CN112763693A - 一种土壤环境多层监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤环境多层监测装置，包括机壳，机壳一侧壁上开有多个开口，机壳内设有横移机构，横移机构包括水平固定在机壳上部内侧的滑杆，滑杆上滑动安装有滑座，滑座下端安装有竖直设置的主轴，主轴上安装有多个钻探机构，相邻圆筒间通过连接杆固定连接；还包括用于驱动横移机构横移的横向推动机构、用于驱动钻探机构转动的旋转驱动机构和用于为主轴和横向推动机构提供动力的驱动传动机构。本发明通过钻头对不同深度的土壤进行横向钻孔，在土壤监测探头转向后可进入钻孔中对土壤直接接触，实现对土壤环境进行多层监测，操作简单，自动化程度高，节省人力物力，同时便于拆装使用。

Description

一种土壤环境多层监测装置

技术领域

本发明涉及土壤环境监测技术领域，特别是一种土壤环境多层监测装置。

背景技术

土壤监测与水质、大气监测基本一致，通过采用合适的测定方法测定土壤的各种理化性质，监测内容一般包括土壤水分、土壤温度、土壤硬度、土壤酸碱度等。

现有土壤监测设备通常只能在监测点对同一深度土壤进行监测，不易实现对不同深度的多层土壤监测。若要进行对多层土壤环境监测，则需要在挖坑后，人工将传感器插入不同深度的土壤中，若需要监测更深层的土壤，则需要挖更深直径更大的坑，以便于由人工下坑将传感器插入土壤中，但由于深层土壤硬度较高，传感器无法不便于直接插入，以避免损坏传感器，因此还需要对深坑径向钻孔，过程十分复杂，操作极其不便，耗费大量人力物力，并且工作效率低下。因此，有必要设计一种可代替人工、自动化程度高的土壤环境多层监测装置来接近这一问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种土壤环境多层监测装置。

实现上述目的本发明的技术方案为，一种土壤环境多层监测装置，包括机壳，所述机壳一侧壁上开有多个开口，所述机壳内设有横移机构，横移机构包括水平固定在机壳上部内侧的滑杆，滑杆上滑动安装有滑座，滑座下端通过第一轴承安装有竖直设置的主轴，主轴上安装有第一锥齿轮，滑座下端固定有第一安装座，第一安装座上转动安装有花键轴，花键轴一端安装有与第一锥齿轮啮合连接的第二锥齿轮，机壳顶端内壁上固定有第二安装座，第二安装座上转动安装有花键套筒，花键套筒套装在花键轴上且与花键轴键连接；

还包括安装在所述主轴上的多个钻探机构，钻探机构与开口一一对应，钻探机构包括与主轴同轴设置的圆筒，圆筒上下端面上均安装有第二轴承，第二轴承内圈与主轴连接，圆筒侧壁上安装有第三轴承，第三轴承内圈安装有第一传动轴，第一传动轴一端位于圆筒内且安装有第三锥齿轮，第一传动轴另一端位于圆筒外且通过夹头安装有钻头，主轴上安装有与第三锥齿轮啮合连接的第四锥齿轮，圆筒外壁上固定有安装板，安装板上安装有土壤监测探头，安装板与第一传动轴的夹角大于60度；相邻圆筒间通过连接杆固定连接；

还包括用于驱动横移机构横移的横向推动机构，包括双向丝杠及固定在机壳背向开口一侧的内壁上的两个第三安装座，双向丝杠安装在两个第三安装座上，双向丝杠的两段螺纹上均安装有螺母座，最上层圆筒上安装有上下分布的两个圆环轨道，圆环轨道内均滑动卡装有与螺母座一一对应的滑块，滑块与螺母座通过推杆铰接；

还包括用于驱动钻头或土壤监测探头朝向开口的旋转驱动机构，包括固定在滑座下端的安装架，安装架下端通过第四轴承安装有水平设置的第二传动轴，第二传动轴上安装有第一端面齿轮和第五锥齿轮，安装架上安装有第一驱动电机，第一驱动电机输出端安装有与第五锥齿轮啮合连接的与第六锥齿轮，最上层圆筒顶端面上同轴安装有与第一端面齿轮啮合连接的第二端面齿轮；

