本發(fā)明涉及土壤學實驗研究設備技術領域，特別是涉及一種基于超聲波的大埋深土壤取樣裝置及系統(tǒng)。

背景技術：

土壤物理參數(shù)及其水動力特征參數(shù)是研究土壤水文過程的重要依據(jù)。為了獲取土壤物理參數(shù)及其水動力特征參數(shù)，一般采用原狀土取樣。目前，隨著地下水的大規(guī)模開采，華北平原的地下水位埋深由20世紀70年代的2～15m降至現(xiàn)在的8～30m，局部地區(qū)甚至達到了56m。那么，地下水位的下降使得土壤水文過程的研究深度從原來的幾米拓展到了二十多米甚至更大的范圍。

那么，在對大埋深土壤物理參數(shù)及水動力特征參數(shù)的研究中，由于地下水位埋深的增加，需獲取原狀土的深度也隨之增加，而土壤受到的壓力也會隨深度的增加而不斷加大，造成大埋深下的土壤也更加密實，獲取原狀土的難度加大。

目前的原狀土取樣裝置有環(huán)刀取土鉆和汽油動力取土鉆。

其中，環(huán)刀取土鉆主要通過旋轉(zhuǎn)頂部的t型手柄，來帶動底部的螺旋鉆頭進行鉆進，到達一定深度后可以將螺旋鉆頭更換為環(huán)刀鉆頭進行取土。這種環(huán)刀取土方案在獲取地面2m以內(nèi)的原狀土比較容易，對于2m以下的土壤來說，由于土壤的密實程度相對較大并且密實程度隨深度的增加而增加，那么如果取土則需要對t型手柄施加一個很大的力才能繼續(xù)鉆進和取土，這會對取樣人員的勞動力需求很大且取土效率較低。

而汽油機動力取土鉆則分為錘擊式和震動式：錘擊式取土鉆是通過汽油機帶動擊錘不斷對鉆桿擊打進行鉆進；震動式取土鉆則是通過不斷對鉆桿震動來達到鉆進的目的。雖然汽油機動力取土鉆能夠在一定程度上減小對取樣人員勞動力的需求，但是，汽油機取土裝置的整套設備重量總體較高(例如高達20kg)，使得野外取土不便攜帶且購置費用較高。

由此可見，現(xiàn)有技術中的大埋深土壤采樣裝置普遍存在著土壤取樣難度大、效率低以及成本高的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于超聲波的大埋深土壤取樣裝置及系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術中的大埋深土壤采樣裝置所存在的土壤取樣難度大、效率低以及成本高的問題。

為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明公開了一種基于超聲波的大埋深土壤取樣裝置，包括：

手柄；

超聲波換能器，具有主體和能夠相對所述主體振動的振動端；

桿件，所述桿件具有頂端和底端，所述頂端連接至所述手柄，所述底端連接至所述超聲波換能器的所述主體；

環(huán)刀鉆頭，連接至所述超聲波換能器的所述振動端；以及

用于為所述超聲波換能器供電的驅(qū)動電源。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明還公開了一種基于超聲波的大埋深土壤取樣系統(tǒng)，包括：上述裝置，所述驅(qū)動電源為蓄電池，所述系統(tǒng)還包括：用于將來自所述蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換為交流電并供給所述超聲波換能器的逆變器。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明包括以下優(yōu)點：

本發(fā)明的基于超聲波的大埋深土壤取樣裝置通過將環(huán)刀鉆頭與超聲波換能器的振動端連接，使得超聲波換能器轉(zhuǎn)換成的超聲波帶動環(huán)刀鉆頭進行超聲波振動，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)刀鉆頭的高效鉆進，而超聲波換能器自身僅消耗很少的一部分功率，能量利用率高。

附圖說明

圖1a是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的一種基于超聲波的大埋深土壤取樣系統(tǒng)的示意圖；

圖1b是圖1a所示的基于超聲波的大埋深土壤取樣系統(tǒng)中部分結構的放大示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

參照圖1a，示出了本發(fā)明一個實施例的基于超聲波的大埋深土壤取樣系統(tǒng)，其中，圖1中包括基于超聲波的大埋深土壤取樣裝置，從圖1可以看出，該裝置包括：手柄4、超聲波換能器2、桿件3、環(huán)刀鉆頭1和驅(qū)動電源5。手柄4可以是任何類型的手柄，例如，可以是如圖1a所示的t型手柄，使用者可以通過該手柄4扶住整個土壤取樣裝置。

