专利名称：一种圆锥指数仪及测量土壤圆锥指数的方法
技术领域：
本发明涉及农业工程领域，具体涉及一种圆锥指数仪及测量土壤 圆锥指数的方法。
背景技术：
土壤压实程度不仅影响农作物的长势，也影响到土壤退化，风化 等趋势。尤其是近年来随着大型农业机械的大量应用，土壤压实所带 来的负面影响已引起了越来越多的关注。为了客观评价土壤压实程 度，国际上广泛接受的量化性能指标是土壤圆锥指数。对于土壤圆锥 指数的测量设备(即圆锥指数仪)及测量过程操作规范，美国农业工程协会(ASAE)已在其协会标准ASAE Standard S313.3 FEB04与 ASAE Standard EP542 FEB99中做了详细的描述。在该标准中规定了 圆锥指数仪插入土壤时的行进速度应该保持在30mm/s。而在手工操 作时，要让插入速度保持在一个恒定速度上，是非常困难的。为了克 服手工操作时存在的这个缺陷，加拿大学者GCTopp于1997年提出 了釆用电机驱动的圆锥指数仪(见美国专利公开号US5663649， 1997 年2月)。本专利申请者也于2004年提出了基于另 一种原理的电机驱 动圆锥指数仪的思想(见中国实用新型专利申请号200420120131.5 与发明专利申请号200510063149.5)。以上所研制出的圆锥指数仪， 在电机驱动下操作，均能够以一个恒定的速度进行操作，从而满足 ASAE标准。但在增加电机驱动后，使得整个圆锥指数仪的结构变得复杂，成 本增大。因此如何简化设备结构，降低成本成为该设备进一步完善， 推广的重要环节。在实用新型专利ZL200420120131.5与发明专利200510063149.5中所提及的圆锥指数仪，其是通过电机驱动纵锥以30mm/s的恒速插 入土壤，通过连接在纵锥上端的压力传感器实时的获取所受的土壤阻 力，从而得到土壤的圆锥指数。其中采用基于应变片原理的高精度压 力传感器，它需要配套的高精度信号放大器与高稳定性电桥电源，价 格因此较高。例如釆德国HBM公司的c9B型压力传感器，价格约600 美元，约占整个测量系统造价的1/5。因此现有技术中的电机驱动圆 锥指数仪普遍存在结构复杂、造价高的问题。发明内容本发明的目的在于克服上述在电机驱动式圆锥指数仪上釆取传 统压力传感器测量土壤圆锥指数时存在的成本过高、总体结构过于复 杂的缺点，提供一种圆锥指数仪及其测量土壤圆锥指数的方法。 为实现上述目的，本发明釆用如下技术方案 一种测量土壤圆锥指数的方法，该方法包括以下步骤 Sl:测量在空载状态下圆锥指数仪中驱动电机的空载电流； S2:测量工作状态下圆锥指数仪中驱动电机的工作电流； S3:根据所述空载电流与工作电流的差值求出负载电流； S4:根据所述负载电流得到圆锥指数仪锥底所受压力，所受压力 除以圆锥指数仪锥底表面积，得到所测量的土壤圆锥指数。该方法中，在步骤S1中，所测量的空载电流值存储在土壤圆锥 指数仪的存储器内，在步骤S4之后，循环执行步骤S2至步骤S4至 测量结束，得到连续测量的土壤圆锥指数。该方法中，在步骤S4中，由所述负载电流得到圆锥指数仪锥底 所受压力的方法为根据公式= 获取圆锥指数仪锥底所受压力，其中，/p为圆锥指数仪锥底所受压力，/为负载电流，K为所述 驱动电机的转矩系数，r为所述驱动电机传动机构的旋转半径。该方法中，在步骤S1和步骤S2中，用霍尔电流传感器分别测得所述空载电流与工作电流。该方法中，在步骤S1和S2中，在所述直流电机的一端串联连接 电阻，所述电阻的两端并接有电压传感器，根据所述电压传感器的电 压与所述电阻分别得到所述空载电流与工作电流。本发明还提供了 一种圆锥指数仪，所述圆锥指数仪包括驱动电 机，所述圆锥指数仪还包括用于测量所述驱动电机电流的装置。