还包括驱动传动机构，包括安装在机壳顶端的电机支架，电机支架上安装有第二驱动电机，机壳内设有第三传动轴，机壳内壁上固定有两个第五安装座，第三传动轴竖直安装在两个第五安装座上，第三传动轴上端伸出机壳且通过皮带传动机构与第二驱动电机输出端传动连接，第三传动轴上安装有第七锥齿轮，花键套筒上安装有与第七锥齿轮啮合连接的第八锥齿轮，第三传动轴下端通过安全联轴器与双向丝杠上端连接。

优选地，所述横向推动机构还包括用于检测螺母座位置的第一接近开关和第二接近开关，第一接近开关位于第二接近开关上方。

优选地，所述机壳底部固定有支撑底座，机壳底部且位于支撑底座内侧设有法兰口，法兰口处安装有法兰盘。

优选地，所述皮带传动机构包括主动皮带轮和从动皮带轮，主动皮带轮安装在第二驱动电机输出轴上，从动皮带轮安装在第三传动轴上，主动皮带轮与从动皮带轮间通过传动皮带传动连接。

本发明的有益效果：本装置通过横向推动机构推动钻探机构横移，由钻头对不同深度的土壤进行横向钻孔，再由旋转驱动机构在钻头钻孔完成并复位后驱动土壤监测探头旋转至朝向开口的角度，再由横向推动机构推动钻探机构横移，使土壤监测探头由开口伸出并进入钻孔中对土壤直接接触，对土壤环境进行多层监测，操作简单，自动化程度高，节省人力物力，同时便于拆装使用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的另一状态图；

图3是图1的又一状态图；

图4是图1中A-A线的剖视图；

图5是图4的另一状态图；

图6是图4的又一状态图；

图7是旋转驱动机构的俯视局部示意图；

图中，1、机壳；2、滑杆；3、滑座；4、第一轴承；5、主轴；6、第一锥齿轮；7、第一安装座；8、花键轴；9、第二锥齿轮；10、第二安装座；11、花键套筒；12、圆筒；13、第二轴承；14、第三轴承；15、第一传动轴；16、第三锥齿轮；17、夹头；18、钻头；19、第四锥齿轮；20、安装板；21、土壤监测探头；22、连接杆；23、开口；24、双向丝杠；25、第三安装座；26、螺母座；27、圆环轨道；28、滑块；29、推杆；30、安装架；31、第四轴承；32、第二传动轴；33、第一端面齿轮；34、第五锥齿轮；35、第一驱动电机；36、第六锥齿轮；37、第二端面齿轮；38、电机支架；39、第二驱动电机；40、第三传动轴；41、第五安装座；42、第七锥齿轮；43、第八锥齿轮；44、安全联轴器；45、第一接近开关；46、第二接近开关；47、支撑底座；48、法兰口；49、法兰盘；50、主动皮带轮；51、从动皮带轮；52、传动皮带。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体描述，如图1-7所示：一种土壤环境多层监测装置，包括机壳1，机壳1一侧壁上开有多个开口23，机壳1内设有横移机构，横移机构包括水平固定在机壳1上部内侧的滑杆2，滑杆2上滑动安装有滑座3，滑座3下端通过第一轴承4安装有竖直设置的主轴5，通过设置第一轴承4，使得滑座3承载主轴5并可带动主轴5横移，主轴5上安装有第一锥齿轮6，滑座3下端固定有第一安装座7，第一安装座7上转动安装有花键轴8，花键轴8一端安装有与第一锥齿轮6啮合连接的第二锥齿轮9，机壳1顶端内壁上固定有第二安装座10，第二安装座10上转动安装有花键套筒11，花键套筒11套装在花键轴8上且与花键轴8键连接；通过设置花键套筒11和花键轴8，使得主轴5位置移动改变后能够进行动力传送；

