CN108444751B - 一种土壤采集与在线检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤采集与在线检测装置，包括固定框支架、采集检测箱体、钻杆和固定在所述固定框支架外部的检测单元，所述采集检测箱体呈竖直上下滑动安装在固定框支架内，所述钻杆的固定端安装在采集检测箱体内，所述钻杆的头部从所述采集检测箱体竖直伸出；在所述采集检测箱体内置有驱动电机、上支撑架、下支撑板，在所述下支撑板固定有联轴器，所述下支撑板与采集检测箱体底部之间围成一腔体，所述探测头的一端伸至腔体的底部，所述探测头的另一端依次从下支撑板和上支撑架向上伸出后通过导线与所述检测单元电气连接。本发明的采集与在线检测装置能快速地采集土壤和在线检测，及时了解土壤的质量和污染状况，而且采集方便、检测准确。

Description

一种土壤采集与在线检测装置

技术领域

本发明属于土壤污染检测与整治技术领域，尤其涉及一种土壤采集与在线检测装置。

背景技术

土壤是植物生长发育的基础，植物正常所需要的水分、空气和养分等肥力受到各种环境因素的影响和制约。随着城市的扩大、大规模工业的发展以及人口的急剧增长，各种固体废弃物废水不断向土壤中渗透，大气中的有害气体及烟尘也不断随雨水降落到土壤中，导致了土壤的污染日益增加，而土壤污染直接影响土壤生态系统的结构和功能，最后将对生态安全和人们的健康构成威胁。由于土壤污染从产生污染到出现问题通常会滞后较长时间，因此，土壤污染问题不太容易被重视。土壤是复杂多相的聚合体，受多因素的影响使得土壤在线快速检测技术一直都是难以突破的技术瓶颈，因此探索适用于田间地头现场土壤快速在线检测，及时了解土壤的肥力和污染状况，对于高效、精确地了解植物所生长的土壤养分空间分布状况和土壤污染分布，为土壤改善提供合理的依据，以减少环境污染，对于提升植物生长的土壤环境和促进农业科技进步有着重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种土壤采集与在线检测装置，根据本发明的采集与在线检测装置能快速地采集地下土壤和在线检测，及时了解土壤的质量和污染状况，而且采集方便、检测准确，为土壤改善提供合理的参考依据。为实现上述目的，本发明型采用以下技术效果：

根据本发明的一个方面，提供了一种土壤采集与在线检测装置，包括固定框支架、采集检测箱体、钻杆和固定在所述固定框支架外部的检测单元，所述采集检测箱体呈竖直上下滑动安装在固定框支架内，所述钻杆的固定端安装在采集检测箱体内，所述钻杆的头部从所述采集检测箱体竖直伸出；在所述采集检测箱体内置有驱动电机、上支撑架、下支撑板，在所述下支撑板固定有联轴器，所述驱动电机通过上支撑架、下支撑板和联轴器固定在采集检测箱体内部上端，所述驱动电机的输出轴通过所述联轴器与所述钻杆的固定端连接，所述下支撑板与采集检测箱体底部之间围成一腔体，所述钻杆从联轴器向下经过腔体和采集检测箱体的底部穿出，在下支撑板上设置有一对插入腔体内的探测头，在探测头与钻杆之间设置有沿钻杆延伸方向的隔网片，所述探测头的一端伸至腔体的底部，所述探测头的另一端依次从下支撑板和上支撑架向上伸出后通过导线与所述检测单元电气连接。

上述方案进一步优选的，所述探测头与采集检测箱体之间设置有沿钻杆延伸方向的加热腔体，在隔网片与加热腔体之间设置有弹簧。

上述方案进一步优选的，在所述固定框支架1的内部两侧分别设置有呈竖直放置的滑动轴，在滑动轴上下两端分别安装有上直线轴承和下直线轴承，所述上直线轴承和下直线轴承之间的距离与采集检测箱体的尺寸高度相同，上直线轴承和下直线轴承分别设置有向采集检测箱体外壁伸出的上支撑台和下支撑台，在所述滑动轴的下端套设有减振弹簧，在采集检测箱体外壁的上下两端分别设置有支撑部，所述采集检测箱体通过支撑部与所述上支撑台进行可拆卸连接。

上述方案进一步优选的，在支撑部与下支撑板之间的采集检测箱体的侧壁上开设有排气孔。

上述方案进一步优选的，在靠近所述采集检测箱体底部的侧壁上设置有排出口和所述排出口相互配合的封盖，该封盖的一端与所述排出口的上端转动连接，所述封盖的一端与所述排出口的下端扣合连接。

