CN206990245U - 基于超声波的大埋深土壤取样装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供了一种基于超声波的大埋深土壤取样装置及系统，该装置包括：手柄；超声波换能器，具有主体和能够相对所述主体振动的振动端；杆件，所述杆件具有顶端和底端，所述顶端连接至所述手柄，所述底端连接至所述超声波换能器的所述主体；环刀钻头，连接至所述超声波换能器的所述振动端；以及用于为所述超声波换能器供电的驱动电源。本实用新型的基于超声波的大埋深土壤取样装置通过将环刀钻头与超声波换能器的振动端连接，使得超声波换能器转换成的超声波带动环刀钻头进行超声波振动，能够实现环刀钻头的高效钻进，而超声波换能器自身仅消耗很少的一部分功率，能量利用率高。

Description

基于超声波的大埋深土壤取样装置及系统

技术领域

本实用新型涉及土壤学实验研究设备技术领域，特别是涉及一种基于超声波的大埋深土壤取样装置及系统。

背景技术

土壤物理参数及其水动力特征参数是研究土壤水文过程的重要依据。为了获取土壤物理参数及其水动力特征参数，一般采用原状土取样。目前，随着地下水的大规模开采，华北平原的地下水位埋深由20世纪70年代的2～15m降至现在的8～30m，局部地区甚至达到了56m。那么，地下水位的下降使得土壤水文过程的研究深度从原来的几米拓展到了二十多米甚至更大的范围。

那么，在对大埋深土壤物理参数及水动力特征参数的研究中，由于地下水位埋深的增加，需获取原状土的深度也随之增加，而土壤受到的压力也会随深度的增加而不断加大，造成大埋深下的土壤也更加密实，获取原状土的难度加大。

目前的原状土取样装置有环刀取土钻和汽油动力取土钻。

其中，环刀取土钻主要通过旋转顶部的T型手柄，来带动底部的螺旋钻头进行钻进，到达一定深度后可以将螺旋钻头更换为环刀钻头进行取土。这种环刀取土方案在获取地面2m以内的原状土比较容易，对于2m以下的土壤来说，由于土壤的密实程度相对较大并且密实程度随深度的增加而增加，那么如果取土则需要对T型手柄施加一个很大的力才能继续钻进和取土，这会对取样人员的劳动力需求很大且取土效率较低。

而汽油机动力取土钻则分为锤击式和震动式：锤击式取土钻是通过汽油机带动击锤不断对钻杆击打进行钻进；震动式取土钻则是通过不断对钻杆震动来达到钻进的目的。虽然汽油机动力取土钻能够在一定程度上减小对取样人员劳动力的需求，但是，汽油机取土装置的整套设备重量总体较高(例如高达20kg)，使得野外取土不便携带且购置费用较高。

由此可见，现有技术中的大埋深土壤采样装置普遍存在着土壤取样难度大、效率低以及成本高的问题。

实用新型内容

本实用新型提供了一种基于超声波的大埋深土壤取样装置及系统，以解决现有技术中的大埋深土壤采样装置所存在的土壤取样难度大、效率低以及成本高的问题。

为了解决上述问题，根据本实用新型的一个方面，本实用新型公开了一种基于超声波的大埋深土壤取样装置，包括：

手柄；

超声波换能器，具有主体和能够相对所述主体振动的振动端；

杆件，所述杆件具有顶端和底端，所述顶端连接至所述手柄，所述底端连接至所述超声波换能器的所述主体；

环刀钻头，连接至所述超声波换能器的所述振动端；以及

用于为所述超声波换能器供电的驱动电源。

根据本实用新型的另一个方面，本实用新型还公开了一种基于超声波的大埋深土壤取样系统，包括：上述装置，所述驱动电源为蓄电池，所述系统还包括：用于将来自所述蓄电池的直流电转换为交流电并供给所述超声波换能器的逆变器。

与现有技术相比，本实用新型包括以下优点：

本实用新型的基于超声波的大埋深土壤取样装置通过将环刀钻头与超声波换能器的振动端连接，使得超声波换能器转换成的超声波带动环刀钻头进行超声波振动，能够实现环刀钻头的高效钻进，而超声波换能器自身仅消耗很少的一部分功率，能量利用率高。

附图说明

图1A是根据本实用新型的一个实施例的一种基于超声波的大埋深土壤取样系统的示意图；

图1B是图1A所示的基于超声波的大埋深土壤取样系统中部分结构的放大示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

参照图1A，示出了本实用新型一个实施例的基于超声波的大埋深土壤取样系统，其中，图1中包括基于超声波的大埋深土壤取样装置，从图1可以看出，该装置包括：手柄4、超声波换能器2、杆件3、环刀钻头1和驱动电源5。手柄4可以是任何类型的手柄，例如，可以是如图1A所示的T型手柄，使用者可以通过该手柄4扶住整个土壤取样装置。

