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1、(10)申请公布号 CN 102445529 A (43)申请公布日 2012.05.09 CN 102445529 A *CN102445529A* (21)申请号 201110292610.X (22)申请日 2011.09.30 G01N 33/24(2006.01) (71)申请人 昆明理工大学 地址 650093 云南省昆明市五华区学府路 253 号 (72)发明人 白丽珍 戈振扬 朱惠斌 (54) 发明名称 一种土壤压实度测试装置 (57) 摘要 本发明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。
2、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、 电源模块、 行程开关、 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。 (51)Int.Cl. (19)中华。
3、人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页 CN 102445548 A1/1 页 2 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）。
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 （。
5、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。
6、 （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） 的减速齿轮， 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） 一端。 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） 、 电源模块 （23） 、 前向行程开关 （24） 和后向行程开关 （25） 、 红外传感器 （26） 、 。
7、数 据采集控制器 （27） 、 电源模块 （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， 电源模块 （23） 为压力传感器 （5） 供电， 电源模块 （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。
8、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。
9、、 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。 权 利 要 求 书 CN 102445529 A CN 102445548 A1/5 页 3 一种土壤压实度测试装置 技术领域 0001 本发明涉及一种应用电子测试技术对土壤物理性质进行测试装置， 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 0002 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。
10、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。 0003 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 。
11、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型和工兵圆锥仪型 ； 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、 计算和打印， 在圆锥指数的自动记录方面前进了一大步， 但其仍采用手动土壤贯入方 式， 圆锥指数的测量精度仍然受到较大影响。 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。
12、量， 无法实现土壤刨面内各水平分层压实度的测试。 发明内容 0004 本发明的目的是提供一种土壤压实度测试装置， 采用电动匀速水平贯入方式， 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。 0005 本发明的技术方案是 ： 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。 0006。
13、 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 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 （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 说 明 书 CN 102445529 A CN 102445548 A2/5 页 4 端部为符合 ASAE 标准的圆锥。
14、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 24 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。 0007 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 26。两对轴承座 15 固定在固定平台 13 两边， 两个双向。
15、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 26 安装在固定平台 13 一端， 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， 。
16、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。 0008 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 24 和后向行程 开关 25、 红外传感器 26、 数据采集控制器 27、 电源模块 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， 电源模块 23 为压力传感器 5 供电， 电源模块 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。
17、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， 其间传输的数据由安 装在电脑 29 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/出模块、 数字量输入/出模块 ； 电源模块23、 28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 24 和 25、 红外传感器 26 均为普通市售产品。 0009 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。
18、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 3-4cm。 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。 0010 本发明的使用方法和工作原理。
19、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。
20、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 说 明 书 CN 102445529 A CN 102445548 A3/5 页 5 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。
21、3上的前向行程开关24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 26 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。 0011 本发明的有益效果是 ： 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。
22、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。 附图说明 0012 图 1 是本发明检测试验台的三维轴侧示意图 ； 图 2 是本发明检测试验台主视示意图 ； 图 3 是本发明检测试验台俯视示意图 ； 图 4 是本发明检测试验台左视示意图 ； 图 5 是本发明盛土器轴侧展开示意图 ； 图 6 是本发明测试控制系统电路原理框图。 0013 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、。
23、 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， 29、 笔记本电脑， 30、 测试记录软件。 具体实施方式 0014 下面结合附图和实施例， 对本发明作进一步阐述。 0015 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。
24、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。 0016 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 （模数为标准。
25、 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 通过双头螺栓 21 与齿条 3 右端头和测试 说 明 书 CN 102445529 A CN 102445548 A4/5 页 6 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， 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。 0017 固定机架部分包括两对升降推杆 7、 减速电机 8、 减。
26、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。
27、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 26 安装在固定平台 13 一端， 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。 0018 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 24 和后向行程开关 25、 红外传感器26、 数据采集控制器27、 电源模块28、 笔记本电脑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， 电源模。
28、块 23 为压力传感器 5 供电， 电源模块 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与笔记本电脑29之间通过串口线连接， 其间传输的数 据由安装在电脑 29 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/出模块、 数字量输入/出模块 ； 电源模块23、 28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 24 和 25、。
29、 红外传感器 26 均为普通市售产品。 0019 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。 0020 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。
30、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。 0021 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。 。
31、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。 说 明 书 CN 102445529 A CN 102445548 A5/5 页 7 0022 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。
32、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。 0023 以上仅是本发明一种土壤压实度测试方法及系统的实施个例， 在不改变本发明的 宗旨的范围内可进行各种变化， 只要不超出本发明的权利要求所限定的范围， 都属于本发 明所要求保护的范围。 说 明 书 CN 102445529 A CN 102445548 A1/2 页 8 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 102445529 A CN 102445548 A2/2 页 9 图 4 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 102445529 A 。