上述方案进一步优选的，所述采集检测箱体的底部中央向内凸起，所述采集检测箱体的底部边缘向下倾斜，所采集的土壤样品沿可以集中下滑至探测头周围并将探测头完全包围，可快速地进行测量，测量完毕之后，由于底部为倾斜状态，当打开封盖时，可将土壤样品快速地排出。

上述方案进一步优选的，所述钻杆包括相互连接且一体成型的上钻取部和下钻取部，所述上钻取部的下端和下钻取部的上端呈圆弧过渡，且在圆弧过渡处设置有向外凸出的螺旋状锯齿片，所述下钻取部的下端部具有一尖端钻头，在所述尖端钻头上方的下钻取部的外壁上具有均交错分布的铣齿刀，所述铣齿刀水平垂直所述下钻取部，在所述上钻取部的外壁上设置有向外凸出且沿轴向方延伸的螺旋槽，且所述螺旋槽的下端与所述螺旋状锯齿片相互连接形成一体。

上述方案进一步优选的，所述下钻取部的直径尺寸小于上钻取部的直径尺寸，所述螺旋槽的边缘呈锯齿状，所述螺旋槽向外凸出的高度大于等于螺旋状锯齿片向外凸出的高度，所述铣齿刀伸出的长度大于所述螺旋状锯齿片向外凸出的高度。

上述方案进一步优选的，所述检测单元包括探测接头、信号发生器、信号平衡电路、信号放大模块、信号整流滤波模块、信号处理器、信号显示模块、数据存储模块和数据接口电路，所述探测头的输出端与所述探测接头连接，所述信号发生器的输出端通过信号平衡电路与所述探测接头连接，所述信号平衡电路的两端分别与所述信号放大模块的信号输入端连接，所述信号发生器的输出端还与所述信号放大模块的参考输入连接，所述信号放大模块的输出端通过信号整流滤波模块与所述信号处理器的信号输入端连接，所述信号显示模块、数据存储模块和数据接口电路分别与所述信号处理器连接。

上述方案进一步优选的，所述信号发生器采用高频信号发生器，所述高频信号发生器输出的频率为50MHz～200MHz，输出的电压幅值为3V-5.5V。

综上所述，由于本发明采用了上述技术方案，本发明具有以下技术效果：

(1)、本发明的采集与检测装置可以快速地采集土壤，并对土壤进行绞碎和筛选(还可以同时进行加热处理)，然后送入土壤样品从采集、绞碎、筛选到检测，减少了土样品被污染的机会，排除了更多的干扰因素，使得对土壤样品的检测更加准确，本发明的土壤样品采集方便，可一次性完成土壤采集和检测，而且自动化采集和检测程度高。

(2)、本发明的土壤采集与检测装置能快速地采集地下土壤和快速在线检测，及时了解土壤的质量和污染状况，对于高效、精确地了解植物所生长的土壤养分空间分布状况和土壤污染分布，为土壤改善提供合理的参考依据。

(3)、本发明通过高频发生器激励增探测头，增加了土壤测量信息感知来源，进一步提高了土壤参数检测的准确度，可大大提高探测头(传感器)检测的可靠性，可以使本发明对土壤检测具有更高的灵敏度和稳定度，检测的效率更高，更加简单。

附图说明

图1是本发明的一种土壤采集与在线检测装置的结构示意图；

图2是本发明的采集检测箱体结构示意图；

图3是本发明的钻杆的结构示意图；

图4是本发明的检测单元的原理图；

图5是本发明的信号平衡电路的连接原理图；

附图中，固定框支架1，采集检测箱体2，钻杆3，检测单元4，滑动轴10，直线轴承11，下直线轴承12，上支撑台13，下支撑台14，减振弹簧15，支撑部20，排出口21，封盖22，排气孔23，上钻取部30，下钻取部31，螺旋状锯齿片32，尖端钻头33，铣齿刀34，螺旋槽35，探测接头40，信号发生器41，信号平衡电路42、信号放大模块43、信号整流滤波模块44，信号处理器45、信号显示模块46、数据存储模块47和数据接口电路48，驱动电机200，上支撑架201，下支撑板202，联轴器203，探测头204，隔网片205，加热腔体206。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

