CN114659830A - 一种采样机构 - Google Patents

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CN114659830A
CN114659830A CN202210289804.2A CN202210289804A CN114659830A CN 114659830 A CN114659830 A CN 114659830A CN 202210289804 A CN202210289804 A CN 202210289804A CN 114659830 A CN114659830 A CN 114659830A
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安永刚
张丹明
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Tianjin Qixun Technology Co ltd
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Beijing University of Agriculture
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N1/02—Devices for withdrawing samples
    • G01N1/04—Devices for withdrawing samples in the solid state, e.g. by cutting
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Abstract

本发明提供了一种采样机构，其包括采样电机、主套管、副套管、卷绕弹簧、采样组件、钻杆和夹持组件；所述主套管固定连接在所述采样电机的动力输出轴上；采样电机正转时，楔形块从自由端和钻杆之间抽出，卷绕弹簧依靠自身弹性力与钻杆固定连接，副套管通过所述固定端带动所述卷绕弹簧和钻杆正转；所述钻杆中空设置，内部设置有用于容纳所述采样组件的滑膛；滑膛下端在所述钻杆的顶部设置有开口；采样组件可自开口伸出或退回地设置在所述滑膛内；所述副套管与所述采样组件可相对转动连接，副套管可带动所述采样组件上下移动连接。本发明自动化程度更高，能够根据设定模式自动实现土壤采集，省时省力，效率高。

Description

一种采样机构
技术领域
本发明涉及土壤采样技术领域，尤其是涉及一种用于森林、草原、耕地等土壤监测时土壤样本采集的采样机构。本申请是申请号为2020101397875、申请日为2020-03-03，名称为“一种土壤采样装置和方法”专利申请的分案申请。
背景技术
森林、草原或者耕地等较软地质监测时，需要定期或不定期地采集设定深度的土壤样本进行分析。而现有的土壤样本采集多采用人工挖掘的方式，费时费力，效率低下。
发明内容
本发明的目的在于提供一种土壤采样装置和方法，以解决现有技术中存在的至少一个上述技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种土壤采样装置，包括：支架、升降机构、升降架和采样机构；所述升降架通过所述升降机构可上下移动地设置在所述支架上；所述采样机构设置在所述升降架上，用于采集土壤样品。
进一步地，所述升降机构包括：升降电机、传动螺杆和传动螺母；传动螺母与所述升降架固定连接；传动螺杆可转动地设置在所述支架上，升降电机的动力输出轴与传动螺杆连接。升降电机依次通过传动螺杆和传动螺母带动所述升降架上下移动。
其中，优选地，所述支架上竖直设置有用于升降架上下移动时导向的导向结构。例如，竖直设置的导向柱、导向槽，升降架上设置有与导向柱适配的导向孔，或与导向槽适配的滑块等。
进一步地，所述采样机构包括：采样电机(优选为步进电机)、主套管、副套管、卷绕弹簧、采样组件、钻杆和夹持组件；
所述主套管固定连接在所述采样电机的动力输出轴上；
所述钻杆的上端可上下滑动地插装在所述主套管内；
