专利名称：一种土壤压实度测试装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种应用电子测试技术对土壤物理性质进行测试的装置，特别涉及一种在室内外可对土壤压实度进行现场测试的装置，属于土壤性能检测技术领域。
背景技术：
拖拉机及其牵引的农机具在田间行走作业时，轮胎对土壤发生碾压作用，造成表层土壤被压下沉，紧实度增加。尤其是近年来，随着各种农业装备的大规模、频繁使用，这种压实作用也随之增加，已大大超出自然对土壤压实的恢复力，土壤压实现象日趋严重。土壤压实使土壤颗粒之间的小孔丢失，引起空气与水不能自由流通，进而影响植物根系的发育状况及农作物产量。土壤压实如不加以解决，将使土壤环境遭到重破坏，耕作的正效应将被土壤压实的负效应所抵消，农田生产力将严重降低。国际上通常采用圆锥指数CI (Cone Index)来表征土壤耕作层深度和耕作阻力，综合反映土壤机械物理性质。国内外大多采用灌砂法、传统环刀法、落锤式测量方法等间接方法，来测量土壤的压实度，这些方法不仅测量效率低、而且测量准确度不高。国内最初采用从现场采样，然后在室内进行试验的方法。20世纪70年代初，国内农机部门研制了 SR-2 型土壤贯入仪，南京工程兵学院研制了工兵圆锥仪I型和工兵圆锥仪II型；这两种仪器质量轻、结构可靠、使用方便，但仍采用手动贯入、目测读数的方式，测量准精度还是得不到保障。20世纪80年代，华南农业大学研制成功了电测圆锥剪切仪，采用单板计算机进行采样、 分析、计算和打�。谠沧吨甘淖远锹挤矫媲敖艘淮蟛剑淙圆捎檬侄寥拦崛敕绞剑沧吨甘牟饬烤热匀皇艿浇洗笥跋�。此外，现有土壤物理性质测试仪器均采用垂直贯入方式，容易导致土壤塑性变形(垂直贯入所引起的土壤塑性变形是圆锥直径的3倍)，而且采用单点测量，无法实现土壤刨面内各水平分层压实度的测试。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种土壤压实度测试装置，采用电动勻速水平贯入方式，同时基于计算机控制系统，实现土壤压实度数据的自动采集和分析，解决现有技术手动垂直贯入土壤塑性变形大、测量精度不高、土壤水平分层压实度实时检测困难的问题。本实用新型的技术方案是土壤压实度测试装置，包括检测试验台和测试控制系统，还可包括模拟土壤压实装置；检测试验台由升降平台部分和固定机架部分组成，升降平台与固定机架之间通过两对升降推杆7连接，测试系统的检测器件分别装于升降平台、固定机架和相关部件上。所述升降平台部分包括减速电机1、升降平台2、齿条3、由齿轮及其支撑轴和轴承座组成的齿条支撑机构4、压力传感器5、前向行程开关M和后向行程开关25、测试杆20。 升降平台2上面固定电机1和齿条支撑机构4，下面设有与升降推杆7上端铰连的两对铰扣座19 ；电机1固定在升降平台2中部位置、其输出轴上装有与齿条3啮合的齿轮(模数为标准值);齿条支撑机构4的轴承座固定在升降平台2两边、其齿轮与齿条3啮合；测试杆20前端部为符合ASAE标准的圆锥结构，压力传感器5通过螺栓21 (双头螺栓)与齿条3右端头和测试杆20尾端连固；前向行程开关M和后向行程开关25分别装于齿条3上适当位置， 以控制齿条的前行和后退行程；各部件通过普通螺钉、螺栓或焊接等方式进行固定，轴承座为内套标准系列轴承的轴承座，齿轮与轴的固定采用普通螺母压紧或键连接方式。所述固定机架部分包括两对升降推杆7、减速电机8、减速齿轮组9、一对双向传动螺杆10、调平螺栓12、固定平台13、两对螺旋块14、轴承座15、红外传感器沈。