如图1和图2所示，根据本发发明的一个方面，提供了一种土壤采集与在线检测装置，包括固定框支架1、采集检测箱体2、钻杆3和固定在所述固定框支架1外部的检测单元4，所述采集检测箱体2呈竖直上下滑动安装在固定框支架1内，所述钻杆3的固定端安装在采集检测箱体2内，所述钻杆3的头部从所述采集检测箱体2竖直伸出；在所述采集检测箱体2内置有驱动电机200、上支撑架201、下支撑板202，在所述下支撑板202固定有联轴器203，所述驱动电机200通过上支撑架201、下支撑板202和联轴器203固定在采集检测箱体2内部上端，所述驱动电机200的输出轴通过所通过联轴器203与所述钻杆3的固定端连接，所述下支撑板202与采集检测箱体2底部之间围成一腔体4，所述钻杆3从联轴器202向下经过腔体4和采集检测箱体2的底部穿出，在下支撑板201上设置有一对插入腔体4内的探测头204，所述探测头204的一端伸至腔体4的底部，所述探测头204的另一端依次从下支撑板202和上支撑架201向上伸出后通过导线与所述检测单元4电气连接；在本发明中，在探测头204与钻杆3之间设置有沿钻杆3延伸方向的隔网片205，在所述固定框支架1的内部两侧分别设置有呈竖直放置的滑动轴10，在滑动轴10上下两端分别安装有上直线轴承11和下直线轴承12，所述上直线轴承11和下直线轴承12之间的距离与采集检测箱体2的尺寸高度相同，上直线轴承11和下直线轴承12分别设置有向采集检测箱体2外壁伸出的上支撑台13和下支撑台14，在所述滑动轴10的下端套设有减振弹簧15，当直线轴承11和下直线轴承12在下滑动过程中，使下支撑台14与所述减振弹簧15接触从而起到缓冲的作用，在采集检测箱体2外壁的上下两端分别设置有支撑部20，所述采集检测箱体2通过支撑部20与所述支撑台13进行可拆卸连接；在支撑部20与下支撑台202之间的采集检测箱体2的侧壁上开设有排气孔23，在靠近所述采集检测箱体2底部的侧壁上设置有排出口21和所述排出口21相互配合的封盖22，该封盖22的一端与所述排出口21的上端转动连接，所述封盖22的一端与所述排出口21的下端扣合连接。所述采集检测箱体2的底部中央向内凸起，所述采集检测箱体2的底部边缘向下倾斜；在采集土壤时，将采集检测箱体2通过支撑部20安装在上支撑台13和下支撑台14，此时集检测箱体2通过上直线轴承11和下直线轴承12在滑动轴上上下滑动，在下滑过程中，启动驱动电机200转动时带动在钻杆3转动后钻取土壤，钻取的土壤相对于钻杆3被向上传动至所述隔网片205处被甩出，使土壤进入腔体4内，通过启动探测头204对土壤进行快速检测，可以对土壤进行钻孔和采集土壤样品，能够根据需要进行不同深度的土壤采集。本发明的土壤采集过程按如下步骤进行，首先，确定采集和检测的土壤路线并启动采集与检测装置；其次布置若干个采集点；采集点数量通过根据土壤的不同耕层结构、土地块面积和土壤的疏松程度确定，在每个采集点确定钻取土壤的深度，并采集该采集点的土壤样品；即：分别在采集点的范围钻取10cm、15cm、30cm、40cm四个位置深度的，也可依采集样要求超过前述范围进行采集，最后将各个采集点的土壤样品在采集与检测装置的腔体内混合均匀，即得到采集和检测的土壤样品，则可立即对土壤样品进行检测。

在本发明中，所述钻杆3包括相互连接且一体成型的上钻取部30和下钻取部31，所述上钻取部30的下端和下钻取部31的上端呈圆弧过渡，且在圆弧过渡处设置有向外凸出的螺旋状锯齿片32，所述下钻取部31的下端部具有一尖端钻头33，在所述尖端钻头33上方的下钻取部31的外壁上具有均交错分布的铣齿刀34，所述铣齿刀34水平垂直所述下钻取部31，在所述上钻取部30的外壁上设置有向外凸出且沿轴向方延伸的螺旋槽35，所述螺旋状锯齿片32与所述螺旋槽35的下端相互连接形成一体；所述下钻取部31的直径尺寸小于上钻取部30的直径尺寸，所述螺旋槽35的边缘呈锯齿状，所述螺旋槽35向外凸出的高度大于等于锯齿片32向外凸出的高度，所述铣齿刀34伸出的长度大于所述螺旋状锯齿片32向外凸出的高度，当钻取土壤进行采集时，尖端钻头33和铣齿刀34钻取的土壤由于惯性作用被向上传送，土壤在向上在传送过程中，土壤被螺旋状锯齿片32搅动之后被传送入螺旋槽35内，土壤被送入螺旋槽35内后进行搅动并从隔网片205进入腔体4内，由于螺旋槽35的边缘呈锯齿状，使土壤在隔网片205与呈锯齿状的螺旋槽35的边缘绞碎成合适的颗粒大小，以便将采集的土壤快速进入腔体4内，从而防止砖瓦、石块、沙砾、动植物残体等杂物进入腔体4内，探测头204可以快速地对所采集的土壤进行快速检测，在本发明中，所述探测头204与采集检测箱体2之间设置有沿钻杆3延伸方向的加热腔体206，在隔网片205与加热腔体206之间设置有震动弹簧207；土壤被送入螺旋槽35内后进行搅动并从隔网片205进入腔体4时，在震动弹簧207的震动下，可以使土壤快速地落入腔体内，且搅动和落入腔体过程中，针对不同土壤参数进行采集和检测时，可以采用加热腔体206对所采集的土壤进行加热，以确土壤样品始终在恒定的温度下进行检测，在加热过程中产生的水分可以经过下支撑板202排出，然后再经采集检测箱体2的侧壁上的排气孔23排出，检测完成之后，打开采集检测箱体2底部的侧壁封盖22，使采集的土壤样品从排出口21排出。

