基于瞬態加速度檢測的土壤貫入特性測量方法及裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了一種基于瞬態加速度檢測的土壤貫入特性測量方法及裝置，具體就是一種測量土壤貫入阻力進而得出土壤物理性質的一種方法和裝置，主要包括加速度檢測裝置、手柄、導向桿、沖擊砝碼，連接套、貫入桿、導向支架等。貫入桿貫入土壤，加速度檢測裝置檢測出整個裝置下降過程中的加速度變化，完成整個操作過程后，可以將數據讀入計算機，做進一步分析處理。通過改變下落過程參數，使貫入土壤時的初速度不一樣，從而使錐頭到達同一深度時的速度不一樣，進而可以建立數學模型探討速度與貫入阻力的關系，研究出土壤的一系列特性參數，對指導農業生產具有重大意義。本發明專利技術實現了變速貫入、自動記錄和數據儲存，其測量精度高、工作效率高。

Method and device for measuring soil penetration characteristics based on transient acceleration detection

The invention discloses a method and a device for measuring the soil penetration characteristics of transient acceleration detection based on concrete is a kind of measurement of soil penetration resistance and then come to a method and apparatus for soil physical properties, including acceleration detection device, a handle, a guide rod, hammer weight, connecting sleeve, penetration rod and the guide bracket. Through the penetration test, the acceleration detection device detects the acceleration changes in the whole device during the descent process. After completing the whole operation process, the data can be read into the computer for further analysis and processing. By changing the parameters of the initial velocity drop, penetration when the soil is not the same, so that the cone to the same depth when the speed is not the same, and set up the mathematical model of the relationship between speed and penetration resistance, developed a series of characteristic parameters of the soil, is of great significance to guide agricultural production. The invention realizes variable speed penetration, automatic recording and data storage, and has high measuring accuracy and high work efficiency.

【技術實現步驟摘要】
基于瞬態加速度檢測的土壤貫入特性測量方法及裝置
本專利技術涉及一種測量土壤機械物理性質的測量方法及裝置，尤其是涉及一種測量土壤阻力儀錐頭阻力的測量方法及裝置。
技術介紹