两对轴承座 15固定在固定平台13两边，两个双向传动螺杆10经两对轴承座15平行支撑，双向传动螺杆10 —边为左旋、另一边为右旋，旋套于其上、与之配合的两对螺旋块14分别为相应的左旋和右旋结构；电机8输出轴上装有模数为标准值的齿轮，两个双向传动螺杆10的一端分别装有与该电机8输出轴齿轮啮合的减速齿轮，它们共同形成减速齿轮组9 ；两对螺旋块14 上部设有与升降推杆7下端铰连的铰扣座结构；调平螺栓12安装在固定平台13底部，以调节固定平台13的水平；红外传感器沈安装在固定平台13 —端，以检测升降平台2的升降高度；各部件通过普通螺钉、螺栓或焊接等方式进行固定，轴承座15为内套标准系列轴承的轴承座，齿轮与轴的固定采用普通螺母压紧或键连接方式。所述测试控制系统包括压力传感器5、电源模块23、前向行程开关M和后向行程开关25、红外传感器沈、数据采集控制器27、电源模块28、电脑四和测试记录软件30。压力传感器5、前向行程开关M、后向行程开关25和红外传感器沈的输出与数据采集控制器 27的接线端子相连，电源�？�23为压力传感器5供电，电源�？楣畚莶杉刂破�27 供电，数据采集控制器27的输出端子与电机1和电机8的控制回路相连，内置程序设置为通电自运行状态，数据采集控制器27与电脑四之间通过串口线连接，其间传输的数据由安装在电脑四内自行开发的测试记录软件30实现显示、存储、分析和打印等功能。数据采集控制器27包括普通信号处理电路、CPU (如，80188、X86等)和电机行程控制电路，配有12 位多通道模拟量输入/出�？�、数字量输入/出�？椋坏缭茨？�23J8为普通交直流变压器或小型蓄电池，压力传感器5、行程开关M和25、红外传感器沈均为普通市售产品。所述模拟土壤压实装置包括上开口的筒状盛土器17、盛土器外套16和压土盘18， 盛土器外套16、盛土器17和压土盘18从外到内依次嵌套，盛土器17周壁上沿径向对称、 自上而下分多层开有多列探孔。盛土器17周壁上探孔的层数为4-6层、列数为4-9列(每间隔40-90度开设1列探孔)，每列层探孔相互间的垂直间距为3-6cm，每个探孔的直径为 3-4cm0探孔的层数、数量、间距等根据实际需要确定，探孔的直径根据测试圆锥的标准尺寸确定，保证测试圆锥自由贯入即可。本模拟土壤压实装置还可用于模拟土壤的压实，将土壤装入盛土器17中，盖好压土盘18并向下压，得到模拟的压实土壤。本实用新型的使用方法和工作原理是根据检测要求，沿垂直方向提取压实后的标准土样或田间土壤，装入盛土器17中，保持土样的垂直侧面与盛土器17的侧壁平行并盖好压土盘18，然后将其放置在室内或室外的水平检测台上；或将待测土壤实地作刨切处理，露出土层垂直的刨面。将土壤压实度测试装置置于盛土器17或待测土层刨面旁，打开装置电源，通过固定平台13底部的调平螺栓12调节固定平台13的水平，通过电脑控制系统、控制减速电机8的动作，经减速齿轮组9带动双向传动螺杆10、螺旋块14和两对升降推杆7的运动，从而调整升降平台的高度，使测试杆20端头的圆锥垂直对准盛土器中待测土壤侧面或实测场地土壤刨面；然后通过电脑控制系统，使电机1工作，通过齿条3的运动，控制测试杆20端头经过盛土器17侧壁上的探孔，以水平方式贯入待测土壤样品或直接以水平方式贯入实地待测土壤(垂直土壤刨面贯入)，通过压力传感器5将测试杆20端头圆锥承受的压力数据传送给采集控制器27中的信号处理电路，经A/D转化送入CPU，由事先设计的程序进行运算，得到检测值并经电脑显示和储存。检测完毕，通过电脑控制系统使电机1工作，控制测试杆20退回；齿条3上的前向行程开关M和后向行程开关25，将在其运动到设定位置时自动切断电机1的电源，以实现对齿条的前行和后退行程的控制。升降平台升降时，红外传感器沈将感应到的信号传送给采集控制器27中的信号处理电路，经A/D转化送入CPU，由事先设计的程序进行运算，测得检测土壤的高度，得到各水平分层压实度的测试数据。本实用新型的有益效果是应用电子测试技术在室内外对土壤压实度进行现场测试的试验方法及试验系统，将传统的垂直贯入方式变为水平贯入方式，且实现多层面压实度的实时测试；改变传统的手工压入方式，以电机作为贯入动力；同时基于计算机控制系统实现电机的控制与压实度数据的采集、分析、存储和打印等功能。具有检测结果准确、可检测水平分层压实度、可实时检测等优点。