所述副套管可转动地套装在所述主套管和所述钻杆外；所述副套管内部上端设置有连接销柱；所述主套管的下端外圆上设置有滑槽，滑槽沿所述主套管的周向布设，滑槽的两端分别设置有正转限位台和反转限位台；所述连接销柱的顶端可滑动地插装在滑槽内，采样电机正转时，连接销柱沿滑槽相对滑动并抵靠在正转限位台上，动力输出轴通过主套管可带动所述副套管正转；采样电机反转时，连接销柱沿滑槽相对滑动并抵靠在反转限位台上，动力输出轴通过主套管可带动所述副套管反转；
在无外力作用下，所述卷绕弹簧的中间孔径小于所述钻杆外径，所述卷绕弹簧设置在所述副套管内，以及缠绕在所述钻杆外；
所述卷绕弹簧的两端包括：下端设置的固定端和上端设置的自由端；固定端与所述副套管固定连接；所述主套管的下端固定设置有楔形块(楔形块与所述自由端对应设置)，采样电机反转时，楔形块楔入自由端和钻杆之间，并通过将所述自由端抬起而迫使所述卷绕弹簧的中间孔径变大，钻杆与卷绕弹簧和副套管之间可相对转动以及可相对上下移动；
采样电机正转时，楔形块从自由端和钻杆之间抽出，卷绕弹簧依靠自身弹性力与钻杆固定连接，副套管通过所述固定端带动所述卷绕弹簧和钻杆正转；
所述钻杆中空设置，内部设置有用于容纳所述采样组件的滑膛；滑膛下端在所述钻杆的顶部设置有开口；采样组件可自开口伸出或退回地设置在所述滑膛内；
所述副套管与所述采样组件可(绕副套管的中心轴线，或周向) 相对转动连接，副套管可带动所述采样组件上下移动连接；
所述夹持组件设置在所述支架的中下端，用于夹持锁定所述钻杆。
进一步地，所述夹持组件包括：所述钻杆两侧对称设置的夹持头和伸缩件(例如气缸、油缸或电动伸缩杆)；夹持头在伸缩件的驱动下可靠近钻杆，进而可抱紧锁定钻杆，阻止钻杆转动、上下移动；夹持头在伸缩件的驱动下远离所述钻杆，进而可解除多钻杆的锁定。
进一步地，所述采样组件包括：柱体，柱体下端铰接有第一夹持部和第二夹持部；第一夹持部和第二夹持部上分别设置有第一凹槽和第二凹槽，第一夹持部和第二夹持部扣合在一起后，第一凹槽和第二凹槽合围成土壤样品腔；所述第一夹持部和第二夹持部在弹力件的作用下趋向于张开。
当两个夹持部自滑膛下方的开口伸出后，在弹力件的作用下，第一夹持部和第二夹持部张开，土壤样品可通过两个夹持部之间的夹持口进入土壤样品腔内，当两个夹持部退回滑膛时，滑膛下方的开口口沿则逐渐迫使两个夹持部合并，并携带着土壤样品退回滑膛内。
进一步地，还包括套环和连接翼板，所述套环可上下滑动地套装在所述钻杆上；套环通过止推轴承与所述副套管底部连接(在副套管的周向上，套环与副套管可相对转动；在副套管的轴向上，套环与副套管相对固定连接)；
钻杆上沿其轴向设置有连通所述滑膛内外的条形槽；连接翼板可滑动地插装在条形槽内，连接翼板的内外两端分别与所述柱体和套环固定连接。
进一步地，所述连接销柱的底部设置有摩擦工作面；
所述滑槽的底面上以及在正转限位台的根部设置有第一锁定工作面；在所述主套管的径向上，以及在逐渐靠近正转限位台的方向上，第一锁定工作面的径向坐标值逐渐增加(即为逐渐外凸的、变径凸轮面)；所述采样电机正转时，连接销柱靠近正转限位台时，第一锁定工作面逐渐楔入连接销柱底部并与所述摩擦工作面摩擦配合；
所述滑槽的底面上以及在反转限位台的根部设置有第二锁定工作面；在所述主套管的径向上，以及在逐渐靠近反转限位台的方向上，第二锁定工作面的径向坐标值逐渐增加(即为逐渐外凸的、变径凸轮面)；所述采样电机反转时，连接销柱靠近反转限位台时，第二锁定工作面逐渐楔入连接销柱底部并与所述摩擦工作面摩擦配合。
第一锁定工作面和第二锁定工作面的作用在于楔入连接销柱的底部，与摩擦工作面相适配，消除主套管和副套管之间的连接间隙，在大大降低工作时主套管和副套管产生的噪音的同时，增加了主套管和副套管之间的连接刚性，避免两个零部件的损坏。
进一步地，还包括控制器(例如CPU、单片机或微信电脑)，所述控制器分别与所述升降电机和所述采样电机电控连接。
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的一种土壤采样装置，自动化程度更高，能够根据设定模式自动实现土壤采集，省时省力，效率高。
另外，本发明还公开了一种采用上述土壤采样装置的土壤采样方法，其包括如下步骤:
S1.采样电机正转，采样电机通过主套管、副套管以及卷绕弹簧带动钻杆转动，升降机构携带着升降架向下移动，钻杆伸入地表下设定深度；
S2.采样电机停止，所述夹持组件正向动作夹持锁定住所述钻杆；
S3.采样电机反转设定角度(连接销柱抵靠在反转限位台上)，所述楔形块楔入卷绕弹簧自由端和钻杆之间，并通过将所述自由端抬起而迫使所述卷绕弹簧的中间孔径变大，进而解除钻杆与卷绕弹簧之间的锁定关系；
S4.升降机构携带着升降架继续向下移动设定距离，副套管通过套环、连接翼板携带着采样组件向下移动，第一夹持部和第二夹持部自滑膛下方的开口伸出，张开后夹取土壤样品；
S5.升降机构携带着升降架继续向上移动设定距离，副套管通过套环、连接翼板携带着采样组件向上移动，第一夹持部和第二夹持部携带着土壤样品退回滑膛内；
S7.采样电机正转设定角度(连接销柱抵靠在正转限位台上)，所述楔形块自卷绕弹簧自由端和钻杆之间退出，卷绕弹簧在自身弹力的作用下中间孔径缩小并抱紧所述钻杆；
S8.所述夹持组件反向动作接触对所述钻杆的锁定；
S9.采样电机正转，采样电机通过主套管、副套管以及卷绕弹簧带动钻杆转动，升降机构携带着升降架向上移动，钻杆自地表内退出；
重复步骤S2、S3和S4，第一夹持部和第二夹持部自滑膛下方的开口伸出，张开将土壤样品吐出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的土壤采样装置的结构示意图；
图2为图1中的AA剖视图；
图3为卷绕弹簧与楔形块之间的工作原理图；
图4为图2中的C处放大图；
图5为图1中B处放大图；
图6为夹持组件的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合具体的实施方式对本发明做进一步的解释说明。
如图1-6所示，本实施例提供的一种土壤采样装置，包括：支架10、升降机构30、升降架20和采样机构；所述升降架20通过所述升降机构30可上下移动地设置在所述支架10上；所述采样机构设置在所述升降架20上，用于采集土壤样品。
所述升降机构30包括：升降电机31、传动螺杆33和传动螺母 32；传动螺母与所述升降架20固定连接；传动螺杆可转动地设置在所述支架10上，升降电机31的动力输出轴与传动螺杆连接。升降电机31依次通过传动螺杆和传动螺母带动所述升降架20上下移动。
其中，优选地，所述支架10上竖直设置有用于升降架20上下移动时导向的导向结构。例如，竖直设置的导向柱、导向槽，升降架20上设置有与导向柱适配的导向孔，或与导向槽适配的滑块等。
所述采样机构包括：采样电机41(优选为步进电机)、主套管 42、副套管43、卷绕弹簧44、采样组件、钻杆45和夹持组件60；
所述主套管42固定连接在所述采样电机41的动力输出轴上；
所述钻杆45的上端可上下滑动地插装在所述主套管42内；
所述副套管43可转动地套装在所述主套管42和所述钻杆45 外；另外，升降架上设置有用于副套管限位的限位孔，副套管可上下滑动地插装在限位孔内。
所述副套管43内部上端设置有连接销柱43a；所述主套管42 的下端外圆上设置有滑槽42a，滑槽42a沿所述主套管42的周向布设，滑槽42a的两端分别设置有正转限位台42b和反转限位台42c；所述连接销柱43a的顶端可滑动地插装在滑槽42a内，采样电机41 正转时，连接销柱43a沿滑槽42a相对滑动并抵靠在正转限位台上，动力输出轴通过主套管42可带动所述副套管43正转；采样电机41 反转时，连接销柱43a沿滑槽42a相对滑动并抵靠在反转限位台上，动力输出轴通过主套管42可带动所述副套管43反转；
在无外力作用下，所述卷绕弹簧44的中间孔径小于所述钻杆 45外径；所述卷绕弹簧44设置在所述副套管43内，以及缠绕在所述钻杆45外；
所述卷绕弹簧44的两端包括：下端设置的固定端和上端设置的自由端44a；固定端与所述副套管43固定连接；所述主套管42 的下端固定设置有楔形块46(楔形块与所述自由端对应设置)，采样电机41反转时，楔形块楔入自由端和钻杆45之间，并通过将所述自由端抬起而迫使所述卷绕弹簧44的中间孔径变大，钻杆45与卷绕弹簧44和副套管43之间可相对转动以及可相对上下移动；
