CN112014433A - 一种利用土壤电导率对秸秆混埋均匀度进行检测的装置 - Google Patents

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Abstract

一种利用土壤电导率对秸秆混埋均匀度进行检测的装置属智能农业装备检测技术领域，本发明中8组曲面圆盘固接于圆盘耙整地机构的中轴上，中轴活动连接于支架中左右二立板之间，电极探针固定在曲面圆盘上，电极探针的电源由石墨电刷提供，曲面圆盘上装有温、湿度传感器，本发明通过支架的拱形梁与拖拉机连接；本发明在检测秸秆混埋均匀度基础上，兼具测量土壤温度和湿度的功能，为秸秆混埋均匀度及土壤参数检测开辟了一条新途径，与其他单一作业机具相比，本发明一次作业可完成整地和秸秆混埋均匀度检测两项工作；曲面圆盘既可整地，也可安装探针及温湿度传感器，用来测量电势差、温度及湿度；本发明结构简单，加工方便，成本低廉。

Description

一种利用土壤电导率对秸秆混埋均匀度进行检测的装置
技术领域
本发明属智能农业装备检测技术领域，具体涉及一种利用土壤电导率对秸秆混埋均匀度进行检测的装置。
背景技术
保护性耕作技术主要包括秸秆还田、免少耕播种技术等。保护性耕作充分利用自然条件加大对土壤的保护力度，使土壤恢复肥力，减少水土流失，提高粮食产量，实现农业的可持续发展。
东北黑土是大自然赋予人类的宝贵财富，黑土区土壤肥沃，是种植粮食的天然宝库。近年来，由于不合理的耕种模式，致使黑土流失严重。为有效保护黑土，在黑土区大力推进保护性耕作技术。其中，秸秆还田是防止黑土退化的方式之一。秸秆是一种重要的资源，秸秆还田对提高土壤肥力、减少化学肥料的使用、降低秸秆焚烧对环境污染等方面具有重要意义。
将秸秆混埋在土壤中，可以加快微生物对秸秆的分解速率，提高土壤肥力。目前，土壤表面秸秆覆盖的方法有很多，如拉绳法、目估法、采样法、仪器法、模型法、图像法等。秸秆在土壤中均匀混埋，可以加快秸秆的分解速率。但秸秆在土壤中混埋是否均匀，仍未有有效的方式对其进行检测。伴随保护性耕作技术快速向前发展，对秸秆混埋均匀度检测格外重要，是评价秸秆还田的一项重要技术指标。因此，研发利用土壤电导率对秸秆混埋均匀度进行检测的装置可为秸秆混埋均匀度提高重要技术保障。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用土壤电导率对秸秆混埋均匀度进行检测的装置，并兼具测量土壤温度与土壤湿度的功能。本装置利用探针之间的电信号计算出曲面圆盘之间的电导率，通过电导率间接反映出秸秆混埋的均匀度，并生成相应云图，对秸秆混埋均匀度更加直观分析。
本发明由支架A、圆盘耙整地机构B、石墨电刷机构C和信号检测与数据处理机构D组成，其中：圆盘耙整地机构B中轴承Ⅰ11的外圈与支架A中立板Ⅰ1的孔Ⅰ8内圈过盈连接；圆盘耙整地机构B中轴承Ⅱ13的外圈与支架A中立板Ⅱ6的孔Ⅱ7内圈过盈连接；石墨电刷机构C中8组石墨电刷组件G的方钢竖杆17均布并固接于支架A中方钢中梁3的下面；石墨电刷机构C中8组石墨电刷组件G的石墨电刷18，与圆盘耙整地机构B中固定块16在作业时接触连接；信号检测与数据处理机构D的旋转电极Ⅰ20和旋转电极Ⅱ25固接于支架A中方钢中梁3上面中心线的两边，旋转电极Ⅰ20和旋转电极Ⅱ25的8个扇形电极