其中，在一個實施例中，環(huán)刀鉆頭1是一種主要用來取土的鉆頭，其具有上下開口的圓筒結構，環(huán)刀鉆頭1的下開口的壁厚較薄，類似于刀刃，適合插入土壤中。當環(huán)刀鉆頭1鉆入土壤中時，土壤在環(huán)刀鉆頭1的切割下逐漸進入并存留在環(huán)刀鉆頭1的圓筒結構中，實現(xiàn)環(huán)刀鉆頭對土壤的取樣。

超聲波換能器2的功能是將輸入的電功率轉(zhuǎn)換成機械功率(即超聲波)再傳遞出去，而自身消耗很少的一部分功率，能量利用率高。超聲波換能器2具有主體21和能夠相對主體振動的振動端22。該振動端22連接至環(huán)刀鉆頭1，從而使得當振動端22超聲波振動時，可以帶動與之連接的環(huán)刀鉆頭1做超聲波振動，鉆進速度快。環(huán)刀鉆頭1與振動端22的連接可以通過多種方式實現(xiàn)，例如，直接連接，或者通過中間結構連接等。桿件3具有頂端31和底端32，其頂端31連接至手柄4，底端32連接至超聲波換能器2的主體21。其中，桿件3的底端32與超聲波換能器2的主題21之間的連接可以通過多種方式實現(xiàn)，例如直接連接，或者通過中間結構連接等。驅(qū)動電源5用于為超聲波換能器2供電，其可以任何電源，例如蓄電池或機動車等。

本發(fā)明的基于超聲波的大埋深土壤取樣裝置通過將環(huán)刀鉆頭與超聲波換能器的振動端連接，使得超聲波換能器轉(zhuǎn)換成的超聲波帶動環(huán)刀鉆頭進行超聲波振動，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)刀鉆頭的高效鉆進，而超聲波換能器自身僅消耗很少的一部分功率，能量利用率高。

在一個優(yōu)選實施例中，桿件由彼此可拆卸地連接的至少一個連接桿構成。每個連接桿的長度可以根據(jù)需要選擇，例如，1m，0.5m等。此外，所述至少一個連接桿彼此之間可以采用銷槽配合實現(xiàn)連接。

在一個優(yōu)選實施例中，如圖1a、圖1b所示，該基于超聲波的大埋深土壤取樣裝置還包括：套設在超聲波換能器2的主體21外部的超聲波換能器倉8，其中，超聲波換能器2的主體21與該超聲波換能器倉8固定連接，固定連接方式可以是任意連接方式，例如主體21的頂壁和/或側壁固定在超聲波換能器倉8的內(nèi)壁。

其中，該超聲波換能器2的主體21可以通過超聲波換能器倉8實現(xiàn)與桿件3的底端32連接。也即，這是桿件3的底端32與超聲波換能器2的主體21之間的一種通過中間結構來實現(xiàn)連接的連接方式。通過在桿件3的底端連32接超聲波換能器倉8并且將超聲波換能器2的主體21固定在超聲波換能器倉8內(nèi)，為超聲波換能器2提供了專門的固定裝置，便于其固定更加穩(wěn)定。此外，避免了超聲波換能器2與上述桿件3之間的直接連接，這樣便于超聲波換能器2的更換。

另外，在一個優(yōu)選實施例中，如圖1a、圖1b所示，該基于超聲波的大埋深土壤取樣裝置還可以包括：與超聲波換能器2的振動端22連接的鉆頭套管9，鉆頭套管9為一端開口、一端封閉的圓筒，環(huán)刀鉆頭1固定在該圓筒內(nèi)。環(huán)刀鉆頭1與該圓筒可以是通過過盈配合進行固定，也可以通過諸如螺栓連接等其他方式固定。通過將環(huán)刀鉆頭1設置在圓筒內(nèi)，使得環(huán)刀鉆頭更加穩(wěn)定，此外，也便于環(huán)刀鉆頭的更換和拆卸。

此外，在一個可選地實施例中，在將環(huán)刀鉆頭1固定在該鉆頭套管9內(nèi)時，環(huán)刀鉆頭1的上開口截面與鉆頭套管9的頂側封閉截面之間可以直接接觸，或間隔一定距離d(例如如圖1a、圖1b所示)。而環(huán)刀鉆頭1的側壁可以與鉆頭套管9的內(nèi)壁直接連接或者通過螺栓等連接。

