一种原位土壤参数测量仪及测量方法与流程

本发明涉及土壤参数测量技术领域，具体涉及一种原位土壤参数测量仪及测量方法。

背景技术：

土壤物理机械特性参数影响农业机械尤其是触土部件的作业效果，由于不同类型土壤的物理机械特性参数存在较大差异，其作业过程中的流动特性与土壤坚实度、含水率及土壤外摩擦角等参数密切相关。为快速调整机具作业参数以适应不同土壤坚实度、土壤外摩擦角等田间土壤工况，需要准确快速获取土壤耕层范围内不同高度的土壤坚实度和外摩擦角参数。目前，通过室内试验及田间试验可获得土壤物理机械特性参数值，但室内试验过程中采集的土壤样本会影响土壤内部结构，造成试验结果与田间参数存在一定差异，而现有田间试验装置较复杂，难以准确快捷获取数据。圆锥装置如土壤坚实度仪等，是田间试验最常用及简便的试验装置，可快速获得土壤坚实度，但功能有限，不能测量其它土壤物理机械特性参数。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述技术的不足，提供一种实现土壤耕层范围内不同深度土壤坚实度和外摩擦角的原位土壤参数测量仪及测量方法。

为实现上述目的，本发明所设计的原位土壤参数测量仪，包括圆锥、与圆锥连接的圆柱连接杆、安装在圆柱连接杆上端的拉压力传感器、与拉压力传感器上端连接的操作把手及安装在圆锥内部的薄片式压力传感器，安装在操作把手上端的采集系统以及安装在操作把手上的激光位移传感器；所述拉压力传感器、薄片式压力传感器和激光位移传感器均与所述采集系统电连。

进一步地，所述采集系统包括STM32F407单片机、电源模块、电源转换模块、LCD显示屏、SD存储卡、拉压力传感器变送器及薄片式压力传感器转换电路，所述拉压力传感器的拉压力信号通过拉压力传感器变送器输送至STM32F407单片机，所述薄片式压力传感器将压力信号通过薄片式压力传感器转换电路输送至STM32F407单片机，所述激光位移传感器将位移信号输送至STM32F407单片机，所述电源模块均给拉压力传感器、薄片式传感器及激光位移传感器供电，所述电源模块通过所述电源模块给STM32F407单片机供电。

进一步地，所述圆锥和圆柱连接杆均为中空结构且圆锥和圆柱连接杆均由完全对称的两半段拼接组成，所述薄片式压力传感器安装在圆锥内部。

还提供一种如上述所述原位土壤参数测量仪的测量方法，其特征在于：所述测量方法如下：

1)测量人员选好测量点，将原位土壤参数测量仪竖直放置，圆锥自然接触地表，测量过程中，操作人员两手握住操作把手两端，使圆锥垂直地表均匀入土，采集系统根据各传感器测得数据实时更新采集数据，在LCD显示屏上显示并同步将数据存储在SD存储卡中，待达到测量耕深后，结束该测量点的数据测量；

2)进行下一个测量点的数据测量前进行数字复位，再重复步骤1)操作继续开展测量，直至所有测量点均测量完成后。

进一步地，所述原位土壤参数测量仪组装完成后进行标定，标定的具体过程为：

1)按照原位土壤参数测量仪和螺旋侧摇推拉力计所需额定电压供电，调整原位土壤参数测量仪和螺旋侧摇推拉力处于工作状态；

2)将两个圆锥夹持支撑分别安装在圆锥外部，安装时使圆锥夹持支撑的夹持平面部分与薄片式压力传感器平面平行；

3)将带有圆锥夹持支撑的原位土壤测量仪安装在螺旋侧摇推拉力计上，螺旋侧摇推拉力计的夹持部位与圆锥夹持支撑的夹持面接触；

4)摇动螺旋侧摇推拉力计的摇动把手，给圆锥夹持支撑施加压力，每次间隔预设的压力记录一次原位土壤参数测量仪的圆锥两半段之间水平压力F2，每个压力间隔重复记录n次，得到n组间隔预设的压力测得的圆锥两半段之间水平压力F2数据集；

5)对每个压力间隔重复记录n次的结果取均值，得到一组不同压力间隔下各测量点取均值后的平均水平压力F2’数据集，采用最小二乘法拟合得到圆锥两半段之间平均水平压力值F2’的标定曲线F2’＝KX+B，其中，X为预设间隔压力值，K、B为修正系数；

6)将K、B代入圆锥两半段之间水平压力F2的补偿换算公式F2”＝KF2+B中，其中F2为测量值，F2”为标定后的修正值，即可完成水平压力F2的标定操作。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明原位土壤参数测量仪可以在田间精确快速获取耕层土壤坚实度及外摩擦角随测量深度的变化数据，，在不破坏土壤原有结构的情况下，能够获取田间的真实土壤坚实度和外摩擦角数据；