的电刷每旋转90°切换圆盘耙整地机构B中8个曲面圆盘组件F的对应的曲面圆盘，保证每个电极给对应曲面圆盘供电；信号检测与数据处理机构D的电势差测量机构26固接于圆盘耙整地机构B中固定块16的上方；信号检测与数据处理机构D的湿度传感器27固接于圆盘耙整地机构B中曲面圆盘14的底端；信号检测与数据处理机构D的温度传感器28固接于圆盘耙整地机构B中曲面圆盘14的底端；信号检测与数据处理机构D的电源21为利用土壤电导率对秸秆混埋均匀度进行检测的装置提供电能。
所述的支架A由立板Ⅰ1、前梁2、方钢中梁3、拱形梁4、后梁5、立板Ⅱ6、安装片对Ⅰ9、安装片对Ⅱ10组成，其中立板Ⅰ1的前下部设有孔Ⅰ8，立板Ⅱ6的前下部设有孔Ⅱ7；前梁2、方钢中梁3和后梁5按前中后排列，前梁2、方钢中梁3和后梁5的左端固接于立板Ⅰ1的右面上部，前梁2、方钢中梁3和后梁5的右端固接于立板Ⅱ6的左面上部；拱形梁4 位于前梁2的上方中心位置，安装片对Ⅰ9的两块安装片固接于拱形梁4的顶端上下两面，拱形梁4的下端固接于前梁2的上面，安装片对Ⅱ10的两块安装片对称固接于前梁2中心线左右两边的前面。
所述的圆盘耙整地机构B由轴承Ⅰ11、中轴12、轴承Ⅱ13和曲面圆盘组E组成，其中曲面圆盘组E由8个结构相同的曲面圆盘组件F组成，每个曲面圆盘组件F均由曲面圆盘14、电极探针15和固定块16组成，固定块16为正方体，固接于曲面圆盘14近中心处，电极探针815底端固接于固定块16的正方体一侧，8个曲面圆盘组件F自左至右均布并固接于中轴 12的中部，且自左至右均布的曲面圆盘组件F中电极探针的朝向，从中轴12的轴心方向看，逐个按顺时针呈90度设置；轴承Ⅰ11的内圈与中轴12的左端固接，轴承Ⅱ13的内圈与中轴 12的右端固接。
所述的石墨电刷机构C由8组石墨电刷组件G组成，每个石墨电刷组件G均由方钢竖杆17和石墨电刷18组成，石墨电刷18为1/4圆环形，固接于方钢竖杆17下端。作业时曲面圆盘A1～A8与中轴12共轴同步转动，电极探针15依次入土循环检测；温度传感器28与湿度传感器27将采集的数据通过电路Ⅰ19传输给数据存储器23，电极探针15将电信号经电路Ⅱ22也传输给数据存储器23，数据处理器24将存储的数据进行处理。
所述的信号检测与数据处理机构D由电路Ⅰ19、旋转电极Ⅰ20、电源21、电路Ⅱ22、数据存储器23、数据处理器24、旋转电极Ⅱ25、电势差测量机构26、湿度传感器27和温度传感器28组成，其中电源21经电路Ⅱ22与数据存储器23的USB端口连接，数据存储器23的 USB端口与数据处理器24连接，数据存储器23的USB端口经电路Ⅰ19与温度传感器28和湿度传感器27连接，电势差测量机构26内部依次包含数据转换元件、数据传输元件、数据处理元件及数据存储元件，依次对电极探针15检测的数据进行处理并存储。土壤电导率是检测秸秆混埋均匀度的评价指标，工作时可以测量出任意相邻探针8之间的电势差；如测量出A1A2之间的电导率，I为固定电流，K为系数，测量出A1A2之间的电势差V。根据公式，
Figure BDA0002708759970000021
可以测量出A1A2之间的电导率；依次类推，可以分别测出A2A3、A3A4、A4A5、A5A6、A6A7、A7A8之间的电导率，所有电导率数据通过电路Ⅱ19传递给数据存储器，数据处理器21将存储的数据进行处理，并生成相应云图，可以直观看出秸秆混埋均匀度。
