一種水平貫入式土壤壓實度檢測試方法
2023-07-13 13:45:31 1
專利名稱：一種水平貫入式土壤壓實度檢測試方法
技術領域：
本發明涉及一種水平貫入式土壤壓實度檢測試方法，屬於土壤信息採集技術領域。
背景技術：
拖拉機及其牽引的農機具在田間行走作業時，輪胎對土壤發生碾壓作用，造成表層土壤被壓下沉，緊實度增加。尤其是近年來，隨著各種農業裝備的大規模、頻繁使用，這種壓實作用也隨之增加，已大大超出自然對土壤壓實的恢復力，土壤壓實現象日趨嚴重。土壤壓實使土壤顆粒之間的小孔丟失，引起空氣與水不能自由流通，進而影響植物根系的發育狀況及農作物產量。土壤壓實如不加以解決，將使土壤環境遭到重破壞，耕作的正效應將被土壤壓實的負效應所抵消，農田生產力將嚴重降低。
國際上通常採用圓錐指數CI (Cone Index)來表徵土壤耕作層深度和耕作阻力，綜合反映土壤機械物理性質。國內外大多採用灌砂法、傳統環刀法、落錘式測量方法等間接方法，來測量土壤的壓實度，這些方法不僅測量效率低、而且測量準確度不高。國內最初採用從現場採樣，然後在室內進行試驗的方法。20世紀70年代初，國內農機部門研製了 SR-2 型土壤貫入儀，南京工程兵學院研製了工兵圓錐儀I型和工兵圓錐儀II型；這兩種儀器質量輕、結構可靠、使用方便，但仍採用手動貫入、目測讀數的方式，測量準精度還是得不到保障。20世紀80年代，華南農業大學研製成功了電測圓錐剪切儀，採用單板計算機進行採樣、 分析、計算和列印，在圓錐指數的自動記錄方面前進了一大步，但其仍採用手動檢測貫入方式，圓錐指數的測量精度仍然受到較大影響。此外，現有土壤物理性質測試方法均採用垂直貫入方式，容易導致土壤塑性變形(垂直貫入所引起的土壤塑性變形是圓錐直徑的3倍)，而且採用單點測量，無法實現土壤刨面內各水平分層壓實度的測試。發明內容
本發明的目的是提供水平貫入式土壤壓實度檢測試方法，採用電動勻速水平貫入方式，實現土壤壓實度數據的檢測，解決現有技術垂直貫入土壤塑性變形大、測量精度不高、土壤水平分層壓實度實時檢測困難的問題。
本土壤壓實度檢測試方法的具體方法步驟是(1)對壓實後的標準土樣或田間土壤，沿垂直方向進行採樣，並將其裝入模擬土壤壓實裝置的側壁上開有探孔的盛土器17中，保持土樣的垂直側面與盛土器17的側壁平行並蓋好壓土盤18，然後將裝有土樣的盛土器17放置在室內或室外的水平檢測臺上；或將待測土壤實地作垂直刨切處理，露出土層的垂直刨面；(2)使用圓錐指數土壤壓實度測試裝置，將其置於盛土器17或待測土壤垂直刨面旁， 使測試杆圓錐端頭垂直對準盛土器中待測土壤側面或實測場地土壤垂直刨面，然後控制測試杆圓錐經過盛土器17側壁上的探孔，以水平方式貫入待測土壤樣品，或直接以水平方式貫入實地待測土壤垂直刨面，用圓錐指數檢測方法檢測土壤壓實度。
所述模擬土壤壓實裝置包括上開口的筒狀盛土器17、盛土器外套16和壓土盤18， 盛土器外套16、盛土器17和壓土盤18從外到內依次嵌套，盛土器17周壁上沿徑向對稱、 自上而下分多層開有多列探孔。盛土器17周壁上探孔的層數為4-6層、列數為4-9列(每間隔40-90度開設1列探孔)，每列層探孔相互間的垂直間距為3-6cm，每個探孔的直徑為 3-4cm0探孔的層數、數量、間距等根據實際需要確定，探孔的直徑根據測試圓錐的標準尺寸確定，保證測試圓錐自由貫入即可。
