CN113280849B - 一种土壤传感器性能检测装置与检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于智能农业装备技术领域的一种土壤传感器性能检测装置与检测方法。该检测方法如下：将土壤样品放入土壤传感器性能检测装置中，然后将隔离挡板安装在卡槽上，将不同类型的土壤样品放置于圆形土槽中，之后取出隔离挡板；将土壤传感器安装在夹持装置上，并将夹持装置固定在摇臂上；接通电源，在液晶显示屏上输入播种机行进速度；驱动电机带动摇臂做匀速圆周运动；土壤传感器将土壤特征信息显示在控制面板的液晶显示屏上；在控制面板的接口连接计算机设备，将采集的数据导出后进行处理。本发明体积小，操作简单，造价低，方便检测不同类型的土壤传感器，有利于加快基于实时传感器的变量播种技术的研究进展。

Description

一种土壤传感器性能检测装置与检测方法

技术领域

本发明涉及智能农业装备技术领域，尤其涉及一种土壤传感器性能检测装置与检测方法。

背景技术

近年来，单产水平增长缓慢成为我国玉米产业面临的突出问题之一，平均单产水平与世界先进国家相比存在较大差距。其原因除了品种、环境、种植制度等因素外，土壤、肥料等资源的有效利用是重要的制约因素。目前使用的精量播种只能将种子在田间“均匀分布”，不能做到根据土壤条件“因地制宜”地投入种子量。因此，要实现土壤、肥料等资源的高效利用，应该使每块地的播种密度与土壤条件相匹配，从而以更合理的种子投入获得更高的产量。精准变量播种能够在作业过程中根据土壤类型、土壤肥力、光照条件等因素合理精准地投放播种量，在增产潜力大的区域多播种，在增产潜力小的区域少播种，即根据地块不同区域的特性差异实施变量播种，从而最大限度地挖掘产量潜力、提高单产水平，降低良种用量，实现种植收益的最大化。基于实时传感器的变量播种技术通过土壤传感器实时检测土壤类型、有机质含量、电导率、含水率等影响作物生长的关键因素，依据检测获取的数据并结合机载专家决策系统实时计算出播种机行进路线上各点的播种量，从而实时调整排种器转速达到变量播种的目的。

因此开发各种新型的土壤传感器以及检测传感器性能是精准变量播种技术的关键所在，田间实地检测成本高、费时费力，且土壤样本的多样性不易控制。除此之外，无论田间播种机实地检测还是使用大型土槽试验车平台检测，土壤传感器的运动轨迹均为直线，一次试验作业的采样点有限，导致试验过程繁琐，试验用地较大。这些问题大大延长了土壤传感器的开发周期。为此，发明了一种土壤传感器性能检测装置与检测方法，该装置能够同时放置多种不同类型的土壤样本，针对土壤传感器的运动提出一种采用螺旋线运动轨迹替代直线运动轨迹的方法，减小试验装置的结构尺寸，一次作业可同时实现不同梯度、不同采样点的土壤特征信息连续采集。通过控制器可以实现运动速度的在线无级调节，控制面板能够实时显示各项土壤特征信息。本发明体积小，操作简单，造价低，实用性强，放置于实验室中方便开发检测不同类型的土壤传感器，有利于加快基于实时传感器的变量播种技术的研究进展。

发明内容

本发明的目的是提出一种土壤传感器性能检测装置与检测方法。

一种土壤传感器性能检测装置，其特征在于，该装置包括圆形土槽、夹持装置、土壤传感器、控制面板、台架、万向轮、摇臂、卡槽、进给机构、换向减速器、驱动电机及控制系统；

其中，圆形土槽内壁上均匀设置12个卡槽，卡槽内设置用于隔离土壤样品的挡板，在与控制面板相对的圆形土槽上设有自由开关的卸土窗口；控制面板包括开机按钮、急停按钮以及液晶显示屏，控制面板通过螺栓固定于圆形土槽的外侧；圆形土槽固定在台架上，台架四脚安装有万向轮；所述控制系统包括PLC控制器、电机驱动器、控制面板和电源，PLC控制器分别与土壤传感器、电机驱动器和液晶显示屏连接；电源分别与控制系统、土壤传感器和驱动电机连接；驱动电机安装在台架上，且处于圆形土槽的下方；驱动电机的动力输出轴通过换向减速器与摇臂的中心轴相连；液晶显示屏上显示的内容包括播种机转速、土壤类型、有机质含量、ph值和电导率；

所述夹持装置的前端为箭铲式结构，用以模拟播种机开沟器为土壤传感器开沟；箭铲式结构通过开沟连杆与后端的用于安装土壤传感器的U型槽连接；开沟连杆通过U型螺栓与固定架连接在检测装置的进给机构上；夹持装置的开沟连杆上开有若干螺栓孔，调整固定架和螺栓孔的相对位置以改变土壤传感器检测的深度；