2、本发明采用结构化设计，测量装置安装及拆卸方便，方便野外测量的携带，且操作过程简单，不需要像室内试验一样需要操作复杂的测量仪器。

附图说明

图1为本发明原位土壤参数测量仪的结构示意图；

图2为图1中半段圆锥结构示意图；

图3是圆锥各方向受力图；

图4为圆锥夹持支撑；

图5为图1中采集系统电路原理图；

图6为标定曲线图。

图中：圆锥1、圆柱连接杆2、拉压力传感器3、安装支座4、激光位移传感器5、航空插头6、采集系统7、羊角螺丝8、操作把手9、薄片式压力传感器10、传感器线路11、圆锥夹持支撑12。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1、图2所示原位土壤参数测量仪，包括圆锥1、与圆锥1连接的圆柱连接杆2、安装在圆柱连接杆2上端的拉压力传感器3、与拉压力传感器3上端连接的操作把手9，安装在操作把手9上端的采集系统7以及安装在操作把手9上的激光位移传感器5。其中，激光位移传感器5通过安装支座4与操作把手9侧边连接；圆锥1和圆柱连接杆2均为中空结构且圆锥1和圆柱连接杆2均由完全对称的两半段拼接组成，圆锥1内部安装有薄片式压力传感器10，圆柱连接杆2内部中空，用于薄片式压力传感器线路11布置，拉压力传感器线路、激光位移传感器线路及薄片式压力传感器线路11均通过航空插头6与采集系统7连接，采集系统7通过羊角螺丝8与操作把手9连接。本实施例中，薄片式压力传感器型号为Flexiforce，拉压力传感器型号为DYMH-103 5000kg，激光位移传感器型号为HG-C1400。

结合图5，采集系统包括STM32F407单片机、12V电源模块、12V转5V电源转换模块、LCD显示屏、SD存储卡、拉压力传感器变送器及薄片式压力传感器转换电路，拉压力传感器的拉压力信号通过拉压力传感器变送器输送至STM32F407单片机，薄片式压力传感器将压力信号通过薄片式压力传感器转换电路输送至STM32F407单片机，激光位移传感器将位移信号输送至STM32F407单片机，12V电源模块均给拉压力传感器、薄片式传感器及激光位移传感器供电，12V电源模块通过12V转5V电源模块给STM32F407单片机供电。

另外，LCD显示屏用于显示不同深度下的土壤坚实度和外摩擦角参数，其中包括土壤坚实度随测量深度的变化曲线图、土壤外摩擦角随测量深度变化的曲线图、土壤坚实度实时数据、土壤外摩擦角实时数据以及测量深度的实时数据。测量深度分辨率为2mm，即土壤坚实度和土壤外摩擦角的测量数据在2mm间隔更新一次。

结合图3，本发明原位土壤参数测量仪测量土壤坚实度和外摩擦角参数测量原理为：

薄片传感器测量圆锥两半段之间水平压力F2，单位为N；

拉压力传感器测量圆锥入土阻力F1，单位为N；

激光位移传感器测量圆锥入土位移D，单位为mm；

则土壤坚实度计算公式为：P＝F1/S，其中F1为圆锥入土阻力；S为圆锥底面积，半径r＝15mm。

土壤外摩擦角计算公式为：φ＝arctan(f/N)，其中F2为圆锥两半段之间水平压力；θ为圆锥顶角，可知获得圆锥入土阻力F1，圆锥两半段之间水平压力F2和入土距离D，即可求出不同深度土壤坚实度和土壤摩擦系数，各受力方向如图3所示。

原位土壤参数测量仪标定步骤为：

1)按照原位土壤参数测量仪和螺旋侧摇推拉力计所需额定电压供电，调整原位土壤参数测量仪和螺旋侧摇推拉力处于工作状态；

2)将两个圆锥夹持支撑分别安装在圆锥外部，安装时使圆锥夹持支撑12(如图4所示)的夹持平面部分与薄片式压力传感器平面平行；

3)将带有圆锥夹持支撑的原位土壤测量仪安装在螺旋侧摇推拉力计上，螺旋侧摇推拉力计的夹持部位与圆锥夹持支撑的夹持面接触；

4)摇动螺旋侧摇推拉力计的摇动把手，给圆锥夹持支撑施加压力，每次间隔预设的压力(例如10N)记录一次原位土壤参数测量仪的圆锥两半段之间水平压力F2，每个压力间隔重复记录n(例如5)次，得到n组间隔预设的压力测得的圆锥两半段之间水平压力F2数据集；

5)对每个压力间隔重复记录n次的结果取均值，得到一组不同压力间隔下各测量点取均值后的平均水平压力F2’数据集，采用最小二乘法拟合得到圆锥两半段之间平均水平压力值F2’的标定曲线F2’＝KX+B，其中，X为预设间隔压力值，K、B为修正系数；

6)将K、B代入圆锥两半段之间水平压力F2的补偿换算公式F2”＝KF2+B中，其中F2为测量值，F2”为标定后的修正值，即可完成水平压力F2的标定操作。

由于圆锥入土阻力F1不受装置设计干扰，拉压力传感器测得的数值即为准确的圆锥入土阻力值，因此F1无需进行标定操作。

原位土壤参数测量仪的工作过程为：

1)测量人员选好测量点，将原位土壤参数测量仪竖直放置，圆锥自然接触地表，测量过程中，操作人员两手握住操作把手两端，使圆锥垂直地表均匀入土，采集系统根据各传感器测得数据实时更新采集数据，在LCD显示屏上显示并同步将数据存储在SD存储卡中，待达到测量耕深后，结束该测量点的数据测量；

2)进行下一个测量点的数据测量前进行数字复位，再重复步骤1)操作继续开展测量，直至所有测量点均测量完成后。