上述的A1至A8分别指圆盘耙整地机构B中8个自左至右排列的曲面圆盘。
所述的旋转电极Ⅰ20和旋转电极Ⅱ25结构完全相同，均由4个90°扇形电极29组成，相邻电极之间通过绝缘片30隔开，旋转电极内部安装有电刷。
所述的曲面圆盘14的形状为空心球一部分，曲面圆盘14的纵截面为圆形，其截面方程为：x2+y2＝r2，其中：150≤r≤300mm。
所述的电极探针15上表面设置有圆弧形凸起结构，弧形凸起结构模仿蚯蚓外轮廓，取蚯蚓一条特征轮廓曲线前后对称拉伸形成；探针在土壤中运动形式仿照蚯蚓等动物在土壤中的运动形态，实现动态仿生减阻功能，降低探针在土壤中运动时的摩擦力，减小磨损，延长探针的使用寿命。特征轮廓曲线方程为：
h＝-0.0058z2-0.0428z+35.478
其中：z属于[42，74]，单位为mm。
作业过程中，机具通过三点悬挂机构与拖拉机连接，机具在拖拉机带动下进行作业。曲面圆盘向前转动，进行整地作业。曲面圆盘转动同时，带动探针向前转动。每个曲面圆盘上有1组探针，相邻圆盘探针之间的角度为90°。机具转动时，8组圆盘中的每一组探针都在同一直线上，每组圆盘探针之间存在电势差，利用公式可以测量出相邻圆盘之间的电导率，并推断出秸秆混埋的均匀度。
本发明与其他单一作业机具相比，优点是：1.本发明体现联合作业思想，一次作业可以完成整地与秸秆混埋均匀度检测两项工作。2.曲面圆盘可以有多种用途，既可以整地，也可以安装探针及温湿度传感器，用来测量电势差、温度及湿度。3.田间试验和室内试验均可。4. 结构简单，加工方便，成本低。
附图说明
图1为利用土壤电导率对秸秆混埋均匀度进行检测的装置的轴侧图
图2为支架A的轴测图
图3为拱形梁4的轴测图
图4为圆盘耙整地机构B的轴测图
图5为曲面圆盘组件F的主视图
图6为石墨电刷机构C的轴测图
图7为信号检测与数据处理机构D的主视图
图8为信号检测与数据处理机构D的右视图
图9为电势差测量机构26中数据处理框图
图10为电极探针15的主视图
图11为旋转电极的轴测图
图12为秸秆混埋均匀度电导率云图
其中：A.支架 B.圆盘耙整地机构 C.石墨电刷机构 D.信号检测与数据处理机构E.曲面圆盘组 F.曲面圆盘组件 G.石墨电刷组件 1.立板Ⅰ 2.前梁 3.方钢中梁 4.拱形梁5.后梁 6.立板Ⅱ 7.孔Ⅱ 8.孔Ⅰ 9.安装片对Ⅰ 10.安装片对Ⅱ 11.轴承Ⅰ 12.中轴 13.轴承Ⅱ 14.曲面圆盘 15.电极探针 16.固定块 17.方钢竖杆 18.石墨电刷 19.电路Ⅰ 20.旋转电极Ⅰ 21.电源 22.电路Ⅱ 23.数据存储器 24.数据处理器 25.旋转电极Ⅱ 26.电势差测量机构 27.湿度传感器 28.温度传感器 29. 90°扇形电极 30.绝缘片 a.数据检测元件b.数据转换元件 c.数据传输元件 d.数据处理元件 e.数据存储元件
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行描述。