所述进给机构包括伺服电机、减速器、齿轮、齿条和夹持机构安装架；进给机构通过驱动电机来驱动齿轮与齿条配合，为土壤传感器提供沿摇臂方向的匀速直线运动，与摇臂为其提供的匀速圆周运动二者合成土壤传感器的螺旋线运动，并且通过控制系统实现运动速度的在线无级调节。

所述圆形土槽的直径为1.2m，高度为0.3m，材料为有机玻璃。

所述驱动电机的型号为YE2-100L2-4，额定功率3KW，额定电流6.8A，转速1410r/min。

土壤传感器性能检测装置的检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：采集不同玉米耕作区深度为0～20cm的耕作层土壤，且对同一耕作区域多点采样；

步骤2：将采集的土壤样品进行实验室化学分析，确定质地、有机质含量、电导率和含水率的变化范围；

步骤3：配置不同质地不同梯度的土壤样品；在不同质地土壤类型的基础上，分别对有机质含量、电导率和含水率进行不同梯度的划分；有机质含量梯度划分方法为高有机质土壤与低有机质土壤按不同比例均匀混合；电导率与含水率梯度划分方法为同一耕作区同一质地的土壤分别混入不同量的KCL溶液和蒸馏水；

步骤4：将均匀混合之后的土壤样品放在密闭环境中静置24小时；

步骤5：将配置好的土壤样品放入土壤传感器性能检测装置中，最多放入12种不同类型的土壤样品，实验人员根据试验需求自由调整样品种类、检测顺序以及区块面积；

步骤6：将隔离挡板安装在卡槽上，根据试验需求，分别将不同类型的土壤样品放置于圆形土槽中，之后取出隔离挡板，模拟田间状况适当整平土壤；

步骤7：将土壤传感器安装在夹持装置上，并将夹持装置固定在摇臂上；

步骤8：接通电源，打开控制面板的开关，在液晶显示屏上输入播种机行进速度，控制系统自动将播种机行进速度转换为土壤传感器绕中心轴的转速并将信号传递给驱动电机；

步骤9：驱动电机的动力输出轴与换向减速器连接，带动摇臂做匀速圆周运动；

步骤10：土壤传感器在摇臂的带动下依次通过各土壤样品并将获得的土壤特征信息显示在控制面板的液晶显示屏上；

步骤11：在控制面板的接口连接计算机设备，将采集的数据导出后进行处理。

本发明的有益效果在于：

本发明体积小，操作简单，造价低，实用性强，结构合理，且工作稳定可靠，解决了田间实地检测成本高、费时费力的问题，能够顺利完成土壤传感器性能检测，方便开发检测不同类型的土壤传感器，保证了检测样本的多样性，有利于加快基于实时传感器的变量播种技术的研究进展。

附图说明

图1a、图1b为本发明土壤传感器性能检测装置整体结构示意图；

图中：1-圆形土槽、2-夹持装置、3-土壤传感器、4-控制面板、5-台架、6-万向轮、7-摇臂、8-卡槽、9-进给机构、10-换向减速器、11-驱动电机；

图2为本发明控制面板功能示意图；

图3为本发明夹持装置与土壤传感器配合示意图；

图中：201-箭铲式结构、202-开沟连杆、203-U型槽、204-U型螺栓、205-固定架、206-螺栓孔；

图4为本发明进给机构示意图；

图中：901-齿轮、902-齿条、903-夹持机构安装架、904-伺服电机、905-减速器。

具体实施方式

本发明提出一种土壤传感器性能检测装置与检测方法，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

图1a、图1b为本发明土壤传感器性能检测装置整体结构示意图；本发明采用以下技术方案予以实现：

土壤传感器性能检测装置主要包括控制系统、圆形土槽1、夹持装置2、土壤传感器3、控制面板4、台架5、万向轮6、摇臂7、卡槽8、进给机构9、换向减速器10、驱动电机11。控制系统包括PLC控制器、电机驱动器、控制面板和电源。圆形土槽1固定在台架5上，台架5四脚安装有万向轮6，方便移动。控制面板4通过螺栓连接固定于圆形土槽1外侧，驱动电机11安装在台架5上，圆形土槽1下方，通过换向减速器10与摇臂7相连。

