本發(fā)明涉及一種測(cè)量土壤機(jī)械物理性質(zhì)的測(cè)試裝置，尤其是涉及一種測(cè)量土壤圓錐指數(shù)和溫度的儀器。

背景技術(shù)：

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化水平不斷提高，極大地降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率，但農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的大規(guī)模、頻繁使用使耕地土壤壓實(shí)問題日趨嚴(yán)重。土壤壓實(shí)不僅與農(nóng)作物產(chǎn)量、種子的發(fā)芽破土率以及植物的根系發(fā)育狀況密切相關(guān)，還直接影響著土壤水分的運(yùn)移。土壤容積質(zhì)量增加,土壤通氣孔隙降低,水滲透能力降低,從而導(dǎo)致土壤侵蝕加重,土壤阻力增加,作物根系生長(zhǎng)受阻,進(jìn)而導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低,農(nóng)田質(zhì)量退化。

貫入阻力是反應(yīng)土壤壓實(shí)度的通用指標(biāo)，是指一定截面積的錐體或柱塞以恒定速率插入土壤過程中所受的土壤阻力。這一指標(biāo)不僅可綜合反映土壤的機(jī)械物理性質(zhì)，還可用來表征土壤耕作層深度和動(dòng)力機(jī)械在土壤表面上的可行駛性。目前應(yīng)用較為廣泛的是美國農(nóng)業(yè)與生物工程師協(xié)會(huì)(ASABE)制定的操作標(biāo)準(zhǔn)，其中規(guī)定圓錐以恒定速度(30mm/s)貫入土壤。

傳統(tǒng)的土壤貫入阻力測(cè)量裝置采用手動(dòng)施壓貫入、人工記錄，其貫入速度難于恒定控制，導(dǎo)致測(cè)量精度低并且自動(dòng)化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服傳統(tǒng)土壤貫入阻力測(cè)量裝置存在的不足,本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種由電動(dòng)貫入裝置和測(cè)量表頭等構(gòu)件組成的電動(dòng)式土壤貫入阻力與溫度測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)了恒速貫入、自動(dòng)測(cè)量與結(jié)果儲(chǔ)存記錄，其測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作效率高，同時(shí)本發(fā)明在圓錐形貫入頭內(nèi)設(shè)置了溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)了將土壤貫入阻力、貫入深度與溫度三個(gè)重要參數(shù)的測(cè)量融為一體化測(cè)量。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種電動(dòng)式土壤貫入阻力與溫度測(cè)量裝置,包括測(cè)量表頭、電動(dòng)貫入裝置、折疊扶手、固定套、支架、支撐底板、支腳、推桿、圓錐形貫入頭和測(cè)力傳感器。

電動(dòng)貫入裝置包括直流電機(jī)、機(jī)座和導(dǎo)向套筒，所述機(jī)座內(nèi)設(shè)有起固定蝸桿軸作用的軸承Ⅰ、固定絲杠的軸承Ⅱ、軸承Ⅲ，軸承Ⅱ、軸承Ⅲ之間設(shè)有與蝸桿連接的蝸輪；所述導(dǎo)向套筒內(nèi)壁設(shè)有滑槽，與螺母上端的凸起嵌套，導(dǎo)向套筒外緣設(shè)有軸向凸起，軸向凸起上下端安裝有行程控制開關(guān)；所述螺母與絲杠套設(shè)，其下端與推管螺接；推管內(nèi)側(cè)設(shè)有測(cè)力傳感器，所述測(cè)力傳感器由四片粘貼于推管上端的內(nèi)壁上的電阻應(yīng)變片通過橋式電路連接組成，推管 末端通過連接頭與推桿上端銜接，所述推桿下端通過內(nèi)螺紋與圓錐形貫入頭連接，所述圓錐形貫入頭內(nèi)側(cè)設(shè)有溫度傳感器。

所述絲杠的上端依次套設(shè)軸承Ⅱ、蝸輪、軸承Ⅲ，四者均安裝在機(jī)座上；所述導(dǎo)向套筒與機(jī)座通過螺孔固連；導(dǎo)向套筒、推管、螺母、絲杠從外到內(nèi)依次套設(shè)，直流電機(jī)在測(cè)量表頭的控制下恒速轉(zhuǎn)動(dòng)，直流電機(jī)的蝸桿軸與和絲杠上端固連的蝸輪相互嚙合，進(jìn)而帶動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)，絲杠通過螺母將運(yùn)動(dòng)傳遞給推管，由于螺母的凸起與導(dǎo)向套筒的滑槽嵌套，從而將絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥乒艿呢Q直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而通過連接頭帶動(dòng)推桿和圓錐形貫入頭，完成上下恒速運(yùn)動(dòng)。