本方法可以使用現有圓錐指數檢測儀器，將圓錐檢測頭以水平方式貫入檢測土樣，或採用專門設計的水平貫入土壤壓實度測試裝置，對土壤壓實度進行檢測。該水平貫入土壤壓實度測試裝置包括檢測試驗臺和測試控制系統，檢測試驗臺由升降平臺部分和固定機架部分組成，升降平臺與固定機架之間通過兩對升降推桿7連接，測試系統的檢測器件分別裝於升降平臺、固定機架和相關部件上。升降平臺部分包括減速電機1、升降平臺2、 齒條3、由齒輪及其支撐軸和軸承座組成的齒條支撐機構4、壓力傳感器5、前向行程開關M 和後向行程開關25、測試杆20。升降平臺2上面固定電機1和齒條支撐機構4，下面設有與升降推桿7上端鉸連的兩對鉸扣座19 ；電機1固定在升降平臺2中部位置、其輸出軸上裝有與齒條3嚙合的齒輪(模數為標準值)；齒條支撐機構4的軸承座固定在升降平臺2兩邊、其齒輪與齒條3嚙合；測試杆20前端部為符合ASAE標準的圓錐結構，壓力傳感器5通過螺栓21 (雙頭螺栓)與齒條3右端頭和測試杆20尾端連固；前向行程開關M和後向行程開關25分別裝於齒條3上適當位置，以控制齒條的前行和後退行程；各部件通過普通螺釘、螺栓或焊接等方式進行固定，軸承座為內套標準系列軸承的軸承座，齒輪與軸的固定採用普通螺母壓緊或鍵連接方式。固定機架部分包括兩對升降推桿7、減速電機8、減速齒輪組9、一對雙向傳動螺杆10、調平螺栓12、固定平臺13、兩對螺旋塊14、軸承座15、紅外傳感器26。兩對軸承座15固定在固定平臺13兩邊，兩個雙向傳動螺杆10經兩對軸承座15平行支撐，雙向傳動螺杆10 —邊為左旋、另一邊為右旋，旋套於其上、與之配合的兩對螺旋塊 14分別為相應的左旋和右旋結構；電機8輸出軸上裝有模數為標準值的齒輪，兩個雙向傳動螺杆10的一端分別裝有與該電機8輸出軸齒輪嚙合的減速齒輪，它們共同形成減速齒輪組9 ；兩對螺旋塊14上部設有與升降推桿7下端鉸連的鉸扣座結構；調平螺栓12安裝在固定平臺13底部，以調節固定平臺13的水平；紅外傳感器沈安裝在固定平臺13 —端，以檢測升降平臺2的升降高度；各部件通過普通螺釘、螺栓或焊接等方式進行固定，軸承座15為內套標準系列軸承的軸承座，齒輪與軸的固定採用普通螺母壓緊或鍵連接方式。測試控制系統包括壓力傳感器5、電源模塊23、前向行程開關M和後向行程開關25、紅外傳感器沈、 數據採集控制器27、電源模塊28、電腦四和測試記錄軟體30。壓力傳感器5、前向行程開關對、後向行程開關25和紅外傳感器沈的輸出與數據採集控制器27的接線端子相連，電源模塊23為壓力傳感器5供電，電源模塊觀為數據採集控制器27供電，數據採集控制器 27的輸出端子與電機1和電機8的控制迴路相連，內置程序設置為通電自運行狀態，數據採集控制器27與電腦四之間通過串口線連接，其間傳輸的數據由安裝在電腦四內自行開發的測試記錄軟體30實現顯示、存儲、分析和列印等功能。數據採集控制器27包括普通信號處理電路、CPU (如，80188、X86等)和電機行程控制電路，配有12位多通道模擬量輸入/ 出模塊、數字量輸入/出模塊；電源模塊23J8為普通交直流變壓器或小型蓄電池，壓力傳感器5、行程開關M和25、紅外傳感器26均為普通市售產品。