其中，所述用于测量所述驱动电机电流的装置为霍尔电流传感 器，所述驱动电机的电源线穿过所述霍尔电流传感器的电流感应区。其中，所述用于测量所述驱动电机电流的装置为电压传感器，所 述电压传感器并接在与所述直流电机串联的电阻两端。使用本发明提供一种圆锥指数仪及其测量土壤圆锥指数的方法，具有以下优点1. 测量成本低，霍尔电流传感器的价格远远低于同等精度下的 压力传感器的价格；2. 简化了土壤圆锥指数仪的结构，原来釆用压力传感器方法测 量圆锥指数仪所受压力，压力传感器除了本身结构复杂、体积较大外, 还需配套专用的高精度放大电路，电路连接方式复杂，而釆用霍尔电 流传感器，其电路连接方式简单，体积小，在很大程度上简化了土壤 圆锥指数仪的结构。
图l为本发明测量土壤圆锥指数的方法流程图； 图2为本发明实施例霍尔电流传感器与原有土壤圆锥指数仪连接 示意框图；图3为本发明实施例霍尔电流传感器实际连接示意图； 图中1、直流电源；2、霍尔电流传感器；3、直流电机；4、直 流电机电源线。
具体实施方式
本发明提出的测量圆锥指数的方法，结合附图和实施例说明如下。如图l所示为本发明测量土壤圆锥指数的方法流程图，该方法主要包括步骤测量在空载状态下圆锥指数仪中驱动电机的空载电流； 测量工作状态下圆锥指数仪中驱动电机的工作电流；根据所述空载电 流与工作电流的差值求出负载电流；根据所述负载电流得到圆锥指数 仪锥底所受压力，所受压力除以圆锥指数仪锥底表面积，得到所测量 的土壤圆锥指数。下面说明本发明可以利用负载电流求得圆锥指数仪锥底所受压 力的原理。对于电机驱动式土壤圆锥指数仪中所釆用驱动电机为的普通直 流电机，其工作电流/。与转矩M间存在着下列线性关系M =化 (1 )式(1)中K为转矩系数(Torque constant, Nm/A )，现有技术中， 转矩系数与驱动电机的型号有关，每选定一种型号的驱动电机，其说 明书会给定一组该型号驱动电机的参数，其中就包括转矩系数。根据现有技术力学及机电理论，进一步结合电机驱动式圆锥指数 仪的电机拖动系统，又有<formula>formula see original document page 7</formula>式(2)中M为转矩，Q为驱动电机的旋转角速度，K为转矩系 数，/。为工作电流，力为电机驱动式圆锥指数仪的圆锥杆进入土壤层 过程中受到的阻力，即圆锥指数仪锥底所受压力，^为电机驱动式 圆锥指数仪机械系统的摩擦阻力，m为圆锥指数仪测量装置上运动部 件的总质量，v为驱动电机的旋转线速度。由于电机驱动式圆锥指数仪中的驱动电机的旋转角速度Q与传 动机构旋转半径r的关系r =v/Q ( 3 )因此驱动电机的旋转线速度v=rQ,将V的表达式代入式(2), 可以进一步得到工作电流/。与圆锥指数仪锥底所受压力/p之间的关系<formula>formula see original document page 8</formula>(4)在圆锥指数仪处于空载状态，即圆锥指数仪的圆锥杆还没有接触 土壤时，圆锥指数仪锥底所受压力/,为零，此时，圆锥指数仪的驱动电机电流称为空载电流/。，根据式(4)，空载电流/。为<formula>formula see original document page 8</formula>—附力 (5 )在圆锥指数仪工作时，用驱动电机的工作电流/。减去上述的空载 电流/。，即为电机的实际负载电流/,该电流是由圆锥指数仪锥底所 受压力力所产生的，根据式(4)和式(5)，该关系具体表达为<formula>formula see original document page 8</formula>(6)式(6)即为本发明可以用驱动电机的负载电流求得圆锥指数仪 锥底所受压力/p的理论依据和方法依据，上式表明驱动电机负载电流 与圆锥指数仪锥底所受压力/,成严格线性关系。