在農業生產中，土壤壓實不僅與農作物產量、種子的發芽破土率以及植物的根系發育狀況密切相關，還直接影響著土壤水分的轉運。土壤容積質量增加，土壤通氣孔隙降低，從而導致土壤侵蝕加重，土壤阻力增加，作物根系生長受阻，進而導致作物產量降低，農田質量退化。而在工業生產中，例如水利工程，建筑和道路橋梁方面，我們需要一個更緊實的土壤來使作業地基更加穩固，增強施工后的整體結構穩定性。圓錐指數是反映土壤壓實度的通用指標，是指一定截面積的椎體或柱塞以恒定速率插入土壤過程中所受的阻力。這一指標不僅可以綜合反映土壤的機械物理性質，還可以表征土壤耕作層深度的動力機械在土壤表面的可行駛性。目前應用較為廣泛的是美國農業與生物工程師協會(ASABE)制定的操作標準，其中規定圓錐以恒定速度(30mm/s)貫入土壤。而有另外一種動力觸探方法，，試驗時記錄重錘錘擊后探頭進入特定土層深度時的錘擊數N作為探測指標，通過這一探測指標來判斷土壤緊實度。傳統的靜力觸探測量裝置采用手動施壓貫入、人工記錄，裝置很復雜，需要勻速貫入，導致自動化程度比較低，而且速度難以恒定控制，容易在貫入的時候產生速度誤差，從而導致測量精度低。裝置笨重導致自動化程度低,勞動強度低、工作效率低，而且只能實現貫入阻力的測量，功能比較單一。而傳統的動力觸探方式，測量精度更低，誤差范圍更大，甚至不能測出具體力的大小。因此，目前迫切需要專利技術一種通用方便，成本低廉，測量精度高，結構簡單的土壤貫入特性測量裝置來測量土壤貫入特性。
技術實現思路
為了克服傳統土壤貫入阻力測量裝置存在的不足，本專利技術設計了一種由加速度檢測裝置與土壤貫入阻力儀等組成的基于瞬態加速度檢測的土壤貫入特性測量裝置，實現了非勻速貫入、自動測量與結果儲存記錄，其測量精度高、結構簡單、工作效率高，并且操作比較簡單。為了實現上述目的，本專利技術采用以下技術方案：一種基于瞬態加速度檢測的土壤貫入特性測量裝置，包括加速度檢測裝置，土壤貫入阻力儀，導向支架，限位環，水平儀，沖擊砝碼。土壤貫入阻力儀包括手柄(1)，導向桿(6)，貫入桿(13)，沖擊砝碼(5)，圓錐形貫入頭(14)，緩沖墊(7)，導向桿(6)與貫入桿(13)通過連接套(8)連接在一起，連接套上方有緩沖墊(7)，緩沖墊(7)與連接套(8)做為一體，使砝碼(5)撞擊連接套(8)的時候速度過渡更加平穩，同時減小砝碼(5)的跳動。導向桿(6)表面都刻有細刻度線，來確定限位環(3)所處高度，所述的限位環(3)套在導向桿(6)上，可上下調節到所需位置并鎖定，用于限定沖擊砝碼(5)提升下落高度和貫入桿組件提升高度，所述沖擊砝碼(5)由多片砝碼組合疊裝而成，可以根據測量需要組合成多種重量。貫入桿(13)表面也刻有細刻度線，來輔助確定貫入桿(13)插入土壤深度，錐頭(14)通過螺紋與貫入桿(13)相連，實際操作的時候貫入桿(13)插入導向支架(9)中，導向支架(9)中的導向套(12)直徑比貫入桿(13)直徑略大一點，防止貫入桿(13)發生傾斜，同時又避免產生摩擦，對結果造成影響。加速度檢測裝置(2)安裝在手柄(1)下方位置，與手柄(1)做為一體。所述的限位環(3)套在導向桿(6)上，可上下調節到所需位置并鎖定，用于限定沖擊砝碼(5)提升下落高度和貫入桿組件提升高度。導向支架(9)可以起到導向和限位作用即可，一般是多腳支架，下面以三腳支架舉例進行詳細說明，三腳支架通過鉸接件與導向套(12)相連并且得到固定，導向支架(9)中的導向套(12)既可以起到導向的作用，同時可以限制錐頭(14)的插入深度，防止錐頭(14)與桶底發生接觸，導向套(12)上方安裝一個水平儀(11)，通過觀察水平儀(11)中氣泡的移動來確定貫入方向是否豎直向下，導向支架(9)的支腿可以通過伸縮調節長度，并用螺釘鎖住以使支腿保持在一定長度，以適應不同長度的貫入桿(13)。本專利技術的測定裝置使用如下兩種方法，一種是自由下落法，另一種是砝碼沖擊法；所述的自由下落法，其具體實施過程如下：(1)用限位環將沖擊砝碼鎖定到連接套上；(2)將套在導向桿提升到所需高度；(3)松開貫入桿組件，貫入桿組件自由下落貫入頭向下貫入土壤；(5)加速度檢測裝置實時檢測貫入過程中的瞬時加速度值經處理傳送至電腦端或手機端；(6)運用加速度檢測模塊實時檢測出貫入特性測量裝置的加速度，數據由單片機處理單元經過實時處理后儲存到存儲單元，并通過無線數據通訊單元傳輸至監測電腦端或手機端存儲，例如藍牙、無線傳輸模塊、WiFi或Zigbee等，在電腦端或手機端進一步分析處理，如濾除雜波，計算出錐頭速度，位移和阻力，并繪制出分析曲線；所述的砝碼沖擊法，其具體實施過程如下：(1)將貫入桿組件徐徐下降，直到貫入頭接觸土面為止；(2)將套在導向桿上的限位環調節到所需高度后鎖定；(3)將砝碼提升到限位環設定高度(砝碼上端抵到限位環下端)；(5)松開砝碼，砝碼沿導向桿自由下落撞擊連接套帶動貫入桿組件向下運動，使貫入頭貫入土壤；(5)加速度檢測裝置實時檢測貫入過程中的瞬時加速度值經處理傳送至電腦端或手機端；(6)運用加速度檢測模塊實時檢測出貫入特性裝置的加速度，數據由單片機處理單元經過實時處理后儲存到存儲單元，并通過無線數據通訊單元傳輸至監測電腦端或手機端存儲，例如藍牙、無線傳輸模塊、WiFi或Zigbee等。