本发明的控制系统包括PLC控制器、电机驱动器、控制面板4和电源，PLC控制器分别与土壤传感器3、电机驱动器和液晶显示屏连接；电源与控制系统、土壤传感器3和驱动电机11连接。控制面板4包含开机按钮、急停按钮以及液晶显示屏，通过螺栓连接固定于圆形土槽1外侧。液晶显示屏上显示内容包括播种机转速、土壤的各项指标(土壤类型、有机质含量、电导率、含水率)。图2为本发明控制面板功能示意图；

圆形土槽1的直径为1.2m，高度为0.3m，材料为有机玻璃，采用透明材料可以清晰的观察到传感器与土壤之间的接触状态，判断传感器所在土壤样品的位置。在圆形土槽1周围均布有12个卡槽8，卡槽8内可放置挡板用于隔离土壤样品，挡板由厚度1mm的不锈钢板加工而成，圆形土槽1内最多可以放入12种不同类型的土壤样品。在圆形土槽1与控制面板4相对的一侧开有可自由开关的卸土窗口。

夹持装置2的前端为箭铲式结构201，功能是模拟播种机开沟器为土壤传感器3开沟。箭铲式结构201通过开沟连杆202与后端的U型槽203连接，U型槽203用于安装土壤传感器3。整个装置通过U型螺栓204与固定架205连接在检测装置的进给机构9上。夹持装置2的开沟连杆202上开有多个螺栓孔206，只需要简单调整开沟连杆202与固定架205的配合螺栓孔206就可以实现土壤传感器3检测深度的改变。图3为本发明夹持装置与土壤传感器配合示意图；

进给机构9由小型伺服电机单独驱动。采用齿轮齿条结构，配合紧密，可靠性高。该机构包括齿轮901、齿条902、夹持机构安装架903、伺服电机904、减速器905，进给机构9通过伺服电机904驱动齿轮901与齿条902配合，为土壤传感器3提供沿摇臂7方向的匀速直线运动，与摇臂7提供的匀速圆周运动二者拟合形成土壤传感器3的螺旋线运动，并且通过控制器可以实现运动速度的在线无级调节。图4为本发明进给机构示意图。

驱动电机11的型号为YE2-100L2-4，额定功率3KW，额定电流6.8A，转速1410r/min。驱动电机11固定在台架5的电机支座上，驱动电机11的动力输出轴通过换向减速器10与摇臂7中心轴相连。

利用土壤传感器性能检测装置的检测不同类型土壤配置的方法包括如下步骤：

(1)分别采集不同玉米耕作区深度为0-20cm的耕作层土壤，同一耕作区域多点采样。

(2)将采集的土壤样品进行实验室化学分析，得出土壤特征信息(质地、有机质含量、电导率、含水率)的具体参数，确定各项指标的变化范围。

(3)配置不同质地不同梯度的土壤样品。在不同质地土壤类型的基础上，分别对有机质含量、电导率、含水率进行不同梯度的划分。有机质含量梯度划分方法为高有机质土壤与低有机质土壤按不同比例均匀混合；电导率与含水率梯度划分方法为同一耕作区同一质地的土壤分别混入不同量的KCL溶液和蒸馏水。

(4)按以上方法均匀混合之后在密闭环境中静置24小时。

(5)将配置好的土壤样品放入土壤传感器性能检测装置中，该装置最多可以放入12种不同类型的土壤样品。实验人员可根据试验需求自由调整样品种类、检测顺序以及区块面积。

(6)安装土壤传感器，接通电源，操作检测装置完成土壤特征信息采集。

(7)在控制面板的接口连接笔记本电脑等设备将采集的数据导出，进行数据处理。

土壤传感器性能检测装置按照如下方式进行工作：

(1)将隔离挡板安装在卡槽上，根据试验需求，分别将不同类型的土壤样品放置于圆形土槽中，之后取出隔离挡板，模拟田间状况适当整平土壤。

(2)将需要检测的土壤传感器安装在夹持装置上，夹持装置固定在摇臂上。

(3)接通电源，打开控制面板开关，在液晶显示屏上人工输入播种机行进速度，控制系统会自动将输入的行进速度转换为土壤传感器绕中心轴的转速并将信号传递给驱动电机。

(4)驱动电机的动力输出轴与换向减速器连接，带动摇臂做匀速圆周运动。

(5)土壤传感器在摇臂的带动下依次通过各种土壤样品并将获得的各项土壤特征信息显示在控制面板的液晶显示屏上。

(6)控制面板的接口可以连接笔记本电脑等设备将采集的数据导出，以便于后期的数据处理。

本发明可模拟播种单体携带土壤传感器在田间检测土壤的工作状态，检测传感器的工作性能，解决了田间实地检测成本高、费时费力的问题，并提供了一种结构合理，工作稳定可靠，能够顺利完成土壤传感器性能检测的检测装置与检测方法。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种土壤传感器性能检测装置，其特征在于，该装置包括圆形土槽(1)、夹持装置(2)、土壤传感器(3)、台架(5)、万向轮(6)、摇臂(7)、卡槽(8)、进给机构(9)、换向减速器(10)、驱动电机(11)及控制系统；