得到圆锥指数仪锥底 所受压力/,后，除以圆锥指数仪锥底表面积，得到所测量的土壤圆锥 指数。实施例本实施例中通过霍尔电流传感器测量驱动电机的空载电流和工 作电流，具体采用南京茶花港联传感测控技术有限公司的霍尔电流传 感器CS010G，该电流传感器为电压式输出，通过其输出电压根据电 流传感器的电压/电流转换系数和电源电压计算出所测得的电流，型 号为CS010G的霍尔电流传感器的输入电源电压为5V，电压/电流转 换系数为0.2VA-1;驱动电机釆用德国Kahlig Antriebstechnik公司的 型号为M63x60/1的直流电机，其传动机构旋转半径为9.5mm，转矩 系数为3.1 Nm/A如图2所示的本发明实施例霍尔电流传感器与原有土壤圆锥指数仪连接示意框图和图3所示的本发明实施例霍尔电流传感器实际 连接示意图，图中霍尔电流传感器2与直流电源l连接，其内部空心部位穿过直流电机3的直流电机电源线4，通过感应测得的是直流电机的工作电流/。，但是以电压形式输出。直流电源输出电流/。作为直流电机的工作电流，霍尔传感器测量 工作电流/。并转换成输出电压r。w,在空载的情况下，首先测量得电 机空载工作电流/。所对应的霍尔传感器输出电压r。"/,根据生产厂家 产品应用手册提供的计算公式，两者之间的关系如下式所示式中，^为霍尔电流传感器电源电压，i 为电压/电流转换系数。 霍尔传感器输出电压r。"/的值只与圆锥指数仪的结构参数相关，不随 时间变化，固可以将此值作为圆锥指数仪结构的一个附加参数记录下 来，不需要重复测量。实际工作时，即将圆锥指数仪的圆锥杆插入土 壤时，霍尔电流传感器输出工作电流对应的电压为r。",。再根据前面所述的式(6)和式以上公式可以得出由此式即可通过电流传感器求得圆锥指数仪所受压力，等同于压 力传感器作用。再将所受压力除以圆锥指数仪的圆锥底表面积，所记 录下的来即为土壤圆锥指数。从而实现了应用霍尔电流传感器测量土 壤圆锥指。因此，本实施例中采用电机能量消耗法测量土壤圆锥指数的方 法，该方法包括如下步骤步骤一将确定型号与参数的霍尔电流传感器按图1与图2所示 方式连接至电机驱动式圆锥指数仪的原有结构上，替换其压力传感 器，用于测量电机消耗能量(即工作电流)，对于所确定的霍尔电流 传感器，必须要知道其电压/电流转换系数7 与电源电压Kc，该参数由实际中选用的霍尔电流传感器的型号确定，不需要用户自行设定；步骤二测量空载状态下霍尔传感器的输出电压7。 /,根据式 (7)计算空载电机工作电流/。，此数值测定一次即可；步骤三测量正常工作状态下霍尔传感器的输出电压r。w，根据 式(7)计算出电机工作电流/。；步骤四根据电机空载电流/。与正常工作状态下的工作电流/。 的差值，计算出实际负载电流/;步骤五由已知的直流电机参数(传动机构旋转半径r和电机转 矩系数D以及步骤四所计算出的实际负载电流/,根据式(6)计算 出圆锥指数仪所受压力《；步骤六将步骤五计算出的圆锥指数仪所受压力/p除以圆锥指数 仪锥底表面积，即可求得所测量的土壤圆锥指数。在步骤六结束后，重新返回步骤三，继续下一次测量，直至完成 所有预定测量工作。本实施例中按步骤一安装完后，在空载状态下，按步骤二测得其 空载电机工作电流为1142mA;在某一土壤中，按步骤三测量得此时 的电机工作电流为3048mA;按步骤四计算出实际负载电流为 1906mA;按步骤五计算出圆锥指数仪所受压力为622 N;按步骤六 计算得出此时的土壤圆锥指数为4.78MPa。若要连续测量，则只需要 重复步骤三到步骤六即可。