在電腦端或手機端進一步分析處理，如濾除雜波，計算出錐頭速度，位移和阻力，并繪制出分析曲線；本專利技術采用了一種新的土壤貫入特性測量方法：所述的基于瞬態檢測的土壤貫入特性測量方法，運用加速度檢測裝置實時檢測記錄貫入桿組件在貫入土壤過程中的瞬時加速度獲取瞬時加速度時間歷程；同時采用低通數字濾波，濾除瞬時加速度高頻擾動信號，單片機處理單元將數據進行實時處理，然后后儲存到數據存儲單元，并可通過無線數據通訊單元傳輸至監測電腦端或手機端存儲，例如藍牙、無線傳輸模塊、WiFi或Zigbee等。這些數據在電腦端或手機端進一步分析處理，根據濾波處理后的瞬態加速度歷程計算獲得貫入過程的瞬態貫入阻力時間歷程；對濾波后的瞬態加速度進行數值積分獲得貫入桿組件運動速度的時間歷程；對所獲貫入桿組件運動速度的時間歷程進行數值積分獲得貫入桿組件貫入深度的時間歷程；根據上述步驟結果分析獲得貫入過程中的貫入阻力、加速度、速度與深度關系特性，并繪制出分析曲線。所述自由下落法中貫入裝置下落高度可以調節，使每次的初速度不同，從而使錐頭到達不同深度或到達同一深度時所具有的速度不一樣。所述砝碼沖擊法，沖擊砝碼重量和沖擊高度都可以調節使沖擊砝碼具有不同的初始能量，撞擊連接套的時候使整個裝置產生不同的加速度，從而使錐頭到達不同深度或到達同一深度時所具有的速度不一樣，通過構建力學模型進行定量分析，并通過仿真來進行驗證計算，探索出錐頭速度與錐頭所受阻力的關系，并通過這一規律，我們可以建立阻力與土壤一系列的參數的聯系，對指導農業生產具有重要意義。本專利技術相對于現有技術，具有如下的優點和效果：1.本專利技術采用沖擊砝碼撞擊然后自由下落或是自由下落來代替手動施壓，不用考慮貫入過程中的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
基于瞬態加速度檢測的土壤貫入特性測定裝置，其特征是：它包括貫入桿組件、導向支架(9)和加速度檢測裝置(2)；所述的貫入桿組件用于貫入土壤，所述的導向支架用于導向和限位貫入桿(13)的運動，所述的加速度檢測裝置用于實時檢測貫入桿組件貫入時的運動加速度。

【技術特征摘要】
1.基于瞬態加速度檢測的土壤貫入特性測定裝置，其特征是：它包括貫入桿組件、導向支架(9)和加速度檢測裝置(2)；所述的貫入桿組件用于貫入土壤，所述的導向支架用于導向和限位貫入桿(13)的運動，所述的加速度檢測裝置用于實時檢測貫入桿組件貫入時的運動加速度。2.根據權利要求1所述的基于瞬態加速度檢測的土壤貫入特性測定裝置，其特征是：所述的貫入桿組件包括貫入頭(14)、貫入桿(13)、連接套(8)、導向桿(6)、沖擊砝碼(5)和限位環(3)，連接套上方有緩沖墊(7)，緩沖墊與連接套做為一體，使砝碼撞擊連接套的時候速度過渡更加平穩，同時減小砝碼的跳動。3.根據權利要求1所述的基于瞬態加速度檢測的土壤貫入特性測定裝置，其特征是：所述的導向支架(9)包括支腿(10)和導向套(12)，導向套上方還安裝一個水平儀(11)，導向套與支腿上端鉸接相連并且固定，所述導向支架用于調節和限制貫入桿貫入深度，并使貫入桿能垂直下落貫入土壤，所述水平儀用于實驗之前調整錐頭貫入方向，通過氣泡的移動來判斷貫入桿的初始速度方向是否與地面垂直。4.根據權利要求1所述的基于瞬態加速度檢測的土壤貫入特性測定裝置，其特征是：所述的加速度檢測裝置安裝在探桿鏈接套上或導向桿上端，它由加速度傳感器、數據采集單元，單片機處理單元、存儲單元、有線與無線數據通訊單元以及電池供電和充電單元組成；加速度傳感器實時檢測貫入桿運動加速度數據，經過數據采集和單片機處理單元實時處理后儲存到存儲單元，并可...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉立意，晏犇，彭皖成，于洪濤，柳金明，凌豪，李林霖，劉卓然，
申請(專利權)人：東北農業大學，
類型：發明
國別省市：黑龍江,23