測(cè)量表頭與殼架連接，內(nèi)側(cè)設(shè)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、應(yīng)變放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器、單片機(jī)、液晶顯示屏、有線和無線傳輸模塊。貫入阻力由圓錐形貫入頭、推桿、推管傳遞給安裝在推管內(nèi)的測(cè)力傳感器，測(cè)力傳感器的輸出電壓經(jīng)應(yīng)變放大器、A/D轉(zhuǎn)換器，再通過單片機(jī)的處理運(yùn)算，貫入深度由標(biāo)準(zhǔn)貫入速度和貫入土壤時(shí)間的乘積計(jì)算得出，溫度傳感器將測(cè)出的溫度同時(shí)傳遞給單片機(jī)處理，輸出在液晶顯示屏上并同時(shí)保存在數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器中，可通過有線或無線模塊傳輸。

本發(fā)明相對(duì)與現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點(diǎn)和效果：

1.本發(fā)明采用直流電機(jī)來代替手動(dòng)施壓，將圓錐形貫入頭以30mm/s恒定速度貫入土壤，解決了手動(dòng)測(cè)量難以恒速的問題，具有精度高、自動(dòng)化程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)。

2.本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)土壤貫入阻力、貫入深度與溫度三個(gè)參數(shù)的一體化測(cè)量，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、調(diào)整方便。

3.本發(fā)明的測(cè)量表頭以單片機(jī)、傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、液晶顯示屏為核心，測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，同步記錄和存儲(chǔ)，并無線傳輸。

4.本發(fā)明可通過調(diào)整固定套上的鎖緊螺母的松緊程度，來調(diào)節(jié)電動(dòng)貫入裝置與地面的高度，可滿足不同貫入深度的測(cè)量；所述支架、支撐底板、支腳的整體連接保證了測(cè)量裝置的平衡,進(jìn)而使圓錐形貫入頭垂直貫入土壤,同時(shí)支撐底板也做為踏板，與折疊扶手一起使用，便于抵消操作時(shí)，裝置帶來的反作用力，加強(qiáng)電動(dòng)貫入裝置的穩(wěn)固。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明電動(dòng)貫入裝置的分解圖；

圖3為本發(fā)明測(cè)量表頭的外形結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明測(cè)量表頭的電路框圖；

圖5是本發(fā)明導(dǎo)向套筒的橫截面圖；

圖6為本發(fā)明固定套的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明圓錐形貫入頭與推桿連接圖；

圖中,測(cè)量表頭(1)，液晶顯示屏(11)，按鍵區(qū)(12)，電源開關(guān)按鈕(12A)，測(cè)量按鈕(12B)，上升按鈕(12C)，下降按鈕(12D)，暫停按鈕(12E)，左移按鈕(12F)，右移按鈕(12G)，數(shù)據(jù)傳輸接口(13)，外接電源接口(14)，電動(dòng)貫入裝置(2)，直流電機(jī)(201)，機(jī)座(202)，導(dǎo)向套筒(203)，軸承Ⅰ(204)，軸承Ⅱ(205)，蝸輪(206)，軸承Ⅲ(207)，螺母(208)，絲杠(209)，行程控制開關(guān)(210)，推管(211)，連接頭(212)，折疊扶手(3)，電機(jī)急停按鈕(31)，固定套(4)、鎖緊螺母(41)、支架(5)、支撐底板(6)、支腳(7)、推桿(8)、圓錐形貫入頭(9)、溫度傳感器(91)和測(cè)力傳感器(10)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

實(shí)施例：

如圖1～7所示，一種電動(dòng)式土壤貫入阻力與溫度測(cè)量裝置，包括測(cè)量表頭(1)、電動(dòng)貫入裝置(2)、折疊扶手(3)、固定套(4)、支架(5)、支撐底板(6)、支腳(7)、推桿(8)、圓錐形貫入頭(9)和測(cè)力傳感器(10)；

如圖1所示，本發(fā)明的折疊扶手(3)上設(shè)有電機(jī)急停按鈕(31)，以便操作者在測(cè)量過程中出現(xiàn)特殊情況并及時(shí)停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而停止圓錐形貫入頭(8)貫入土壤；所述固定套(4)和支架(5)用于穩(wěn)固電動(dòng)貫入裝置(2)，固定套(4)上鎖緊螺母(41)的松緊程度用于調(diào)節(jié)電動(dòng)貫入裝置(2)與支撐底板(6)的高度，方便不同長(zhǎng)度的推桿(8)的安裝；所述支架(5)帶有三個(gè)支腿，支腿底部設(shè)有螺孔，所述支腳(7)頂端帶有螺桿穿過支撐底板(6)上的安裝孔與支腿底部螺孔固接。所述支撐底板(6)為圓形且設(shè)有三個(gè)安裝孔，三個(gè)安裝孔在支撐底板(6)上均勻分布，安裝孔直徑與支腳(7)螺桿直徑相等，以便支腳(7)螺桿通過安裝孔與支架(5)支腿底部連接。