图1是本实用新型检测试验台的三维轴侧示意图；图2是本实用新型检测试验台主视示意图；图3是本实用新型检测试验台俯视示意图；图4是本实用新型检测试验台左视示意图；图5是本实用新型盛土器轴侧展开示意图；图6是本实用新型测试控制系统电路原理框图。图中各标记为1、电机，2、升降平台，3、齿条，4、轴承座，5、压力传感器，6、铰链轴螺帽，7、升降推杆，8、电机，9、减速齿轮组，10、双向传动螺杆，11、铰连轴，12、调平螺栓，13、 固定平台，14、螺旋块，15、轴承座，16、盛土器外套，17、盛土器，18、压土盘，19、铰扣座，20、 测试杆，21、双头螺栓，22、铰连轴螺栓，23、电源模块，24、前向行程开关，25、后向行程开关， 26、红外传感器，27、数据采集控制器，28、电源模块，四、笔记本电脑，30、测试记录软件。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本实用新型作进一步阐述。实施例1 参见图1、2、3、4、5、6，本土壤压实度测试装置包括检测试验台、测试系统和模拟土壤压实装置，检测试验台由升降平台和固定机架组成，升降平台与固定机架之间通过两对升降推杆7连接，测试系统的检测器件分别装于升降平台、固定机架和相关部件上。升降平台部分包括减速电机1、升降平台2、齿条3、由齿轮及其支撑轴和轴承座组成的齿条支撑机构4、压力传感器5、前向行程开关M和后向行程开关25、测试杆20。升降平台2上面固定电机1和齿条支撑机构4，下面设有与升降推杆7上端铰连的两对铰扣座 19 ；电机1固定在升降平台2中部位置、其输出轴上装有与齿条3啮合的齿轮(模数为标准值)；齿条支撑机构4的轴承座固定在升降平台2两边、其齿轮与齿条3啮合；测试杆20前
5端部为符合ASAE标准的圆锥结构，压力传感器5通过双头螺栓21与齿条3右端头和测试杆20尾端连固；前向行程开关M和后向行程开关25分别装于齿条3上适当位置，以控制齿条的前行和后退行程；各部件通过普通螺栓进行固定，轴承座为内套标准系列轴承的轴承座，齿轮与轴的固定采用普通键连接方式。固定机架部分包括两对升降推杆7、减速电机8、减速齿轮组9、一对双向传动螺杆 10、调平螺栓12、固定平台13、两对螺旋块14、轴承座15、红外传感器沈。两对轴承座15固定在固定平台13两边，两个双向传动螺杆10经两对轴承座15平行支撑，双向传动螺杆10 一边为左旋、另一边为右旋，旋套于其上、与之配合的两对螺旋块14分别为相应的左旋和右旋结构；电机8输出轴上装有模数为标准值的齿轮，两个双向传动螺杆10的一端分别装有与该电机8输出轴齿轮啮合的减速齿轮，它们共同形成减速齿轮组9 ；两对螺旋块14上部设有与升降推杆7下端铰连的铰扣座结构；调平螺栓12安装在固定平台13底部，以调节固定平台13的水平；红外传感器沈安装在固定平台13 —端，以检测升降平台2的升降高度；各部件通过普通螺钉和螺栓进行固定，轴承座15为内套标准系列轴承的轴承座，齿轮与轴的固定采用普通键连接方式。测试控制系统包括压力传感器5、电源�？�23、前向行程开关M和后向行程开关 25、红外传感器沈、数据采集控制器27、电源�？楣邸⒈始潜镜缒运暮筒馐约锹既砑�30。压力传感器5、前向行程开关M、后向行程开关25和红外传感器沈的输出与数据采集控制器 27的接线端子相连，电源�？