在本发明中，所述检测单元4包括探测接头40、信号发生器41、信号平衡电路42、信号放大模块43、信号整流滤波模块44、信号处理器45、信号显示模块46、数据存储模块47和数据接口电路48，所述探测头204的输出端与所述探测接头40连接，该探测接头40设置在所述下支撑板202上用于固定所述探测头204，所述信号发生器41的输出端通过信号平衡电路42与所述探测接头40连接，所述信号平衡电路42的两端分别与所述信号放大模块43的信号输入端连接，所述信号发生器41的输出端还与所述信号放大模块43的参考输入连接，所述信号放大模块43的输出端通过信号整流滤波模块44与所述信号处理器45的信号输入端连接，所述信号显示模块46、数据存储模块47和数据接口电路48分别与所述信号处理器45连接；所述信号发生器41为高频信号发生器。该信号发生器41输出信号与所述信号平衡电路42、探测接头40和探测头204之间形成激励信号检测回路，所述信号发生器41输出的信号一方面经信号平衡电路42送入探测头作为激励信号，所述平衡电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1和电容C2，如图5所示，电阻R1的一端和电阻2的一端与探测接头40的a端(探测头204的一端)连接，电阻1的另一端和电阻R3的一端与探测接头40的b端(探测头204的另一端)连接，所述信号发生器41输出的交流高频信号Vi分别接入电容C1和电阻R2，高频信号Vi流经电阻R2为探测头204提供激励信号，频信号Vi经电容C1将低频信号进行截止，从而使输出的交流高频信号Vi经过电容C1耦合输入至信号放大模块43的参考输入端，所参考输入端输入的信号无噪声干扰，提高检测的准确度，探测头204的另一端采集的信号经电阻R3输入至信号放大模块43进行放大，电阻R1对采集的土壤信号进行阻抗匹配，电容C2对采集的信号进行滤波，消除噪声干扰。另一方面经信号放大模块43作为放大参考信号进行差分处理，信号放大模块43采用LM224四运算放大器芯片进行差分放大，再进行高频整流和滤波之后得到的输出电压送入信号处理器45内进行A/D转换处理，所述信号整流滤波模块44采用肖特基势垒二极管作为高频整流二极管以及串联π型RC滤波电路对采集电流信号进行整流滤波处理，从而消除放大后的噪声干扰，得到的放大后稳定平整的纯净采集信号，该信号处理器45采用的型号为TSM320LF2407A处理器，并将处理数据存储到数据存储模块47以及在信号显示模块46(液晶显示屏)进行显示，最后还可以将采集与检测的土壤数据参数信息通过数据接口电路48输出到外部处理终端(PC终端和手机终端等等)，该数据接口电路48为RS232数据接口、USB数据接口、GSM无线通信接口、GPRS无线通信接口或Zigbee无线通信接口。本发明的土壤采集与检测装置可以快速地对土壤进行采集、粉碎和筛选，而且粉碎效果好，提高了后续的实验精确度，探测接头40与所述探测头204连接后，可对探测头204进行更换，提高了后续的实验精确度，探测头204外部还设置有多个探针，探测头20为土壤传感器的探头可进行替换，在所述探测头20上设置用于检测土壤含水率的含水率探针、检测土壤导电率的导电率探针、检测土壤温湿度的温湿度探针以及检测土壤重金属的重金属探针(金属离子浓度检测传感器)，针对不同的土壤检测，使用相应的传感器探针，其结构简单，成本低廉，使用方便。