如附图1所示，本法明由支架A、圆盘耙整地机构B、石墨电刷机构C和信号检测与数据处理机构D组成，其中：圆盘耙整地机构B中轴承Ⅰ11的外圈与支架A中立板Ⅰ1的孔Ⅰ8 内圈过盈连接；圆盘耙整地机构B中轴承Ⅱ13的外圈与支架A中立板Ⅱ6的孔Ⅱ7内圈过盈连接；石墨电刷机构C中8组石墨电刷组件G的方钢竖杆17均布并固接于支架A中方钢中梁3的下面；石墨电刷机构C中8组石墨电刷组件G的石墨电刷18，与圆盘耙整地机构B中固定块16在作业时接触连接；信号检测与数据处理机构D的旋转电极Ⅰ20和旋转电极Ⅱ25 固接于支架A中方钢中梁3上面中心线的两边，旋转电极Ⅰ20和旋转电极Ⅱ25的8个扇形电极的电刷每旋转90°切换圆盘耙整地机构B中8个曲面圆盘组件F的对应的曲面圆盘，保证每个电极给对应曲面圆盘供电；信号检测与数据处理机构D的电势差测量机构26固接于圆盘耙整地机构B中固定块16的上方；信号检测与数据处理机构D的湿度传感器27固接于圆盘耙整地机构B中曲面圆盘14的底端；信号检测与数据处理机构D的温度传感器28固接于圆盘耙整地机构B中曲面圆盘14的底端；信号检测与数据处理机构D的电源21为利用土壤电导率对秸秆混埋均匀度进行检测的装置提供电能。
如图2所示，所述的支架A由立板Ⅰ1、前梁2、方钢中梁3、拱形梁4、后梁5、立板Ⅱ6、安装片对Ⅰ9、安装片对Ⅱ10组成，其中立板Ⅰ1的前下部设有孔Ⅰ8，立板Ⅱ6的前下部设有孔Ⅱ7；前梁2、方钢中梁3和后梁5按前中后排列，前梁2、方钢中梁3和后梁5的左端固接于立板Ⅰ1的右面上部，前梁2、方钢中梁3和后梁5的右端固接于立板Ⅱ6的左面上部；拱形梁4位于前梁2的上方中心位置，安装片对Ⅰ9的两块安装片固接于拱形梁4的顶端上下两面，拱形梁4的下端固接于前梁2的上面，安装片对Ⅱ10的两块安装片对称固接于前梁2中心线左右两边的前面。
如图4和图5所示，所述的圆盘耙整地机构B由轴承Ⅰ11、中轴12、轴承Ⅱ13和曲面圆盘组E组成，其中曲面圆盘组E由8个结构相同的曲面圆盘组件F组成，每个曲面圆盘组件F均由曲面圆盘14、电极探针15和固定块16组成，固定块16为正方体，固接于曲面圆盘14近中心处，电极探针815底端固接于固定块16的正方体一侧，8个曲面圆盘组件F自左至右均布并固接于中轴12的中部，且自左至右均布的曲面圆盘组件F中电极探针的朝向，从中轴12的轴心方向看，逐个按顺时针呈90度设置；轴承Ⅰ11的内圈与中轴12的左端固接，轴承Ⅱ13的内圈与中轴12的右端固接。
曲面圆盘14的形状类似于空心球一小部分，曲面圆盘14的纵截面为圆形，其截面方程为：x2+y2＝r2，其中：150≤r≤300mm。
如图6所示，所述的石墨电刷机构C由8组石墨电刷组件G组成，每个石墨电刷组件G均由方钢竖杆17和石墨电刷18组成，石墨电刷18为1/4圆环形，固接于方钢竖杆17下端。作业时曲面圆盘A1～A8与中轴12共轴同步转动，电极探针15依次入土循环检测；温度传感器28与湿度传感器27将采集的数据通过电路Ⅰ19传输给数据存储器23，电极探针15将电信号经电路Ⅱ22也传输给数据存储器23，数据处理器24将存储的数据进行处理。
如图7、图8和图11所示，所述的信号检测与数据处理机构D由电路Ⅰ19、旋转电极Ⅰ20、电源21、电路Ⅱ22、数据存储器23、数据处理器24、旋转电极Ⅱ25、电势差测量机构26、湿度传感器27和温度传感器28组成，其中电源21经电路Ⅱ22与数据存储器23的 USB端口连接，数据存储器23的USB端口与数据处理器24连接，数据存储器23的USB端口经电路Ⅰ19与温度传感器28和湿度传感器27连接，电势差测量机构26内部依次包含数据转换元件、数据传输元件、数据处理元件及数据存储元件，依次对电极探针15检测的数据进行处理并存储。土壤电导率是检测秸秆混埋均匀度的评价指标，工作时可以测量出任意相邻探针8之间的电势差；如测量出A1A2之间的电导率，I为固定电流，K为系数，测量出A1A2之间的电势差V。根据公式，