�23为压力传感器5供电，电源�？楣畚莶杉刂破�27 供电，数据采集控制器27的输出端子与电机1和电机8的控制回路相连，内置程序设置为通电自运行状态，数据采集控制器27与笔记本电脑四之间通过串口线连接，其间传输的数据由安装在电脑四内自行开发的测试记录软件30实现显示、存储、分析和打印等功能。数据采集控制器27包括普通信号处理电路、80188CPU和电机行程控制电路，配有12位多通道模拟量输入/出�？�、数字量输入/出�？椋坏缭茨？�23J8为普通交直流变压器或小型蓄电池，压力传感器5、行程开关M和25、红外传感器沈均为普通市售产品。模拟土壤压实装置包括上开口的筒状盛土器17、盛土器外套16和压土盘18，盛土器外套16、盛土器17和压土盘18从外到内依次嵌套，盛土器17周壁上沿径向对称、自上而下分5层开有6列探孔(每间隔60度开设1列探孔)，每层探孔相互间的垂直间距为5cm，每个探孔的直径为4cm。实施例2 参见图1、2、3、4、5、6，本土壤压实度测试装置包括检测试验台、测试系统和模拟土壤压实装置，检测试验台由升降平台和固定机架组成，升降平台与固定机架之间通过两对升降推杆7连接，测试系统的检测器件分别装于升降平台、固定机架和相关部件上。模拟土壤压实装置的盛土器17周壁上沿径向对称、自上而下分6层开有4列探孔(每间隔90度开设1列探孔)，每层探孔相互间的垂直间距为3cm，每个探孔的直径为3cm。整个装置的其余各组成部分及连接关系与实施例1相同。实施例3 参见图1、2、3、4、5、6，本土壤压实度测试装置包括检测试验台、测试系统和模拟土壤压实装置，检测试验台由升降平台和固定机架组成，升降平台与固定机架之间通过两对升降推杆7连接，测试系统的检测器件分别装于升降平台、固定机架和相关部件上。模拟土壤压实装置的盛土器17周壁上沿径向对称、自上而下分4层开有9列探孔(每间隔40度开设1列探孔)，每层探孔相互间的垂直间距为6cm，每个探孔的直径为3. 5cm。整个装置的其余各组成部分及连接关系与实施例1相同。实施例4 参见图1、2、3、4、5、6，本土壤压实度测试装置包括检测试验台、测试系统，检测试验台由升降平台和固定机架组成，升降平台与固定机架之间通过两对升降推杆7 连接，测试系统的检测器件分别装于升降平台、固定机架和相关部件上。检测在田间进行试验，本装置无需模拟土壤压实装置，其余各组成部分及连接关系与实施例1相同。使用时， 在田间进行土层刨面，将试验台装置和测试装置各部分安装参照实施例1即可。以上仅是本实用新型一种土壤压实度测试方法及系统的实施个例，在不改变本实用新型的宗旨的范围内可进行各种变化，只要不超出本实用新型的权利要求所限定的范围，都属于本实用新型所要求保护的范围。
权利要求1.一种土壤压实度测试装置，其特征在于包括检测试验台和测试控制系统，检测试验台由升降平台部分和固定机架部分组成，升降平台与固定机架之间通过两对升降推杆 (7)连接，测试系统的检测器件分别装于升降平台、固定机架和相关部件上。
2.根据权利要求1所述的土壤压实度测试装置，其特征在于检测试验台的升降平台部分包括减速电机(1)、升降平台(2)、齿条(3)、由齿轮及其支撑轴和轴承座组成的齿条支撑机构(4)、压力传感器(5)、前向行程开关(24)和后向行程开关(25)、测试杆(20);升降平台(2)上面固定电机(1)和齿条支撑机构(4)、下面设有与升降推杆(7)上端铰连的两对铰扣座(19)，电机(1)固定在升降平台(2)中部位置、其输出轴上装有与齿条(3)啮合的齿轮， 齿条支撑机构(4)的轴承座固定在升降平台(2)两边、其齿轮与齿条(3)啮合，测试杆(20) 前端部为符合ASAE标准的圆锥结构，压力传感器(5)通过螺栓(21)与齿条(3)右端头和测试杆(20)尾端连固，前向行程开关(24)和后向行程开关(25)分别装于齿条(3)上适当位置。