如圖2所示，所述電動(dòng)貫入裝置(2)包括無刷直流電機(jī)(201)、塑料機(jī)座(202)和不銹鋼導(dǎo)向套筒(203)，所述塑料機(jī)座(202)內(nèi)設(shè)有起固定蝸桿軸作用的軸承Ⅰ(207)、固定絲杠(209)上端的軸承Ⅱ(204)、軸承Ⅲ(205)，軸承Ⅱ(204)、軸承Ⅲ(205)之間設(shè)有與蝸桿軸連接的蝸輪(206)；所述導(dǎo)向套筒(203)內(nèi)壁設(shè)有三個(gè)均勻分布的滑槽，與塑料螺母(208)上端三個(gè)均勻分布的凸起對(duì)應(yīng)嵌套，導(dǎo)向套筒(203)外緣設(shè)有軸向凸起，軸向凸起上下端安裝有行程控制開關(guān)(210)；所述螺母(208)在絲杠(209)中部套設(shè)，其下端與不銹鋼推管(211)頂端螺接；所述推管(211)內(nèi)側(cè)上設(shè)有應(yīng)變片式測(cè)力傳感器(10)，所述的應(yīng)變片式測(cè)力傳感器(10)由四片電阻應(yīng)變片通過橋式電路連接組成，并粘貼于推管(211)上端的內(nèi)壁上。所述推管(211)末端通過連接頭(212)與推桿(8)上端銜接，所述的直徑為9.53毫米推桿(8)通過內(nèi)螺紋與直徑為12.83毫米的圓錐形貫入頭(9)連接，所述的圓 錐形貫入頭(9)內(nèi)設(shè)有型號(hào)為DIS18B20的溫度傳感器(91)；

如圖2所示，所述絲杠(209)的頂端依次貫穿有軸承Ⅱ(204)、蝸輪(206)、軸承Ⅲ(205)四者均安裝在機(jī)座(202)上；所述導(dǎo)向套筒(203)與機(jī)座(202)通過螺孔固連；導(dǎo)向套筒(203)、推管(211)、螺母(208)、絲杠(209)從外到內(nèi)依次套設(shè)，直流電機(jī)(201)在測(cè)量表頭(1)的控制下恒速轉(zhuǎn)動(dòng)，直流電機(jī)(201)的蝸桿軸與和絲杠(209)頂端固連的蝸輪相互嚙合，進(jìn)而帶動(dòng)絲杠(209)運(yùn)動(dòng)，絲杠(209)通過螺母(208)將運(yùn)動(dòng)傳遞給推管(211)，由于螺母(208)的凸起與導(dǎo)向套筒(203)的滑槽嵌套，從而將絲杠(209)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥乒?211)的豎直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而通過連接頭(212)帶動(dòng)推桿(8)和圓錐形貫入頭(9)完成上下恒速運(yùn)動(dòng)。

如圖3所示，測(cè)量表頭(1)與殼架(22)連接，測(cè)量表頭(1)內(nèi)側(cè)設(shè)有直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、低漂移差分應(yīng)變放大器、24位高精度A/D轉(zhuǎn)換器、EEPROM數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器、單片機(jī)、1602液晶顯示屏(11)、USB傳輸模塊和HC-05藍(lán)牙傳輸模塊；所述1602液晶顯示屏(11)固定在測(cè)量表頭(1)的外殼上，其下方為按鍵區(qū)(12)所述按鍵區(qū)(12)依次包括電源開關(guān)按鈕(12A)，測(cè)量按鈕(12B)，上升按鈕(12C)，下降按鈕(12D)，暫停按鈕(12E)，左移按鈕(12F)，右移按鈕(12G)；測(cè)量表頭(1)外側(cè)設(shè)有USB數(shù)據(jù)傳輸接口(13)和外接電源接口(14)。如圖4所示，圓錐形貫入頭(9)在恒速貫入土壤過程中必然受到來自土壤的貫入阻力,推桿(8)以二力桿形式將所受貫入阻力傳遞給應(yīng)變片式測(cè)力傳感器(10)，深度由標(biāo)準(zhǔn)貫入速度乘以貫入土壤的時(shí)間計(jì)算得出，同時(shí)將DIS18B20溫度傳感器(91)測(cè)出的溫度一起傳遞給單片機(jī)處理；應(yīng)變片式測(cè)力傳感器(10)的輸出電壓經(jīng)低漂移差分應(yīng)變放大器、24位高精度A/D轉(zhuǎn)換器，再通過單片機(jī)的處理運(yùn)算后，輸出在1602液晶顯示屏(11)上并同時(shí)自動(dòng)保存在數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器EEPROM中。1602液晶顯示屏(11)上顯示貫入土壤的深度、土壤的圓錐指數(shù)、土壤溫度，通過調(diào)節(jié)按鍵區(qū)(12)的按鈕可使測(cè)量?jī)x處于無線傳輸模式(藍(lán)牙傳輸)或有線傳輸模式(USB傳輸)。在有線傳輸模式下，數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸接口(13)從EEPROM數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器中傳輸；在藍(lán)牙模式下，操作者可通過手機(jī)中的軟件APP遠(yuǎn)程操控測(cè)量?jī)x，并查看力與深度的二維圖。