其它实施例中，土壤接合装置220可包括耕作刀片、谷物条播机(graindrill)或其它合适的装置。在播种机系统250行进穿过田地时，圆盘开沟器222a、222b将在大约圆盘开沟器222a、222b进入土壤的点处(例如、参照图2B)汇聚以形成开口270。之后种子沉积在开口270的底部，并且多余的土壤从通道270中移除以提供更好的可视性并确保适当的种子与土壤的接触。为了调节土壤接合装置220的穿透深度，至少两个调整轮224安装成紧邻土壤接合装置220。闭合轮组件226可布置成跟随土壤接合装置220和调整轮224，并且可操作成闭合由土壤接合装置220形成的开口270。

现参照图3，参照图1论述的信号传输元件104可布置成紧邻圆盘开沟器222a或222b中至少一者的外周324。特别地，信号传输元件104可布置成从第一端部105a绕圆盘开沟器的前表面326环状地延伸至第二端部105b。在实施例中，信号传输元件104可包括线缆330，线缆330具有设置在电绝缘外壳内用于传输信号的导电元件。线缆330可具有任意的预定长度，并会根据设计和规格要求而有所不同。例如，由于线缆长度影响信号质量，线缆330的尺寸的确定不仅应当与圆盘开沟器的尺寸有关，而且也应当确保良好的信号质量。此外，虽然在此处论述的实施例中信号传输元件104示出为包括线缆330，需要注意的是，在其它实施例中，信号传输元件104可包括双绞线线缆、明线线缆(open wire cable)、导电杆或其它合适的信号承载元件。在其它实施例中，两个或更多信号传输元件104可被布置在圆盘开沟器222a、222b中任一者或二者上以补偿圆盘开沟器222a、222b(例如、参照图2B和图3B至图3C)的磨损。如图3所描绘的那样，在一些实施例中，圆盘开沟器222a或222b可进一步包括形成于圆盘开沟器的前表面326中的线材接收通道328，其布置成用以接收信号传输元件104并紧固信号传输元件104的定位。在其它实施例中，信号传输元件104可被表面安装到圆盘开沟器上，并且被由诸如陶瓷或塑料板之类的非导电材料形成的外壳(未示出)包围。

关于图1至图3，本领域技术人员将会理解，图1至图3未按比例绘制并且仅供说明之用。值得注意的是，在其它实施例中，各种组件的大小、尺寸、结构布局和数量可以并且将有所不同。例如，在其它实施例中，传感器系统100可包括诸如信号处理电路之类的附加电路、或诸如两个或更多个时域传感单元、检测器或处理器之类的附加部件。

现参照图4至图7，示出有脉冲波形的图形说明和对应的土壤反射位置的图示说明。在图4中，描绘了由脉冲检测器122测量的当承载信号传输元件104的土壤接合装置220进入和离开土壤150时的响应的脉冲波形400。在T1时间处发生的第一反射脉冲R1代表在土壤接合装置220于第一土壤位置420(图5)处进入土壤时的脉冲反射。类似地，在T2时间处发生的第二反射脉冲R2代表在土壤接合装置220于第二土壤位置430处离开土壤时的脉冲反射。如所描绘的那样，第一反射脉冲R1和第二反射脉冲R2的每一者的振幅(即、强度)均显示在竖直轴上，而对应的反射时间T1、T2沿水平轴显示。每个反射的脉冲的振幅和形状均将根据阻抗变化的大小而定。例如，如参照图1所论述的那样，当土壤接合装置220进入土壤时，由于空气和土壤的介电值改变，在空气-土壤界面处将遇到相当大的阻抗不连续性。

在图6中，示出了在不同土壤条件下可能遇到的另一示例性脉冲波形500。例如，在一些实施例中，水管线540可被设置于土壤表面下方的固定位置处，以将水供应给沉积在开口270中的土壤和材料(例如、种子、谷物等)。在这样的实施例中，地面下方的土壤一般将分为两个区域：位于水管线540上方的干燥土壤区542和位于水管线540以下的湿润土壤区544。值得注意的是，这两个区域基于它们的相对含湿量而被特征化，在大多数情况下，湿润土壤区544具有比干燥土壤区542更大的含湿量和介电值。如图6所示，当地面接合装置220进入和离开土壤时，在干燥土壤区542和湿润土壤区544中的每一者处中均遇到至少两个阻抗不连续性。例如，类似于脉冲波形400，在T_X1、T_X4时间处发生的反射脉冲R_X1、R_X4在土壤接合装置220于位置520、530处进入和离开土壤时在空气-干燥土壤界面处被反射。此外，当土壤接合装置旋转贯穿干燥土壤区和湿润土壤区542、544的每一者之间的土壤时，在T_X2、T_X3时间处发生的反射脉冲R_X2、R_X3于土壤位置524、528处在干燥土壤-湿润土壤界面处被反射。

脉冲波形400、500可被显示在诸如显示器142之类的用户界面上，用户界面可位于操作员车辆中或位于远程位置，以供操作员查看。此外，应当注意，脉冲波形400、500代表传送信号的理想迹线，并且还可包括由沿信号传输元件104的长度检测到的其它电特性不连续(例如不需要的背景噪声)产生的反射。然而，这种噪声可由包含于传感器系统100中的滤波电路(未示出)滤波。