Figure BDA0002708759970000051
可以测量出A1A2之间的电导率；依次类推，可以分别测出A2A3、A3A4、A4A5、A5A6、A6A7、A7A8之间的电导率，所有电导率数据通过电路Ⅱ19传递给数据存储器，数据处理器21将存储的数据进行处理，并生成相应云图，可以直观看出秸秆混埋均匀度。
上述的A1至A8分别指圆盘耙整地机构B中8个自左至右排列的曲面圆盘。
如图9所示，电极探针15上表面设置有圆弧形凸起结构，弧形凸起结构模仿蚯蚓外轮廓，取蚯蚓一条特征轮廓曲线前后对称拉伸形成；探针在土壤中运动形式仿照蚯蚓等动物在土壤中的运动形态，实现动态仿生减阻功能，降低探针在土壤中运动时的摩擦力，减小磨损，延长探针的使用寿命。特征轮廓曲线方程为：h＝-0.0058z2-0.0428z+35.478，其中：z属于[42， 74]，单位为mm。
如图10所示，旋转电极Ⅰ20和旋转电极Ⅱ25结构完全相同，均由4个90°扇形电极29组成，相邻电极之间通过绝缘片30隔开，旋转电极内部安装有电刷。

Claims (8)

1.一种利用土壤电导率对秸秆混埋均匀度进行检测的装置，其特征在于：由支架(A)、圆盘耙整地机构(B)、石墨电刷机构(C)和信号检测与数据处理机构(D)组成，其中：圆盘耙整地机构(B)中轴承Ⅰ(11)的外圈与支架(A)中立板Ⅰ(1)的孔Ⅰ(8)内圈过盈连接；圆盘耙整地机构(B)中轴承Ⅱ(13)的外圈与支架(A)中立板Ⅱ(6)的孔Ⅱ(7)内圈过盈连接；石墨电刷机构(C)中8组石墨电刷组件(G)的方钢竖杆(17)均布并固接于支架(A)中方钢中梁(3)的下面；石墨电刷机构(C)中8组石墨电刷组件(G)的石墨电刷(18)，与圆盘耙整地机构(B)中固定块(16)在作业时接触连接；信号检测与数据处理机构(D)的旋转电极Ⅰ(20)和旋转电极Ⅱ(25)固接于支架(A)中方钢中梁(3)上面中心线的两边，旋转电极Ⅰ(20)和旋转电极Ⅱ(25)的8个扇形电极的电刷每旋转90°切换圆盘耙整地机构(B)中8个曲面圆盘组件(F)的对应的曲面圆盘，保证每个电极给对应曲面圆盘供电；信号检测与数据处理机构(D)的电势差测量机构(26)固接于圆盘耙整地机构(B)中固定块(16)的上方；信号检测与数据处理机构(D)的湿度传感器(27)固接于圆盘耙整地机构(B)中曲面圆盘(14)的底端；信号检测与数据处理机构(D)的温度传感器(28)固接于圆盘耙整地机构(B)中曲面圆盘(14)的底端；信号检测与数据处理机构(D)的电源(21)为利用土壤电导率对秸秆混埋均匀度进行检测的装置提供电能。
2.按权利要求1所述的利用土壤电导率对秸秆混埋均匀度进行检测的装置，其特征在于：所述的支架(A)由立板Ⅰ(1)、前梁(2)、方钢中梁(3)、拱形梁(4)、后梁(5)、立板Ⅱ(6)、安装片对Ⅰ(9)、安装片对Ⅱ(10)组成，其中立板Ⅰ(1)的前下部设有孔Ⅰ(8)，立板Ⅱ(6)的前下部设有孔Ⅱ(7)；前梁(2)、方钢中梁(3)和后梁(5)按前中后排列，前梁(2)、方钢中梁(3)和后梁(5)的左端固接于立板Ⅰ(1)的右面上部，前梁(2)、方钢中梁(3)和后梁(5)的右端固接于立板Ⅱ(6)的左面上部；拱形梁(4)位于前梁(2)的上方中心位置，安装片对Ⅰ(9)的两块安装片固接于拱形梁(4)的顶端上下两面，拱形梁(4)的下端固接于前梁(2)的上面，安装片对Ⅱ(10)的两块安装片对称固接于前梁(2)中心线左右两边的前面。