还包括安装在主轴5上的多个钻探机构，钻探机构与开口23一一对应，钻探机构包括与主轴5同轴设置的圆筒12，圆筒12上下端均为封闭结构，圆筒12上下端面上均安装有第二轴承13，第二轴承13内圈与主轴5连接，圆筒12侧壁上安装有第三轴承14，第三轴承14内圈安装有第一传动轴15，第一传动轴15一端位于圆筒12内且安装有第三锥齿轮16，第一传动轴15另一端位于圆筒12外且通过夹头17安装有钻头18，主轴5上安装有与第三锥齿轮16啮合连接的第四锥齿轮19，圆筒12外壁上固定有安装板20，安装板20上安装有土壤监测探头21，安装板20与第一传动轴15的夹角大于60度，在本实施例中，设置安装板20与第一传动轴15的夹角为90度，这样当钻头18由开口23伸出进行钻土时，随着钻探机构的整体横移，土壤监测探头21不会与机壳1内壁接触干涉；相邻圆筒12间通过连接杆22固定连接；相邻圆筒12间设置两个连接杆22连接，保持连接稳定性，使各钻探机构可同步旋转；土壤监测探头21为土壤水分传感器、土壤温度传感器、土壤硬度传感器、土壤酸碱度传感器等，可根据实际监测需求，安装不同的传感器；

还包括用于驱动横移机构横移的横向推动机构，包括双向丝杠24及固定在机壳1背向开口23一侧的内壁上的两个第三安装座25，双向丝杠24安装在两个第三安装座25上，双向丝杠24的两段螺纹上均安装有螺母座26，最上层圆筒12上安装有上下分布的两个圆环轨道27，圆环轨道27内均滑动卡装有与螺母座26一一对应的滑块28，滑块28与螺母座26通过推杆29铰接；通过设置双向丝杠24，在双向丝杠24旋转时，上下两个螺母座26反向直线运动，通过推杆29推动或拉动钻探机构移动；通过设置圆环轨道27和滑块28，在钻探机构旋转时，滑块28可在圆环轨道27内滑动，不产生干涉，使螺母座26始终可以通过推杆29、滑块28推动钻探机构移动；

还包括用于驱动钻头18或土壤监测探头21朝向开口23的旋转驱动机构，包括固定在滑座3下端的安装架30，安装架30下端通过第四轴承31安装有水平设置的第二传动轴32，第二传动轴32上安装有第一端面齿轮33和第五锥齿轮34，安装架30上安装有第一驱动电机35，第一驱动电机35输出端安装有与第五锥齿轮34啮合连接的与第六锥齿轮36，最上层圆筒12顶端面上同轴安装有与第一端面齿轮33啮合连接的第二端面齿轮37；第一驱动电机35为步进电机或伺服电机，可控制输出角度，从而精确驱动第二端面齿轮37旋转90度；

还包括驱动传动机构，包括安装在机壳1顶端的电机支架38，电机支架38上安装有第二驱动电机39，机壳1内设有第三传动轴40，机壳1内壁上固定有两个第五安装座41，第三传动轴40竖直安装在两个第五安装座41上，第三传动轴40上端伸出机壳1且通过皮带传动机构与第二驱动电机39输出端传动连接，第三传动轴40上安装有第七锥齿轮42，花键套筒11上安装有与第七锥齿轮42啮合连接的第八锥齿轮43，第三传动轴40下端通过安全联轴器44与双向丝杠24上端连接。安全联轴器44选用钢球式安全联轴器44、钢砂式安全联轴器44、液压式安全联轴器44、摩擦式安全联轴器44或磁粉式安全联轴器44，安全联轴器44具有过载保护功能，由于不同深度土壤硬度不一，钻孔速率亦会不一，当土壤硬度较硬时，钻头18钻土受阻，横向推动机构易超载，当超载导致所需扭矩超过设定值时，安全联轴器44以打滑形式限制第三传动轴40所传动的扭力，当过载情形消失后自行恢复联结，防止部件损坏。