其中，當環(huán)刀鉆頭1的上開口截面與鉆頭套管9的頂側封閉截面之間間隔一定距離d時，可以在取土時，獲取相較于環(huán)刀容積更多容量的土，其中，有一部分土可以容納在該間隔距離d所在的空間中，使得一次取土量更大。

優(yōu)選地，在一個實施例中，所述圓筒(鉆頭套管9)的內(nèi)側頂壁設有壓力傳感器10。通過設置壓力傳感器10，當圓筒中的環(huán)刀鉆頭1的環(huán)刀內(nèi)充滿土壤時，位于圓筒(鉆頭套管9)的內(nèi)側頂壁的壓力傳感器10會受到擠壓，壓力傳感器10檢測到來自土壤的壓力后，就會使壓力傳感器連接的顯示設備上的壓力指示燈閃爍，從而使得鉆土者了解到當前已經(jīng)取土完成，可以關閉超聲波換能器2的驅(qū)動電源，然后，將鉆入土壤中的裝置部分從土壤中取出，并從環(huán)刀中取到土壤取樣?？蛇x地，該壓力傳感器10可以設置在圓筒(鉆頭套管9)的內(nèi)側頂壁的中心，這樣可以保證大容量取土的可靠性。

其中，需要注意的是，本發(fā)明實施例中與壓力傳感器連接的顯示設備是以壓力指示燈閃爍的方式來提醒取土完成的，但是，本發(fā)明對于檢測到壓力之后的提醒方式并不限制于壓力指示燈閃爍，可以是任意其他提醒方式，例如發(fā)出聲音等。

下面簡單描述根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的基于超聲波的大埋深土壤取樣裝置的使用步驟：

1.檢查各組件的完整性，將裝置組裝好；

2.取土，打開驅(qū)動電源，扶住手柄，使環(huán)刀鉆頭向土壤鉆進；

3.剛開始取土時，深度較淺，只需要一個連接桿，以后隨深度的增加來增加連接桿的數(shù)量；

4.當看到位于土壤之上的壓力傳感器的顯示設備的指示燈閃爍時，就可以關閉超聲波換能器的電源，將鉆頭取出，得到一定深度的土柱；

5.用環(huán)刀鉆頭在取出的土柱中獲取試樣，得到一定深度的試樣，放入試樣箱中保存；

6.重復步驟2-步驟5獲取全部土樣；

7.取土完畢后，將設備拆解進行保養(yǎng)，然后裝箱。

根據(jù)本發(fā)明的實施例還提供了一種基于超聲波的大埋深土壤取樣系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括上述任意一個實施例所述的基于超聲波的大埋深土壤取樣裝置，其中，圖1所示的驅(qū)動電源5為蓄電池，如圖1所示，該大埋深土壤取樣系統(tǒng)還包括用于將來自該蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換為交流電并供給超聲波換能器2的逆變器6。在該實施例中，由于驅(qū)動電源5為蓄電池，使得整套裝置便于遠距離使用，不受電源的限制?？蛇x地，在該實施例中，該蓄電池、逆變器可以直接與超聲波換能器整合為一體，使整套裝置更加靈活。

在另一個實施例中，該大埋深土壤取樣系統(tǒng)還包括用于連接驅(qū)動電源5與超聲波換能器2以對超聲波換能器2供電的電纜7，所述桿件3為能夠容納所述電纜7的中空桿件。這樣，電纜7能夠延伸穿過該中空桿件延伸到中空桿件外部，到達距離該裝置較遠的地方，當取樣地點離機動車較近時，可以直接將電纜連接至車輛進行取電。當然，也可以將電纜7連接至蓄電池進行取電。

本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。

盡管已描述了本發(fā)明實施例的優(yōu)選實施例，但本領域內(nèi)的技術人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對這些實施例做出另外的變更和修改。所以，所附權利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實施例以及落入本發(fā)明實施例范圍的所有變更和修改。

最后，還需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關系術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者終端設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者終端設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者終端設備中還存在另外的相同要素。

以上對本發(fā)明所提供的一種基于超聲波的大埋深土壤取樣裝置和系統(tǒng)，進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應理解為對本發(fā)明的限制。