本发明的圆锥指数测量仪及测量圆锥指数的方法，在釆用直流电 机驱动后，根据机电转换原理，圆锥指数仪受力情况将与电机能量消 耗(即工作电流)相关，在保证测量精度前提下进一步降低成本，则 是其创新性与实用性结合的完美体现。本发明中获取圆锥指数仪的驱动电机空载电流和工作电流的方 式，不限于本实施例中釆用的电压输出式电流传感器，可以釆用电流 输出式电流传感器，或在直流电机与直流电源组成的回路中，串联连接一个电阻，直接用电压传感器测量串接电阻的电压，进而也可以得 到驱动电机的空载电流和工作电流，不管釆用什么方式，釆用什么设备，只要等同于本发明的用测得的空载电流和工作电流，根据负载电 流与圆锥指数仪所受压力A的线性关系得到需要测量的圆锥指数的 方法，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1、一种测量土壤圆锥指数的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤S1测量在空载状态下圆锥指数仪中驱动电机的空载电流；S2测量工作状态下圆锥指数仪中驱动电机的工作电流；S3根据所述空载电流与工作电流的差值求出负载电流；S4根据所述负载电流得到圆锥指数仪锥底所受压力，所受压力除以圆锥指数仪锥底表面积，得到所测量的土壤圆锥指数。
2、 如权利要求l所述的测量土壤圆锥指数的方法，其特征在于， 在步骤S1中，所测量的空载电流值存储在土壤圆锥指数仪的存储器 内，在步骤S4之后，循环执行步骤S2至步骤S4至测量结東，得到 连续测量的土壤圆锥指数。
3、 如权利要求l所述的测量土壤圆锥指数的方法，其特征在于， 在步骤S4中，由所述负载电流得到圆锥指数仪锥底所受压力的方法 为根据公式= 获取圆锥指数仪锥底所受压力，其中，/p为圆锥指数仪锥底所受压力，/为负载电流，K为所述 驱动电机的转矩系数，r为所述驱动电机传动机构的旋转半径。
4、 如权利要求l所述的测量土壤圆锥指数的方法，其特征在于， 在步骤Sl和步骤S2中，用霍尔电流传感器分别测得所述空载电流与 工作电流。
5、 如权利要求l所述的测量土壤圆锥指数的方法，其特征在于， 在步骤S1和S2中，在所述直流电机的一端串联连接电阻，所述电阻 的两端并接有电压传感器，根据所述电压传感器的电压与所述电阻分 别得到所述空载电流与工作电流。
6、 一种圆锥指数仪，所述圆锥指数仪包括驱动电机，其特征在 于，所述圆锥指数仪还包括用于测量所述驱动电机电流的装置。
7、 如权利要求6所述的圆锥指数仪，其特征在于，所述用于测 量所述驱动电机电流的装置为霍尔电流传感器，所述驱动电机的电源 线穿过所述霍尔电流传感器的电流感应区。
8、 如权利要求6所述的圆锥指数仪，其特征在于，所述用于测量所述驱动电机电流的装置为电压传感器，所述电压传感器并接在与 所述直流电机串联的电阻两端。
全文摘要
本发明涉及一种圆锥指数仪及测量土壤圆锥指数的方法，该圆锥指数仪用电流传感器代替压力传感器，用于测量驱动电机的电流，该方法主要包括步骤测量在空载状态下圆锥指数仪中驱动电机的空载电流；测量工作状态下圆锥指数仪中驱动电机的工作电流；根据空载电流与工作电流的差值求出负载电流；根据负载电流得到圆锥指数仪锥底所受压力，所受压力除以圆锥指数仪锥底表面积，得到所测量的土壤圆锥指数。本发明简化了电机驱动式圆锥指数仪的结构，降低了成本，有助于电机驱动式圆锥指数仪的进一步推广。
文档编号G01N33/24GK101266238SQ20081005786
公开日2008年9月17日 申请日期2008年2月19日 优先权日2008年2月19日
发明者孙宇瑞, 孟繁佳, 曾庆猛, 林剑辉, 马道坤 申请人:中国农业大学