采样电机41正转时，楔形块46从自由端和钻杆45之间抽出，卷绕弹簧44依靠自身弹性力与钻杆45固定连接，副套管43通过所述固定端带动所述卷绕弹簧44和钻杆45正转；
所述钻杆45中空设置，内部设置有用于容纳所述采样组件的滑膛；滑膛下端在所述钻杆45的顶部设置有开口；采样组件可自开口伸出或退回地设置在所述滑膛内；
所述副套管43与所述采样组件可(绕副套管43的中心轴线，或周向)相对转动连接，副套管43可带动所述采样组件上下移动连接；
所述夹持组件60设置在所述支架10的中下端，用于夹持锁定所述钻杆45。
夹持组件60包括：所述钻杆45两侧对称设置的夹持头62和伸缩件61(例如气缸、油缸或电动伸缩杆)；夹持头在伸缩件的驱动下可靠近钻杆45，进而可抱紧锁定钻杆45，阻止钻杆45转动、上下移动；夹持头在伸缩件的驱动下远离所述钻杆45，进而可解除多钻杆45的锁定。
采样组件包括：柱体51，柱体下端铰接有第一夹持部52和第二夹持部53；第一夹持部和第二夹持部上分别设置有第一凹槽和第二凹槽，第一夹持部和第二夹持部扣合在一起后，第一凹槽和第二凹槽合围成土壤样品腔；所述第一夹持部和第二夹持部在弹力件54 的作用下趋向于张开。
当两个夹持部自滑膛下方的开口伸出后，在弹力件的作用下，第一夹持部和第二夹持部张开，土壤样品可通过两个夹持部之间的夹持口进入土壤样品腔内，当两个夹持部退回滑膛时，滑膛下方的开口口沿则逐渐迫使两个夹持部合并，并携带着土壤样品退回滑膛内。
本实施例还包括套环70和连接翼板71，所述套环70可上下滑动地套装在所述钻杆45上；套环通过止推轴承72与所述副套管43 底部连接(在副套管43的周向上，套环与副套管43可相对转动；在副套管43的轴向上，套环与副套管43相对固定连接)；
钻杆45上沿其轴向设置有连通所述滑膛内外的条形槽45a；连接翼板可滑动地插装在条形槽内，连接翼板的内外两端分别与所述柱体和套环固定连接。
连接销柱43a的底部设置有摩擦工作面；所述滑槽42a的底面上以及在正转限位台42b的根部设置有第一锁定工作面42d；在所述主套管的径向上，以及在逐渐靠近正转限位台的方向上，第一锁定工作面的径向坐标值逐渐增加(即为逐渐外凸的、变径凸轮面)；所述采样电机41正转时，连接销柱43a靠近正转限位台时，第一锁定工作面逐渐楔入连接销柱43a底部并与所述摩擦工作面摩擦配合；
所述滑槽42a的底面上以及在反转限位台42c的根部设置有第二锁定工作面42e；在所述主套管的径向上，以及在逐渐靠近反转限位台的方向上，第二锁定工作面的径向坐标值逐渐增加(即为逐渐外凸的、变径凸轮面)；所述采样电机41反转时，连接销柱43a 靠近反转限位台时，第二锁定工作面逐渐楔入连接销柱43a底部并与所述摩擦工作面摩擦配合。
第一锁定工作面和第二锁定工作面的作用在于楔入连接销柱 43a的底部，与摩擦工作面相适配，消除主套管42和副套管43之间的连接间隙，在大大降低工作时主套管42和副套管43产生的噪音的同时，增加了主套管42和副套管43之间的连接刚性，避免两个零部件的损坏。
本实施例还包括控制器(例如CPU、单片机或微信电脑)，所述控制器分别与所述升降电机31和所述采样电机41电控连接。
上述土壤采样装置工作时，步骤如下:
S1.采样电机41正转，采样电机41通过主套管42、副套管43 以及卷绕弹簧44带动钻杆45转动，升降机构30携带着升降架20 向下移动，钻杆45伸入地表下设定深度；
S2.采样电机41停止，所述夹持组件60正向动作夹持锁定住所述钻杆45；
S3.采样电机41反转设定角度(连接销柱43a抵靠在反转限位台上)，所述楔形块楔入卷绕弹簧44自由端和钻杆45之间，并通过将所述自由端抬起而迫使所述卷绕弹簧44的中间孔径变大，进而解除钻杆45与卷绕弹簧44之间的锁定关系；
S4.升降机构30携带着升降架20继续向下移动设定距离，副套管43通过套环、连接翼板携带着采样组件向下移动，第一夹持部和第二夹持部自滑膛下方的开口伸出，张开后夹取土壤样品；
S5.升降机构30携带着升降架20继续向上移动设定距离，副套管43通过套环、连接翼板携带着采样组件向上移动，第一夹持部和第二夹持部携带着土壤样品退回滑膛内；