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，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种土壤采集与在线检测装置，其特征在于：包括固定框支架、采集检测箱体、钻杆和固定在所述固定框支架外部的检测单元，所述采集检测箱体呈竖直上下滑动安装在固定框支架内，所述钻杆的固定端安装在采集检测箱体内，所述钻杆的头部从所述采集检测箱体竖直伸出；在所述采集检测箱体内置有驱动电机、上支撑架、下支撑板，在所述下支撑板固定有联轴器，所述驱动电机通过上支撑架、下支撑板和联轴器固定在采集检测箱体内部上端，所述驱动电机的输出轴通过所述联轴器与所述钻杆的固定端连接，所述下支撑板与采集检测箱体底部之间围成一腔体，所述钻杆从联轴器向下经过腔体和采集检测箱体的底部穿出，在下支撑板上设置有一对插入腔体内的探测头，在探测头与钻杆之间设置有沿钻杆延伸方向的隔网片，所述探测头的一端伸至腔体的底部，所述探测头的另一端依次从下支撑板和上支撑架向上伸出后通过导线与所述检测单元电气连接；在所述固定框支架的内部两侧分别设置有呈竖直放置的滑动轴，在滑动轴上下两端分别安装有上直线轴承和下直线轴承，所述上直线轴承和下直线轴承之间的距离与采集检测箱体的尺寸高度相同，上直线轴承和下直线轴承分别设置有向采集检测箱体外壁伸出的上支撑台和下支撑台，在所述滑动轴的下端套设有减振弹簧，在采集检测箱体外壁的上下两端分别设置有支撑部，所述采集检测箱体通过支撑部与所述上支撑台进行可拆卸连接。

2.根据权利要求1所述的一种土壤采集与在线检测装置，其特征在于：所述探测头与采集检测箱体之间设置有沿钻杆延伸方向的加热腔体，在隔网片与加热腔体之间设置有弹簧。

3.根据权利要求1所述的一种土壤采集与在线检测装置，其特征在于：在支撑部与下支撑板之间的采集检测箱体的侧壁上开设有排气孔。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种土壤采集与在线检测装置，其特征在于：在靠近所述采集检测箱体底部的侧壁上设置有排出口和所述排出口相互配合的封盖，该封盖的一端与所述排出口的上端转动连接，所述封盖的一端与所述排出口的下端扣合连接。

5.根据权利要求4所述的一种土壤采集与在线检测装置，其特征在于：所述采集检测箱体的底部中央向内凸起，所述采集检测箱体的底部边缘向下倾斜。

6.根据权利要求1所述的一种土壤采集与在线检测装置，其特征在于：所述钻杆包括相互连接且一体成型的上钻取部和下钻取部，所述上钻取部的下端和下钻取部的上端呈圆弧过渡，且在圆弧过渡处设置有向外凸出的螺旋状锯齿片，所述下钻取部的下端部具有一尖端钻头，在所述尖端钻头上方的下钻取部的外壁上具有均交错分布的铣齿刀，所述铣齿刀水平垂直所述下钻取部，在所述上钻取部的外壁上设置有向外凸出且沿轴向方延伸的螺旋槽，且所述螺旋槽的下端与所述螺旋状锯齿片相互连接形成一体。

7.根据权利要求6所述的一种土壤采集与在线检测装置，其特征在于：所述下钻取部的直径尺寸小于上钻取部的直径尺寸，所述螺旋槽的边缘呈锯齿状，所述螺旋槽向外凸出的高度大于等于螺旋状锯齿片向外凸出的高度，所述铣齿刀伸出的长度大于所述螺旋状锯齿片向外凸出的高度。

8.根据权利要求1所述的一种土壤采集与在线检测装置，其特征在于：所述检测单元包括探测接头、信号发生器、信号平衡电路、信号放大模块、信号整流滤波模块、信号处理器、信号显示模块、数据存储模块和数据接口电路，所述探测头的输出端与所述探测接头连接，所述信号发生器的输出端通过信号平衡电路与所述探测接头连接，所述信号平衡电路的两端分别与所述信号放大模块的信号输入端连接，所述信号发生器的输出端还与所述信号放大模块的参考输入连接，所述信号放大模块的输出端通过信号整流滤波模块与所述信号处理器的信号输入端连接，所述信号显示模块、数据存储模块和数据接口电路分别与所述信号处理器连接。

9.根据权利要求8所述的一种土壤采集与在线检测装置，其特征在于：所述信号发生器采用高频信号发生器，所述高频信号发生器输出的频率为50MHz～200MHz，输出的电压幅值为3V-5.5V。

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