3.根据权利要求1所述的土壤压实度测试装置，其特征在于检测试验台的固定机架部分包括两对升降推杆(7)、减速电机(8)、减速齿轮组(9)、一对双向传动螺杆(10)、调平螺栓(12)、固定平台(13)、两对螺旋块(14)、轴承座(15)、红外传感器(26)；两对轴承座 (15 )固定在固定平台(13 )两边，两个双向传动螺杆(10 )经两对轴承座(15 )平行支撑，双向传动螺杆(10) 一边为左旋、另一边为右旋，旋套于其上、与之配合的两对螺旋块(14)分别为相应的左旋和右旋结构，电机(8)输出轴上装有齿轮，两个双向传动螺杆(10)的一端分别装有与电机(8)输出轴齿轮啮合、并共同形成减速齿轮组(9)的减速轮，两对螺旋块 (14)上部设有与升降推杆(7)下端铰连的铰扣座结构，调平螺栓(12)安装在固定平台(13) 底部，红外传感器(26)安装在固定平台(13)—端。
4.根据权利要求1所述的土壤压实度测试装置，其特征在于测试控制系统包括压力传感器(5)、电源�？�(23)、前向行程开关(24)和后向行程开关(25)、红外传感器(26)、数据采集控制器(27)、电源�？�(28)、电脑(29)和测试记录软件(30)；压力传感器(5)、前向行程开关(24)、后向行程开关(25)和红外传感器(26)的输出与数据采集控制器(27)的接线端子相连，电源�？�(23)为压力传感器(5)供电，电源�？�(28)为数据采集控制器(27) 供电，数据采集控制器(27)的输出端子与电机(1)和电机(8)的控制回路相连，内置程序设置为通电自运行状态，数据采集控制器(27 )与电脑(29 )之间通过串口线连接，测试记录软件(30)为安装在电脑(29)内以实现数据显示、存储、分析和打印的程序，数据采集控制器 (27)包括普通信号处理电路、CPU和电机行程控制电路。
5.根据权利要求1、2或3所述的土壤压实度测试装置，其特征在于测试装置还包括模拟土壤压实装置，该装置包括上开口的筒状盛土器(17)、盛土器外套(16)和压土盘 (18)，盛土器外套(16)、盛土器(17)和压土盘(18)从外到内依次嵌套，盛土器(17)周壁上沿径向对称、自上而下分多层开有多列探孔。
6.根据权利要求4所述的土壤压实度测试装置，其特征在于盛土器(17)周壁上探孔的层数为4-6层、列数为4-9列，每列层探孔相互间的垂直间距为3-6cm，每个探孔的直径为 3-4cm。
专利摘要本实用新型提供一种土壤压实度测试装置，属土壤检测技术领域。包括检测试验台、测试系统和模拟土壤压实装置；检测试验台包括升降平台和固定机架，升降平台包括电机、升降平台、齿条、轴承座、压力传感器、行程开关、测试杆，固定机架包括升降推杆、电机、传动齿轮、双向传动螺杆、调平螺栓、固定平台、螺旋块、轴承座和红外传感器。测试系统包括压力传感器、电源�？椤⑿谐炭�、红外传感器、数据采集控制器、笔记本电脑和测试记录软件；土壤压实装置包括盛土器、盛土器外套和压土盘。以水平贯入方式实现多层面土壤压实度现场测试，基于计算机控制系统实现电机控制与压实度数据的采集、分析，具有检测结果准确、可检测水平分层压实度、可实时检测等优点。
文档编号G01N33/24GK202256322SQ20112037365
公开日2012年5月30日 申请日期2011年9月30日 优先权日2011年9月30日
发明者戈振扬, 朱惠斌, 白丽珍 申请人:昆明理工大学
专业数控铣床产品供应商
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