参照图8，示出了用于确定材料接收通道的深度的方法600的流程图。在602处，信号发生器112生成经信号传输元件104传输的具有已知传送速度的一系列脉冲信号。当土壤接合装置220在第一位置420、520处穿透土壤时，在604处，第一反射脉冲R1或R_X1如参照图4和图6所论述的那样响应于所感测到的阻抗不连续性经信号传输元件104反射回来。在606处，第一反射脉冲R1或R_X1的传播时间T1或T_X1由脉冲检测器122记录。类似地，当土壤接合装置220在第二位置430、530(即、空气-土壤界面)处离开土壤150时，在608处，第二反射脉冲R2或R_X2响应于感测到的介质的介电常数的变化经信号传输元件104反射回来。在610处，第二反射脉冲R2或R_X2的传播时间T2或T_X2由脉冲检测器122记录。在一些实施例中，时域传感单元102可进一步包括定时/计时装置以监控初始脉冲被传输到信号传输元件的时间和脉冲返回到初始传输点的时间。

接着，在612处，确定初始传输点与任意反射参考点之间的距离。在一个实施例中，时域传感单元102的处理器132可利用脉冲波形的传送速度与每一个所记录的时间(例如、开始时间、传播时间和/或总行进时间)共同地确定到所测量的反射的距离。例如，到R1被反射的第一位置420的距离可以根据初始脉冲传输的开始时间、反射脉冲的传播时间T1和脉冲波的传送速度来确定。换言之，可以基于传输脉冲与反射脉冲之间的经过时间来计算到不连续(即、脉冲反射)的距离，继而允许确定土壤接合装置220在开口270中的穿透深度。例如，由处理器132计算T1和T2之间的时间差(即、总传播时间)以确定土壤接合装置220在土壤中的穿透深度，该深度对应于开口270的深度的直接测量。

在其它实施例中，所计算的时间差可用于确定土壤的含湿量。例如，总传播时间可与介电常数已知的材料的传播时间的参考值进行比较，以确定含湿量。在其它实施例中，可基于土壤接合装置220的深度近似得出种子或其它作物材料沉积的深度。一旦确定了该深度，处理器132将结果输出到诸如显示器142之类的用户界面，该用户界面可局部地定位在联接到播种机系统250的车辆上或定位在远程位置处，从而允许使用者或操作者易于实时地确定开口270的深度测量值。

不以任何方式限制下文出现的权利要求的范围、解释或应用，本文公开的一个或多个示例实施例的技术效果是用于确定沟渠深度的时域传感器系统和方法。尽管已经在附图和前面的说明中详细地图示并描述了本公开内容，然而这种图示和描述并非以字面的形式进行限制，应当理解，已经示出并描述了说明性的实施例并且希望保护在本公开内容的精神内的所有改变和修改。本公开内容的替代性实施例可不包括所描述的所有特征但仍可从这些特征的至少一些优点中获益。本领域普通技术人员可以设计出包括本公开内容的一个或多个特征的他们自己的实施方式，并落入随附权利要求的精神和范围内。

Claims (15)

1.一种传感器系统，所述传感器系统用于利用时域反射法确定地面接合装置在土壤中的深度，所述传感器系统包括：

地面接合装置，所述地面接合装置适于穿透土壤；

至少一个信号传输元件，所述至少一个信号传输元件布置成邻近所述地面接合装置的外周延伸；

信号发生器，所述信号发生器连接到所述至少一个信号传输元件并构造为将电信号传输到所述至少一个信号传输元件内；

脉冲检测器，所述脉冲检测器连接在所述至少一个信号传输元件与所述信号发生器之间，并构造为检测在第一土壤位置处的第一反射信号和在第二土壤位置处的第二反射信号，其中，所述第一反射信号和所述第二反射信号分别响应于所述至少一个信号传输元件中的检测到的阻抗不连续性而生成；以及

电数据处理器，所述电数据处理器可通信地连接到所述信号发生器和所述脉冲检测器，其中，所述电数据处理器构造为基于所述第一反射信号的第一传播时间与所述第二反射信号的第二传播时间之间的差异确定所述地面接合装置的所述深度。

2.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，所述至少一个信号传输元件布置成在第一端部与第二端部之间延伸以大致环绕所述地面接合装置的直径。

3.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，所述至少一个信号传输元件包括两个或更多个金属导体。

4.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，所述至少一个信号传输元件包括线缆，所述线缆具有固定的长度。

5.根据权利要求4所述的传感器系统，其中，所述线缆包括双绞线线缆、明线线缆、导电杆中的至少一种或其组合。

6.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，所述地面接合装置联接到农业工具的框架，并且，所述地面接合装置包括至少一个圆盘开沟器。

7.根据权利要求6所述的传感器系统，其中，所述至少一个圆盘开沟器包括电绝缘材料。

8.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，所述地面接合装置包括耕作刀片、谷物条播机中的至少一种或其组合。

9.根据权利要求1所述的传感器系统，进一步包括显示器，所述显示器布置成显示所述土壤的深度剖面。

10.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，所述电信号是阶跃脉冲电压。

11.一种用于确定地面接合装置在土壤中的深度的方法，所述方法包括：

提供布置在地面接合装置上的信号传输元件；

生成将沿着所述信号传输元件传输的第一脉冲信号；

检测第一土壤位置处的至少一个第一反射信号；

检测第二土壤位置处的至少一个第二反射信号；以及

通过计算所述第一反射信号的第一传播时间与所述第二反射信号的第二传播时间之间的差异确定所述地面接合装置在土壤中的深度。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，生成所述第一脉冲信号包括生成到所述信号传输元件中的一系列阶跃电脉冲。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，检测所述第一反射脉冲和所述第二反射脉冲进一步包括使所述反射脉冲的测量振幅与阻抗相互关联。

14.根据权利要求11所述的方法，进一步包括基于所计算出的深度测量值实时地生成所述地面接合装置的用于在用户界面上显示的深度剖面。

15.根据权利要求11所述的方法，进一步包括基于所述第一反射信号的所述第一传播时间与所述第二反射信号的所述第二传播时间之间的计算出的差异确定土壤湿度边界。