一種便攜式土壤檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

李海龍

摘要：農(nóng)田土壤樣本采集工作中存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、所攜帶設(shè)備多、操作不易達(dá)到要求、難以保證測(cè)試準(zhǔn)確性等問(wèn)題。設(shè)計(jì)一種便攜式土壤檢測(cè)裝置，闡述該裝置的整體結(jié)構(gòu)、工作過(guò)程及使用效果。該裝置能夠保證土壤檢測(cè)儀器垂直入土，降低測(cè)試人員勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)保證測(cè)試環(huán)境的理想性，提高測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞：土壤檢測(cè)裝置;結(jié)構(gòu);工作過(guò)程;使用效果;設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：S237 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1674-1161（2021）02-0023-02

1 便攜式土壤檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)背景

農(nóng)田土壤樣本采集是農(nóng)業(yè)科技人員的一項(xiàng)經(jīng)常性工作，其目的是準(zhǔn)確掌握農(nóng)田土壤的緊實(shí)度、入滲率、溫濕度、電導(dǎo)率等相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，從而進(jìn)一步了解土壤屬性和改良農(nóng)田土壤環(huán)境。

由于需要采集的土壤屬性類(lèi)別較多，因此單次采集所攜帶的測(cè)試設(shè)備種類(lèi)繁多。采集農(nóng)田土壤緊實(shí)度、溫濕度、不同深度土壤容重等數(shù)據(jù)時(shí)，所需測(cè)試設(shè)備包括緊實(shí)度儀、土壤溫濕度測(cè)試儀、環(huán)刀、土鉆等，所需工具包括鐵鍬、錘子等。測(cè)試開(kāi)始前，工作人員要在被測(cè)地塊至少選取5個(gè)位置作為待測(cè)點(diǎn)。測(cè)試時(shí)，首先要在被測(cè)地塊使用鐵鍬等工具對(duì)土壤進(jìn)行挖掘（一般挖坑尺寸為長(zhǎng)300 mm、寬300 mm、深400 mm），然后使用不同的測(cè)試設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。整個(gè)過(guò)程中，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)都要重復(fù)進(jìn)行同樣的工作，勞動(dòng)強(qiáng)度大;由于采集的數(shù)據(jù)不同，工作人員需要更換不同的測(cè)試設(shè)備，操作復(fù)雜、繁瑣;轉(zhuǎn)換測(cè)試地點(diǎn)時(shí)，諸多測(cè)試設(shè)備攜帶不方便。

以測(cè)試土壤緊實(shí)度為例，要求工作人員用力均勻地將測(cè)試設(shè)備垂直插入被測(cè)地塊土壤中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，但是在實(shí)際操作中很難達(dá)到試驗(yàn)要求。因?yàn)椴煌疃韧翆拥挠捕炔煌y以做到用力均勻，且被測(cè)地塊地表一般無(wú)明顯參照物，不易確保測(cè)量設(shè)備垂直入土。因此，為降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，解決測(cè)試時(shí)所需設(shè)備較多、轉(zhuǎn)場(chǎng)不便、測(cè)試流程繁瑣等問(wèn)題，避免因工作人員操作不規(guī)范而影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)一種便攜式土壤檢測(cè)裝置。裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易組裝和拆解，方便測(cè)試人員攜帶和使用。

2 便攜式土壤檢測(cè)裝置總體設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)

便攜式土壤檢測(cè)裝置主要包括主體支撐結(jié)構(gòu)和土壤檢測(cè)儀器兩部分，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

主體支撐結(jié)構(gòu)用于支撐和保持土壤檢測(cè)儀器在垂直方向穩(wěn)定工作，其由外環(huán)、內(nèi)環(huán)、支撐架和限位護(hù)套組成。內(nèi)環(huán)設(shè)置于外環(huán)內(nèi)，二者同心。內(nèi)環(huán)和外環(huán)頂部設(shè)有支撐架，支撐架頂部中心位置設(shè)有與內(nèi)環(huán)同心的限位護(hù)套。外環(huán)上設(shè)有入滲率傳感器，內(nèi)環(huán)和外環(huán)的端面均與土壤接觸。沿外環(huán)圓周設(shè)有間隔均勻的定位套和定位釬，通過(guò)定位釬穿過(guò)定位套插入土壤內(nèi)，可將整個(gè)裝置固定于地面上。限位護(hù)套為套筒結(jié)構(gòu)，可對(duì)土壤檢測(cè)儀器在垂直方向限位，確保采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