其中，在一个实施例中，环刀钻头1是一种主要用来取土的钻头，其具有上下开口的圆筒结构，环刀钻头1的下开口的壁厚较薄，类似于刀刃，适合插入土壤中。当环刀钻头1钻入土壤中时，土壤在环刀钻头1的切割下逐渐进入并存留在环刀钻头1的圆筒结构中，实现环刀钻头对土壤的取样。

超声波换能器2的功能是将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去，而自身消耗很少的一部分功率，能量利用率高。超声波换能器2具有主体21和能够相对主体振动的振动端22。该振动端22连接至环刀钻头1，从而使得当振动端22超声波振动时，可以带动与之连接的环刀钻头1做超声波振动，钻进速度快。环刀钻头1与振动端22的连接可以通过多种方式实现，例如，直接连接，或者通过中间结构连接等。杆件3具有顶端31和底端32，其顶端31连接至手柄4，底端32连接至超声波换能器2的主体21。其中，杆件3的底端32与超声波换能器2的主题21之间的连接可以通过多种方式实现，例如直接连接，或者通过中间结构连接等。驱动电源5用于为超声波换能器2供电，其可以任何电源，例如蓄电池或机动车等。

本实用新型的基于超声波的大埋深土壤取样装置通过将环刀钻头与超声波换能器的振动端连接，使得超声波换能器转换成的超声波带动环刀钻头进行超声波振动，能够实现环刀钻头的高效钻进，而超声波换能器自身仅消耗很少的一部分功率，能量利用率高。

在一个优选实施例中，杆件由彼此可拆卸地连接的至少一个连接杆构成。每个连接杆的长度可以根据需要选择，例如，1m，0.5m等。此外，所述至少一个连接杆彼此之间可以采用销槽配合实现连接。

在一个优选实施例中，如图1A、图1B所示，该基于超声波的大埋深土壤取样装置还包括：套设在超声波换能器2的主体21外部的超声波换能器仓8，其中，超声波换能器2的主体21与该超声波换能器仓8固定连接，固定连接方式可以是任意连接方式，例如主体21的顶壁和/或侧壁固定在超声波换能器仓8的内壁。

其中，该超声波换能器2的主体21可以通过超声波换能器仓8实现与杆件3的底端32连接。也即，这是杆件3的底端32与超声波换能器2的主体21之间的一种通过中间结构来实现连接的连接方式。通过在杆件3的底端连32接超声波换能器仓8并且将超声波换能器2的主体21固定在超声波换能器仓8内，为超声波换能器2提供了专门的固定装置，便于其固定更加稳定。此外，避免了超声波换能器2与上述杆件3之间的直接连接，这样便于超声波换能器2的更换。

另外，在一个优选实施例中，如图1A、图1B所示，该基于超声波的大埋深土壤取样装置还可以包括：与超声波换能器2的振动端22连接的钻头套管9，钻头套管9为一端开口、一端封闭的圆筒，环刀钻头1固定在该圆筒内。环刀钻头1与该圆筒可以是通过过盈配合进行固定，也可以通过诸如螺栓连接等其他方式固定。通过将环刀钻头1设置在圆筒内，使得环刀钻头更加稳定，此外，也便于环刀钻头的更换和拆卸。

此外，在一个可选地实施例中，在将环刀钻头1固定在该钻头套管9内时，环刀钻头1的上开口截面与钻头套管9的顶侧封闭截面之间可以直接接触，或间隔一定距离D(例如如图1A、图1B所示)。而环刀钻头1的侧壁可以与钻头套管9的内壁直接连接或者通过螺栓等连接。

其中，当环刀钻头1的上开口截面与钻头套管9的顶侧封闭截面之间间隔一定距离D时，可以在取土时，获取相较于环刀容积更多容量的土，其中，有一部分土可以容纳在该间隔距离D所在的空间中，使得一次取土量更大。

优选地，在一个实施例中，所述圆筒(钻头套管9)的内侧顶壁设有压力传感器10。通过设置压力传感器10，当圆筒中的环刀钻头1的环刀内充满土壤时，位于圆筒(钻头套管9)的内侧顶壁的压力传感器10会受到挤压，压力传感器10检测到来自土壤的压力后，就会使压力传感器连接的显示设备上的压力指示灯闪烁，从而使得钻土者了解到当前已经取土完成，可以关闭超声波换能器2的驱动电源，然后，将钻入土壤中的装置部分从土壤中取出，并从环刀中取到土壤取样。可选地，该压力传感器10可以设置在圆筒(钻头套管9)的内侧顶壁的中心，这样可以保证大容量取土的可靠性。