优选地，横向推动机构还包括用于检测螺母座26位置的第一接近开关45和第二接近开关46，第一接近开关45位于第二接近开关46上方。第一接近开关45位于第二接近开关46均用于检测上层的螺母座26的位置，当第一接近开关45检测到螺母座26信号时，主轴5位于机壳1中心位置，钻探机构完全处于机壳1内，当螺母座26下降，至第二接近开关46检测到螺母座26信号时，钻头18或土壤监测探头21移动由开口23移出机壳1至极限位置。

为使机壳1伫立时保持平稳，在机壳1底部固定有支撑底座47，机壳1底部且位于支撑底座47内侧设有法兰口48，法兰口48处安装有法兰盘49。通过设置法兰盘49封闭法兰口48，在将本装置由坑中取出后，可打开法兰盘49，将钻头18钻出的土由法兰口48排出。

皮带传动机构包括主动皮带轮50和从动皮带轮51，主动皮带轮50安装在第二驱动电机39输出轴上，从动皮带轮51安装在第三传动轴40上，主动皮带轮50与从动皮带轮51间通过传动皮带52传动连接。

根据安装位置不同，可在本装置的机壳1顶部加装太阳能发电组件，以适用于在户外无供电环境下进行土壤监测。

本实施方案的工作原理：首先通过人工或挖坑器械先挖好监测所需的坑槽，再将本装置放入预挖坑中；初始状态时，如图1和图4所示，钻头18朝向开口23；随后启动第二驱动电机39，第二驱动电机39通过主动皮带轮50、传动皮带52带动从动皮带轮51、第三传动轴40旋转，第三传动轴40通过安全联轴器44带动双向丝杠24旋转，双向丝杠24旋转带动两个螺母座26反向直线运动，通过推杆29、滑块28、圆环轨道27推动钻探机构、主轴5移动，主轴5和滑座3在滑杆2的导向支撑作用下平稳直线横移，使钻头18向开口23处移动；

移动的同时，第三传动轴40通过第七锥齿轮42带动第八锥齿轮43、花键套筒11旋转，花键套筒11带动花键轴8旋转，花键轴8通过第二锥齿轮9带动、第一锥齿轮6、主轴5旋转；通过设置花键套筒11和花键轴8，使得在滑座3移动时，第三传动轴40仍能够传动给主轴5；钻探机构通过第二轴承13安装在主轴5上，并在旋转驱动机构的限位作用下，不会随主轴5旋转，这样主轴5旋转时，通过第四锥齿轮19带动、第三锥齿轮16、第一传动轴15旋转，进而带动钻头18旋转，使钻头18边旋转边伸出开口23进行钻孔，如图2和图5所示，当上层的螺母座26下降至第二接近开关46检测到螺母座26信号时，钻头18移出机壳1至极限位置，完成钻孔作业；

随后第二驱动电机39反向旋转，使各机构复位，钻头18由开口23重新进入机壳1内，当第一接近开关45检测到螺母座26信号时，各机构完成复位；随后旋转驱动机构工作，第一驱动电机35通过第六锥齿轮36带动第五锥齿轮34、第二传动轴32、第一端面齿轮33旋转，第一端面齿轮33通过第二端面齿轮37驱动各钻探机构同步旋转90度，如图6所示，使土壤监测探头21朝向开口23，通过设置连接杆22可使各钻探机构连接在一起、同步旋转；

随后第一驱动电机35再次通电正向旋转，同钻头18钻土原理相同，横向推动机构推动钻探机构横移，如图3所示，使土壤监测探头21插入横向钻好的钻孔中与土壤直接接触，进行实时监测。

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种土壤环境多层监测装置，包括机壳（1），所述机壳（1）一侧壁上开有多个开口（23），其特征在于，所述机壳（1）内设有横移机构，横移机构包括水平固定在机壳（1）上部内侧的滑杆（2），滑杆（2）上滑动安装有滑座（3），滑座（3）下端通过第一轴承（4）安装有竖直设置的主轴（5），主轴（5）上安装有第一锥齿轮（6），滑座（3）下端固定有第一安装座（7），第一安装座（7）上转动安装有花键轴（8），花键轴（8）一端安装有与第一锥齿轮（6）啮合连接的第二锥齿轮（9），机壳（1）顶端内壁上固定有第二安装座（10），第二安装座（10）上转动安装有花键套筒（11），花键套筒（11）套装在花键轴（8）上且与花键轴（8）键连接；