3.按权利要求1所述的利用土壤电导率对秸秆混埋均匀度进行检测的装置，其特征在于：所述的圆盘耙整地机构(B)由轴承Ⅰ(11)、中轴(12)、轴承Ⅱ(13)和曲面圆盘组(E)组成，其中曲面圆盘组(E)由8个结构相同的曲面圆盘组件(F)组成，每个曲面圆盘组件(F)均由曲面圆盘(14)、电极探针(15)和固定块(16)组成，固定块(16)为正方体，固接于曲面圆盘(14)近中心处，电极探针(15)底端固接于固定块(16)的正方体一侧，8个曲面圆盘组件(F)自左至右均布并固接于中轴(12)的中部，且自左至右均布的曲面圆盘组件(F)中电极探针的朝向，从中轴(12)的轴心方向看，逐个按顺时针呈90度设置；轴承Ⅰ(11)的内圈与中轴(12)的左端固接，轴承Ⅱ(13)的内圈与中轴(12)的右端固接。
4.按权利要求1所述的利用土壤电导率对秸秆混埋均匀度进行检测的装置，其特征在于：所述的石墨电刷机构(C)由8组石墨电刷组件(G)组成，每个石墨电刷组件(G)均由方钢竖杆(17)和石墨电刷(18)组成，石墨电刷(18)为1/4圆环形，固接于方钢竖杆(17)下端。
5.按权利要求1所述的利用土壤电导率对秸秆混埋均匀度进行检测的装置，其特征在于：所述的信号检测与数据处理机构(D)由电路Ⅰ(19)、旋转电极Ⅰ(20)、电源(21)、电路Ⅱ(22)、数据存储器(23)、数据处理器(24)、旋转电极Ⅱ(25)、电势差测量机构(26)、湿度传感器(27)和温度传感器(28)组成，其中电势差测量机构(26)由数据检测元件(a)、数据转换元件(b)、数据传输元件(c)、数据处理元件(d)、数据存储元件(e)组成；电源(21)经电路Ⅱ(22)与数据存储器(23)的USB端口连接，数据存储器(23)的USB端口与数据处理器(24)连接，数据存储器(23)的USB端口经电路Ⅰ(19)与湿度传感器(27)和温度传感器(28)连接。
6.按权利要求3所述的利用土壤电导率对秸秆混埋均匀度进行检测的装置，其特征在于，所述的曲面圆盘(14)的形状为空心球的一部分，曲面圆盘(14)的纵截面为圆形，其截面方程为：
x2+y2＝r2
其中：150≤r≤300mm。
7.按权利要求3所述的利用土壤电导率对秸秆混埋均匀度进行检测的装置，其特征在于：所述的电极探针(15)上表面设有圆弧形凸起结构，圆弧形凸起结构模仿蚯蚓外轮廓，取蚯蚓一条特征轮廓曲线前后对称拉伸形成；特征轮廓曲线h的方程为：
h＝-0.0058z2-0.0428z+35.478
其中：z属于[42，74]，单位为mm。
8.按权利要求5所述的利用土壤电导率对秸秆混埋均匀度进行检测的装置，其特征在于：所述的旋转电极Ⅰ(20)和旋转电极Ⅱ(25)结构完全相同，均由4个90°扇形电极(29)组成，相邻电极之间通过绝缘片(30)隔开，旋转电极内部安装有电刷。
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