土壤檢測(cè)儀器包括土壤緊實(shí)度儀和地鉆，還可配管式土壤檢測(cè)儀。土壤緊實(shí)度儀為外購(gòu)件，用于測(cè)量土壤緊實(shí)度。土壤緊實(shí)度儀上連接有帶齒條的連接桿，限位護(hù)套上連接緊實(shí)度儀調(diào)節(jié)扳手，調(diào)節(jié)扳手一端安裝有與齒條配合的齒輪，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)緊實(shí)度儀調(diào)節(jié)扳手的把手端，帶動(dòng)齒輪齒條配合傳動(dòng)，控制穿過(guò)限位護(hù)套的土壤緊實(shí)度儀沿限位護(hù)套上下運(yùn)動(dòng)作業(yè)。地鉆用于對(duì)被測(cè)地塊土壤進(jìn)行垂直挖掘，挖掘深度為600 mm。地鉆一端為鉆頭，另一端預(yù)留有電機(jī)安裝位，靠近電機(jī)安裝位置設(shè)有手動(dòng)旋轉(zhuǎn)把手，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)挖掘和電動(dòng)挖掘兩種作業(yè)模式。

2.2 工作過(guò)程

1） 使用時(shí)，先將主體支撐結(jié)構(gòu)放置于被測(cè)地表，將4根定位釬與外環(huán)上的定位套相連接，將定位釬完全釘入土壤中。通過(guò)觀察定位釬頂端配置的水平尺，確保主體支撐結(jié)構(gòu)與地面垂直。

2） 將緊實(shí)度儀穿入限位護(hù)套，確保緊實(shí)度儀與被測(cè)地表垂直。搖動(dòng)緊實(shí)度儀調(diào)節(jié)扳手，使緊實(shí)度儀勻速垂直向下運(yùn)動(dòng)，從而測(cè)得不同深度下土壤的緊實(shí)度數(shù)據(jù)。

3） 緊實(shí)度數(shù)據(jù)采集完成后，將土壤緊實(shí)度儀取出，將地鉆穿入限位護(hù)套，確保地鉆垂直地表向下進(jìn)行挖掘工作。手動(dòng)模式下，工作人員旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)頂部把手使地鉆工作;電動(dòng)模式下，將電機(jī)與地鉆頂部進(jìn)行連接，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)地鉆工作。通過(guò)地鉆上方連接桿上配置的刻度儀實(shí)時(shí)觀察地鉆下探深度。地鉆開(kāi)孔直徑為60 mm，可以避免土壤大面積擾動(dòng)。

4） 地鉆開(kāi)孔結(jié)束后，將地鉆與主體支撐結(jié)構(gòu)分離，取出限位護(hù)套，將管式土壤檢測(cè)儀穿過(guò)限位護(hù)套，置于地鉆挖掘出的穴中，可一次性測(cè)得不同深度下土壤的溫度、濕度、電導(dǎo)率、氮磷鉀、鹽分等參數(shù)。

5） 測(cè)得上述土壤參數(shù)后，在外環(huán)與內(nèi)環(huán)之間的間隔中加注清水，通過(guò)設(shè)置在外環(huán)上的入滲率傳感器測(cè)量土壤的入滲率。

3 便攜式土壤檢測(cè)裝置使用效果

1） 便攜式土壤檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于工作人員攜帶。主體支撐結(jié)構(gòu)及其上的限位結(jié)構(gòu)起到支撐和在垂直于土壤表面方向限制土壤檢測(cè)儀器運(yùn)行的作用，能夠保證土壤檢測(cè)儀器垂直入土、降低操作難度，同時(shí)保證測(cè)試環(huán)境理想和提高測(cè)試準(zhǔn)確度。

2） 設(shè)置定位結(jié)構(gòu)，通過(guò)定位釬穿過(guò)定位套插入土壤內(nèi)，將主體支撐結(jié)構(gòu)固定于地面上，確保主體支撐結(jié)構(gòu)與地面垂直。

3） 限位護(hù)套上連接緊實(shí)度儀調(diào)節(jié)扳手，在限位的同時(shí)控制土壤緊實(shí)度儀勻速垂直向下運(yùn)動(dòng)，從而測(cè)得不同深度下土壤的緊實(shí)度參數(shù)。

4） 配備地鉆進(jìn)行土壤挖掘，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和電動(dòng)兩種作業(yè)模式，無(wú)需工作人員使用鐵鍬等工具進(jìn)行挖掘，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

5） 配合管式土壤檢測(cè)設(shè)備對(duì)土壤進(jìn)行檢測(cè)，可一次性測(cè)得不同深度下土壤的溫度、濕度、電導(dǎo)率、氮磷鉀、鹽分等土壤參數(shù)。外環(huán)上還設(shè)有入滲率傳感器，在外環(huán)與內(nèi)環(huán)間隙部分注水，利用入滲率傳感器可以測(cè)得土壤的入滲率。

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Design of A Portable Soil Detection Device

LI Hailong

（Liaoning Institute of Agricultural Mechanization， Shenyang 110161， China）

Abstract： There are many problems in farmland soil sample collection， such as high labor intensity， many equipment， difficult operation to meet the requirements， difficult to ensure the accuracy of the test and so on. A portable soil detection device is designed， and its overall structure， working process and application effect are described. The device can ensure that the soil detection instrument vertically into the soil， reduce the labor intensity of the testing personnel， ensure the ideal of the test environment， and improve the accuracy of the test results.

Key words： soil detection device; structure; working process; use effect; design