其中，圆形土槽(1)内壁上均匀设置12个卡槽(8)，卡槽(8)内设置用于隔离土壤样品的隔离挡板，在与控制面板(4)相对的圆形土槽(1)上设有自由开关的卸土窗口；控制面板(4)包括开机按钮、急停按钮以及液晶显示屏，控制面板(4)通过螺栓固定于圆形土槽(1)的外侧；圆形土槽(1)固定在台架(5)上，台架(5)四脚安装有万向轮(6)；所述控制系统包括PLC控制器、电机驱动器、控制面板(4)和电源，PLC控制器分别与土壤传感器(3)、电机驱动器和液晶显示屏连接；电源分别与控制系统、土壤传感器(3)和驱动电机(11)连接；驱动电机(11)安装在台架(5)上，且处于圆形土槽(1)的下方；驱动电机(11)的动力输出轴通过换向减速器(10)与摇臂(7)的中心轴相连；液晶显示屏上显示的内容包括播种机转速、土壤类型、有机质含量、ph值和电导率；

所述夹持装置(2)的前端为箭铲式结构(201)，用以模拟播种机开沟器为土壤传感器(3)开沟；箭铲式结构(201)通过开沟连杆(202)与后端的用于安装土壤传感器(3)的U型槽(203)连接；开沟连杆(202)通过U型螺栓(204)与固定架(205)连接在检测装置的进给机构(9)上；夹持装置(2)的开沟连杆(202)上开有若干螺栓孔(206)，调整固定架(205)和螺栓孔(206)的相对位置以改变土壤传感器检测的深度；

所述进给机构(9)包括伺服电机(904)、减速器(905)、齿轮(901)、齿条(902)和夹持机构安装架(903)；进给机构(9)通过驱动电机(11)来驱动齿轮(901)与齿条(902)配合，为土壤传感器(3)提供沿摇臂(7)方向的匀速直线运动，与摇臂(7)为其提供的匀速圆周运动二者合成土壤传感器(3)的螺旋线运动，并且通过控制系统实现运动速度的在线无级调节。

2.根据权利要求1所述的土壤传感器性能检测装置，其特征在于，所述圆形土槽(1)的直径为1.2m，高度为0.3m，材料为有机玻璃。

3.根据权利要求1所述的土壤传感器性能检测装置，其特征在于，所述驱动电机(11)的型号为YE2-100L2-4，额定功率3KW，额定电流6.8A，转速1410r/min。

4.一种权利要求1所述的土壤传感器性能检测装置的检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：采集不同玉米耕作区深度为0～20cm的耕作层土壤，且对同一耕作区多点采样；

步骤2：将采集的土壤样品进行实验室化学分析，确定质地，并确定有机质含量、电导率和含水率的变化范围；

步骤3：配置不同质地不同梯度的土壤样品；在不同质地土壤类型的基础上，分别对有机质含量、电导率和含水率进行不同梯度的划分；有机质含量梯度划分方法为高有机质土壤与低有机质土壤按不同比例均匀混合；电导率与含水率梯度划分方法为同一耕作区同一质地的土壤分别混入不同量的KCL溶液和蒸馏水；

步骤4：将均匀混合之后的土壤样品放在密闭环境中静置24小时；

步骤5：将配置好的土壤样品放入土壤传感器(3)性能检测装置中，最多放入12种不同类型的土壤样品，实验人员根据试验需求自由调整样品种类、检测顺序以及区块面积；

步骤6：将隔离挡板安装在卡槽(8)上，根据试验需求，分别将不同类型的土壤样品放置于圆形土槽(1)中，之后取出隔离挡板，模拟田间状况适当整平土壤；

步骤7：将土壤传感器(3)安装在夹持装置(2)上，并将夹持装置(2)固定在摇臂(7)上；

步骤8：接通电源，打开控制面板(4)的开机按钮，在液晶显示屏上输入播种机行进速度，控制系统自动将播种机行进速度转换为土壤传感器(3)绕中心轴的转速并将信号传递给驱动电机(11)；

步骤9：驱动电机(11)的动力输出轴与换向减速器(10)连接，带动摇臂(7)做匀速圆周运动；

步骤10：土壤传感器(3)在摇臂(7)的带动下依次通过各土壤样品并将获得的土壤特征信息显示在控制面板(4)的液晶显示屏上；

步骤11：在控制面板(4)的接口连接计算机设备，将采集的数据导出后进行处理。

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