本發明以水平方式將檢測圓錐貫入待測土壤樣品或待測土壤(垂直土壤刨面貫入)，不僅解決了現有垂直貫入土壤變形大、檢測數據與實際情況差距較大的問題，而且可以檢測土壤不同層面的壓實度，同時還便於進行現場測試操作。具有檢測結果準確、可檢測水平分層壓實度、可現場實時檢測等優點。
圖1是本發明檢測步驟流程框圖；圖2是本發明所用模擬土壤壓實裝置軸測展開示意圖；圖3是本發明所用水平貫入土壤壓實度測試裝置檢測試驗臺的三維軸測側示意圖； 圖4是本發明所用水平貫入土壤壓實度測試裝置檢測試驗臺主視示意圖； 圖5是本發明所用水平貫入土壤壓實度測試裝置檢測試驗臺俯視示意圖； 圖6是本發明所用水平貫入土壤壓實度測試裝置檢測試驗臺左視示意圖； 圖7是本發明所用水平貫入土壤壓實度測試裝置測試控制系統電路原理框圖。
圖中各標記為本發明所用水平貫入土壤壓實度測試裝置部件。其中1、電機，2、 升降平臺，3、齒條，4、軸承座，5、壓力傳感器，6、鉸鏈螺帽，7、升降推桿，8、電機，9、減速齒輪組，10、雙向傳動螺杆，11、鉸連軸，12、調平螺栓，13、固定平臺，14、螺旋塊，15、軸承座，16、 盛土器外套，17、盛土器，18、壓土盤，19、鉸扣座，20、測試杆，21、雙頭螺栓，22、鉸連軸螺栓， 23、電源模塊，24、前向行程開關，25、後向行程開關，26、紅外傳感器，27、數據採集控制器， 28、電源模塊，29、筆記本電腦，30、測試記錄軟體。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例，對本發明作進一步闡述。
實施例1 參見圖1、本土壤壓實度檢測試方法的具體方法和步驟是(1)對壓實後的田間土壤進行採樣，將其裝入模擬土壤壓實裝置的側壁上開有探孔的盛土器17中，保持土樣的垂直側面與盛土器17的側壁平行並蓋好壓土盤18，然後將裝有土樣的盛土器17放置在室內或室外的水平檢測臺上；(2)使用圓錐指數土壤壓實度測試裝置，將其置於盛土器17或待測土壤垂直刨面旁， 使測試杆圓錐端頭垂直對準盛土器中待測土壤側面或實測場地土壤垂直刨面，然後控制測試杆圓錐經過盛土器17側壁上的探孔，以水平方式貫入待測土壤樣品，用圓錐指數檢測方法檢測土壤壓實度。
本方法所採用的模擬土壤壓實裝置包括上開口的筒狀盛土器17、盛土器外套16 和壓土盤18，盛土器外套16、盛土器17和壓土盤18從外到內依次嵌套，盛土器17周壁上沿徑向對稱、自上而下分5層開有6列探孔(每間隔60度開設1列探孔)，每層探孔相互間的垂直間距為5cm，每個探孔的直徑為km。