其中，需要注意的是，本实用新型实施例中与压力传感器连接的显示设备是以压力指示灯闪烁的方式来提醒取土完成的，但是，本实用新型对于检测到压力之后的提醒方式并不限制于压力指示灯闪烁，可以是任意其他提醒方式，例如发出声音等。

下面简单描述根据本实用新型的一个实施例的基于超声波的大埋深土壤取样装置的使用步骤：

1.检查各组件的完整性，将装置组装好；

2.取土，打开驱动电源，扶住手柄，使环刀钻头向土壤钻进；

3.刚开始取土时，深度较浅，只需要一个连接杆，以后随深度的增加来增加连接杆的数量；

4.当看到位于土壤之上的压力传感器的显示设备的指示灯闪烁时，就可以关闭超声波换能器的电源，将钻头取出，得到一定深度的土柱；

5.用环刀钻头在取出的土柱中获取试样，得到一定深度的试样，放入试样箱中保存；

6.重复步骤2-步骤5获取全部土样；

7.取土完毕后，将设备拆解进行保养，然后装箱。

根据本实用新型的实施例还提供了一种基于超声波的大埋深土壤取样系统，该系统包括上述任意一个实施例所述的基于超声波的大埋深土壤取样装置，其中，图1所示的驱动电源5为蓄电池，如图1所示，该大埋深土壤取样系统还包括用于将来自该蓄电池的直流电转换为交流电并供给超声波换能器2的逆变器6。在该实施例中，由于驱动电源5为蓄电池，使得整套装置便于远距离使用，不受电源的限制。可选地，在该实施例中，该蓄电池、逆变器可以直接与超声波换能器整合为一体，使整套装置更加灵活。

在另一个实施例中，该大埋深土壤取样系统还包括用于连接驱动电源5与超声波换能器2以对超声波换能器2供电的电缆7，所述杆件3为能够容纳所述电缆7的中空杆件。这样，电缆7能够延伸穿过该中空杆件延伸到中空杆件外部，到达距离该装置较远的地方，当取样地点离机动车较近时，可以直接将电缆连接至车辆进行取电。当然，也可以将电缆7连接至蓄电池进行取电。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

尽管已描述了本实用新型实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本实用新型所提供的一种基于超声波的大埋深土壤取样装置和系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种基于超声波的大埋深土壤取样装置，其特征在于，包括：

手柄；

超声波换能器，具有主体和能够相对所述主体振动的振动端；

杆件，所述杆件具有顶端和底端，所述顶端连接至所述手柄，所述底端连接至所述超声波换能器的所述主体；

环刀钻头，连接至所述超声波换能器的所述振动端；以及

用于为所述超声波换能器供电的驱动电源。

2.根据权利要求1所述的基于超声波的大埋深土壤取样装置，其特征在于，所述装置还包括：套设在所述超声波换能器的所述主体外部的超声波换能器仓，所述超声波换能器的所述主体通过所述超声波换能器仓实现与所述杆件的所述底端连接。

3.根据权利要求1所述的基于超声波的大埋深土壤取样装置，其特征在于，所述装置还包括：与所述超声波换能器的所述振动端连接的钻头套管，所述钻头套管为一端封闭的圆筒，所述环刀钻头固定在所述圆筒内。

4.根据权利要求3所述的基于超声波的大埋深土壤取样装置，其特征在于，所述圆筒的内侧顶壁设有压力传感器。

5.根据权利要求4所述的基于超声波的大埋深土壤取样装置，其特征在于，所述压力传感器设置在所述圆筒的内侧顶壁的中心。

6.根据权利要求1所述的基于超声波的大埋深土壤取样装置，其特征在于，所述杆件由彼此可拆卸地连接的至少一个连接杆构成。

7.根据权利要求6所述的基于超声波的大埋深土壤取样装置，其特征在于，所述至少一个连接杆彼此之间采用销槽配合实现连接。

8.一种基于超声波的大埋深土壤取样系统，其特征在于，所述系统包括如权利要求1～7中任意一项所述的装置，所述驱动电源为蓄电池，所述系统还包括：用于将来自所述蓄电池的直流电转换为交流电并供给所述超声波换能器的逆变器。

9.根据权利要求8所述的基于超声波的大埋深土壤取样系统，其特征在于，所述系统还包括用于连接所述驱动电源与所述超声波换能器以对所述超声波换能器供电的电缆，所述杆件为能够容纳所述电缆的中空杆件。

10.根据权利要求9所述的基于超声波的大埋深土壤取样系统，其特征在于，所述蓄电池、所述逆变器与所述超声波换能器整合为一体。