S7.采样电机41正转设定角度(连接销柱43a抵靠在正转限位台上)，所述楔形块自卷绕弹簧44自由端和钻杆45之间退出，卷绕弹簧44在自身弹力的作用下中间孔径缩小并抱紧所述钻杆45；
S8.所述夹持组件60反向动作接触对所述钻杆45的锁定；
S9.采样电机41正转，采样电机41通过主套管42、副套管43 以及卷绕弹簧44带动钻杆45转动，升降机构30携带着升降架20 向上移动，钻杆45自地表内退出；
重复步骤S2、S3和S4，第一夹持部和第二夹持部自滑膛下方的开口伸出，张开将土壤样品吐出。
本发明提供的一种土壤采样装置，自动化程度更高，能够根据设定模式自动实现土壤采集，省时省力，效率高。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种采样机构，其特征在于，包括：采样电机、主套管、副套管、卷绕弹簧、采样组件、钻杆和夹持组件；
所述主套管固定连接在所述采样电机的动力输出轴上；
所述钻杆的上端可上下滑动地插装在所述主套管内；
所述副套管可转动地套装在所述主套管和所述钻杆外；所述副套管内部上端设置有连接销柱；所述主套管的下端外圆上设置有滑槽，滑槽沿所述主套管的周向布设，滑槽的两端分别设置有正转限位台和反转限位台；所述连接销柱的顶端可滑动地插装在滑槽内，采样电机正转时，连接销柱沿滑槽相对滑动并抵靠在正转限位台上，动力输出轴通过主套管可带动所述副套管正转；采样电机反转时，连接销柱沿滑槽相对滑动并抵靠在反转限位台上，动力输出轴通过主套管可带动所述副套管反转；
在无外力作用下，所述卷绕弹簧的中间孔径小于所述钻杆外径，所述卷绕弹簧设置在所述副套管内，以及缠绕在所述钻杆外；
所述卷绕弹簧的两端包括：下端设置的固定端和上端设置的自由端；固定端与所述副套管固定连接；所述主套管的下端固定设置有楔形块，采样电机反转时，楔形块楔入自由端和钻杆之间，并通过将所述自由端抬起而迫使所述卷绕弹簧的中间孔径变大，钻杆与卷绕弹簧和副套管之间可相对转动以及可相对上下移动；
采样电机正转时，楔形块从自由端和钻杆之间抽出，卷绕弹簧依靠自身弹性力与钻杆固定连接，副套管通过所述固定端带动所述卷绕弹簧和钻杆正转；
所述钻杆中空设置，内部设置有用于容纳所述采样组件的滑膛；滑膛下端在所述钻杆的顶部设置有开口；采样组件可自开口伸出或退回地设置在所述滑膛内；
所述副套管与所述采样组件可相对转动连接，副套管可带动所述采样组件上下移动连接；
所述夹持组件用于夹持锁定所述钻杆。
2.根据权利要求1所述的采样机构，其特征在于，所述夹持组件包括：所述钻杆两侧对称设置的夹持头和伸缩件；夹持头在伸缩件的驱动下可靠近钻杆，进而可抱紧锁定钻杆，阻止钻杆转动、上下移动；夹持头在伸缩件的驱动下远离所述钻杆，进而可解除多钻杆的锁定。
3.根据权利要求1所述的采样机构，其特征在于，所述采样组件包括：柱体，柱体下端铰接有第一夹持部和第二夹持部；第一夹持部和第二夹持部上分别设置有第一凹槽和第二凹槽，第一夹持部和第二夹持部扣合在一起后，第一凹槽和第二凹槽合围成土壤样品腔；所述第一夹持部和第二夹持部在弹力件的作用下趋向于张开。
4.根据权利要求3所述的采样机构，其特征在于，还包括套环和连接翼板，所述套环可上下滑动地套装在所述钻杆上；套环通过止推轴承与所述副套管底部连接；
钻杆上沿其轴向设置有连通所述滑膛内外的条形槽；连接翼板可滑动地插装在条形槽内，连接翼板的内外两端分别与所述柱体和套环固定连接。
5.根据权利要求1所述的采样机构，其特征在于，所述连接销柱的底部设置有摩擦工作面；
所述滑槽的底面上以及在正转限位台的根部设置有第一锁定工作面；在所述主套管的径向上，以及在逐渐靠近正转限位台的方向上，第一锁定工作面的径向坐标值逐渐增加；所述采样电机正转时，连接销柱靠近正转限位台时，第一锁定工作面逐渐楔入连接销柱底部并与所述摩擦工作面摩擦配合；
所述滑槽的底面上以及在反转限位台的根部设置有第二锁定工作面；在所述主套管的径向上，以及在逐渐靠近反转限位台的方向上，第二锁定工作面的径向坐标值逐渐增加；所述采样电机反转时，连接销柱靠近反转限位台时，第二锁定工作面逐渐楔入连接销柱底部并与所述摩擦工作面摩擦配合。
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