參見圖2、3、4、5、6、7，本方法使用專用水平貫入土壤壓實度測試裝置進行檢測，該土壤壓實度測試裝置包括檢測試驗臺、測試系統和模擬土壤壓實裝置，檢測試驗臺由升降平臺和固定機架組成，升降平臺與固定機架之間通過兩對升降推桿7連接，測試系統的檢測器件分別裝於升降平臺、固定機架和相關部件上。升降平臺部分包括減速電機1、升降平臺2、齒條3、由齒輪及其支撐軸和軸承座組成的齒條支撐機構4、壓力傳感器5、前向行程開關M和後向行程開關25、測試杆20。升降平臺2上面固定電機1和齒條支撐機構4，下面設有與升降推桿7上端鉸連的兩對鉸扣座19 ；電機1固定在升降平臺2中部位置、其輸出軸上裝有與齒條3嚙合的齒輪(模數為標準值)；齒條支撐機構4的軸承座固定在升降平臺2兩邊、其齒輪與齒條3嚙合；測試杆20前端部為符合ASAE標準的圓錐結構，壓力傳感器5通過雙頭螺栓21與齒條3右端頭和測試杆20尾端連固；前向行程開關M和後向行程開關25分別裝於齒條3上適當位置，以控制齒條的前行和後退行程；各部件通過普通螺栓進行固定，軸承座為內套標準系列軸承的軸承座，齒輪與軸的固定採用普通鍵連接方式。固定機架部分包括兩對升降推桿7、減速電機8、減速齒輪組9、一對雙向傳動螺杆10、調平螺栓12、固定平臺13、兩對螺旋塊14、軸承座15、紅外傳感器26。兩對軸承座15固定在固定平臺13兩邊，兩個雙向傳動螺杆10經兩對軸承座15平行支撐，雙向傳動螺杆10 —邊為左旋、另一邊為右旋，旋套於其上、與之配合的兩對螺旋塊14分別為相應的左旋和右旋結構； 電機8輸出軸上裝有模數為標準值的齒輪，兩個雙向傳動螺杆10的一端分別裝有與該電機 8輸出軸齒輪嚙合的減速齒輪，它們共同形成減速齒輪組9 ；兩對螺旋塊14上部設有與升降推桿7下端鉸連的鉸扣座結構；調平螺栓12安裝在固定平臺13底部，以調節固定平臺13 的水平；紅外傳感器沈安裝在固定平臺13 —端，以檢測升降平臺2的升降高度；各部件通過普通螺釘和螺栓進行固定，軸承座15為內套標準系列軸承的軸承座，齒輪與軸的固定採用普通鍵連接方式。測試控制系統包括壓力傳感器5、電源模塊23、前向行程開關24和後向行程開關25、紅外傳感器沈、數據採集控制器27、電源模塊觀、筆記本電腦四和測試記錄軟體30。壓力傳感器5、前向行程開關M、後向行程開關25和紅外傳感器沈的輸出與數據採集控制器27的接線端子相連，電源模塊23為壓力傳感器5供電，電源模塊洲為數據採集控制器27供電，數據採集控制器27的輸出端子與電機1和電機8的控制迴路相連，內置程序設置為通電自運行狀態，數據採集控制器27與筆記本電腦四之間通過串口線連接， 其間傳輸的數據由安裝在電腦四內自行開發的測試記錄軟體30實現顯示、存儲、分析和列印等功能。數據採集控制器27包括普通信號處理電路、80188CPU和電機行程控制電路，配有12位多通道模擬量輸入/出模塊、數字量輸入/出模塊；電源模塊23J8為普通交直流變壓器或小型蓄電池，壓力傳感器5、行程開關24和25、紅外傳感器沈均為普通市售產品。
實施例2 參見圖1，本土壤壓實度檢測試方法的具體方法和步驟是(1)對待測土壤實地作垂直刨切處理，露出土層的垂直刨面；(2)使用圓錐指數土壤壓實度測試裝置，將其置於待測土壤垂直刨面旁，使測試杆圓錐端頭垂直對實測場地土壤直刨面，然後將測試杆圓錐直接以水平方式貫入待測土壤，用圓錐指數檢測方法檢測土壤壓實度。
參見圖2、3、4、5、6、7，本方法使用專用水平貫入土壤壓實度測試裝置進行檢測，該土壤壓實度測試裝置與實施例1中所用裝置相同。