还包括安装在所述主轴（5）上的多个钻探机构，钻探机构与开口（23）一一对应，钻探机构包括与主轴（5）同轴设置的圆筒（12），圆筒（12）上下端面上均安装有第二轴承（13），第二轴承（13）内圈与主轴（5）连接，圆筒（12）侧壁上安装有第三轴承（14），第三轴承（14）内圈安装有第一传动轴（15），第一传动轴（15）一端位于圆筒（12）内且安装有第三锥齿轮（16），第一传动轴（15）另一端位于圆筒（12）外且通过夹头（17）安装有钻头（18），主轴（5）上安装有与第三锥齿轮（16）啮合连接的第四锥齿轮（19），圆筒（12）外壁上固定有安装板（20），安装板（20）上安装有土壤监测探头（21），安装板（20）与第一传动轴（15）的夹角大于60度；相邻圆筒（12）间通过连接杆（22）固定连接；

还包括用于驱动横移机构横移的横向推动机构，包括双向丝杠（24）及固定在机壳（1）背向开口（23）一侧的内壁上的两个第三安装座（25），双向丝杠（24）安装在两个第三安装座（25）上，双向丝杠（24）的两段螺纹上均安装有螺母座（26），最上层圆筒（12）上安装有上下分布的两个圆环轨道（27），圆环轨道（27）内均滑动卡装有与螺母座（26）一一对应的滑块（28），滑块（28）与螺母座（26）通过推杆（29）铰接；

还包括用于驱动钻头（18）或土壤监测探头（21）朝向开口（23）的旋转驱动机构，包括固定在滑座（3）下端的安装架（30），安装架（30）下端通过第四轴承（31）安装有水平设置的第二传动轴（32），第二传动轴（32）上安装有第一端面齿轮（33）和第五锥齿轮（34），安装架（30）上安装有第一驱动电机（35），第一驱动电机（35）输出端安装有与第五锥齿轮（34）啮合连接的与第六锥齿轮（36），最上层圆筒（12）顶端面上同轴安装有与第一端面齿轮（33）啮合连接的第二端面齿轮（37）；

还包括驱动传动机构，包括安装在机壳（1）顶端的电机支架（38），电机支架（38）上安装有第二驱动电机（39），机壳（1）内设有第三传动轴（40），机壳（1）内壁上固定有两个第五安装座（41），第三传动轴（40）竖直安装在两个第五安装座（41）上，第三传动轴（40）上端伸出机壳（1）且通过皮带传动机构与第二驱动电机（39）输出端传动连接，第三传动轴（40）上安装有第七锥齿轮（42），花键套筒（11）上安装有与第七锥齿轮（42）啮合连接的第八锥齿轮（43），第三传动轴（40）下端通过安全联轴器（44）与双向丝杠（24）上端连接。

2.根据权利要求1所述的土壤环境多层监测装置，其特征在于，所述横向推动机构还包括用于检测螺母座（26）位置的第一接近开关（45）和第二接近开关（46），第一接近开关（45）位于第二接近开关（46）上方。

3.根据权利要求1所述的土壤环境多层监测装置，其特征在于，所述机壳（1）底部固定有支撑底座（47），机壳（1）底部且位于支撑底座（47）内侧设有法兰口（48），法兰口（48）处安装有法兰盘（49）。

4.根据权利要求1所述的土壤环境多层监测装置，其特征在于，所述皮带传动机构包括主动皮带轮（50）和从动皮带轮（51），主动皮带轮（50）安装在第二驱动电机（39）输出轴上，从动皮带轮（51）安装在第三传动轴（40）上，主动皮带轮（50）与从动皮带轮（51）间通过传动皮带（52）传动连接。

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