實施例3 參見圖1、2，本土壤壓實度檢測試方法的具體方法步驟和採用的模擬土壤壓實裝置均與實施例1相同。使用普通圓錐土壤壓實度測試儀器，將測試圓錐直接以水平方式貫入待測土壤，用圓錐指數檢測方法檢測土壤壓實度。所用盛土器17周壁上沿徑向對稱、自上而下分6層開有4列探孔(每間隔90度開設1列探孔)，每層探孔相互間的垂直間距為3cm，每個探孔的直徑為3cm。
實施例4 參見圖1、2、3、4、5、6、7，本土壤壓實度檢測試的具體方法步驟、所採用的模擬土壤壓實裝置、以及所使用的專用水平貫入土壤壓實度測試裝置均與實施例1相同。所採用的模擬土壤壓實裝置盛土器17周壁上沿徑向對稱、自上而下分4層開有9列探孔(每間隔40度開設1列探孔)，每層探孔相互間的垂直間距為6cm，每個探孔的直徑為 3. 5cm0
權利要求
1.一種水平貫入式土壤壓實度檢測試方法，其特徵在於具體步驟如下(1)對壓實後的標準土樣或田間土壤，沿垂直方向進行採樣，並將其裝入模擬土壤壓實裝置的側壁上開有探孔的盛土器(17)中，保持土樣的垂直側面與盛土器(17)的側壁平行並蓋好壓土盤(18)，然後將裝有土樣的盛土器(17)放置在室內或室外的水平檢測臺上；或將待測土壤實地作垂直刨切處理，露出土層的垂直刨面；(2)使用圓錐指數土壤壓實度測試裝置，將其置於盛土器(17)或待測土壤垂直刨面旁， 使測試杆圓錐端頭垂直對準盛土器中待測土壤側面或實測場地土壤垂直刨面，然後控制測試杆圓錐經過盛土器(17)側壁上的探孔，以水平方式貫入待測土壤樣品，或直接以水平方式貫入實地待測土壤垂直刨面，用圓錐指數檢測方法檢測土壤壓實度。
2.根據權利要求1所述的水平貫入式土壤壓實度檢測試方法，其特徵在於所使用的模擬土壤壓實裝置包括上開口的筒狀盛土器(17)、盛土器外套(16)和壓土盤(18)，盛土器外套(16)、盛土器(17)和壓土盤(18)從外到內依次嵌套，盛土器(17)周壁上沿徑向對稱、 自上而下分多層開有多列探孔。
3.根據權利要求2所述的水平貫入式土壤壓實度檢測試方法，其特徵在於盛土器 (17)周壁上探孔的層數為4-6層、列數為4-9列，每列層探孔相互間的垂直間距為3-6cm， 每個探孔的直徑為34cm。
全文摘要
本發明提供一種水平貫入式土壤壓實度檢測試方法，屬於土壤信息採集技術領域。首先對壓實後的標準土樣或田間土壤進行採樣，將其裝入模擬土壤壓實裝置的側壁上開有探孔的盛土器中，並將裝有土樣的盛土器放置在室內或室外的水平檢測臺上，或將待測土壤實地作垂直刨切處理，露出土層的垂直刨面；再使用普通圓錐指數土壤壓實度測試裝置，將其置於盛土器或待測土壤垂直刨面旁，使測試杆圓錐端頭垂直對準盛土器中待測土壤側面或實測場地土壤垂直刨面；然後控制測試杆圓錐經過盛土器側壁上的探孔，以水平方式貫入待測土壤樣品，或直接以水平方式貫入實地待測土壤，用圓錐指數檢測方法檢測土壤壓實度。具有檢測結果準確、可檢測水平分層壓實度、可實時檢測等優點。
文檔編號G01N3/00GK102507301SQ201110296969
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月30日 優先權日2011年9月30日
發明者戈振揚, 朱惠斌, 白麗珍 申請人:昆明理工大學