一种用于测量土壤压实的试验平台的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于农业耕作技术范围，特别涉及一种用于测量土壤压实的试验平 台。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着我国农机购置补贴和土地流转政策的进一步实施，我国大中型农业 机械保有量持续上升，大大提高了农业生产效率，农业机械化进程有了长足的进步。这些大 中型农业机械在田间工作，提高作业效率的同时破坏土壤结构，导致土壤压实，影响土壤可 持续发展。
[0003] 从20世纪80年代，我国开始进行农田土壤压实方面的研究，经过几十年研究，定 性地总结出了土壤压实过程中土壤物理性状变化规律，而对土壤压实进行定量表达的研究 进展比较缓慢。因为不同地区土壤类型、土壤含水量等条件不同，农机对土壤的压实效应结 果也不同，所以需要发明一种测量土壤压实的方法，来定量测量土壤压实。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型的目的是针对现有技术的不足提供一种用于测量土壤压实的试验平 台，其特征在于，该试验平台是在沿着轮胎行走方向和垂直于轮胎行走方向上一块土壤范 围内设置土槽，在IOcm深的土槽中铺放应力传感器，用于测量轮胎-土壤接触面应力分布； 设置一个土壤剖面，在该土壤剖面上，且在轮胎行走位置，从上至下依次铺放应力传感器， 用于测量不同深度土壤应力变化。
[0005] 所述土壤剖面制作成深度H为lm，长度L为I. 2m的土壤剖面。
[0006] 所述应力传感器是指一种体积为Φ IOmmX 15mm的较小体积的传感器，用于测量 应力大小的传感器，由坚硬的钢铁外壳以及内部的电容式传感器组成；将测得的数据通过 信号放大器和数据采集卡连接到PC机。
[0007] 所述土槽中应力传感器的铺放是在沿着轮胎行走方向土槽中，至少铺放5个应力 传感器；每两个应力传感器之间间隔大于等于5cm ;在垂直于轮胎行走方向的土槽中铺设 5个传感器，传感器间隔距离根据轮胎-土壤接触面印迹宽度决定为测量竖直方向应力传 递，在土壤剖面上的应力传感器安装深度分别为10cm、30cm、50cm、70cm、90cm，即是应力传 感器之间间隔为20cm。
[0008] 本实用新型有益效果是与现有技术比，在田间试验的条件下，通过埋设的应力传 感器对农机作业过程中轮胎-土壤相互作用产生的应力在竖直方向的传递情况，及在轮 胎-土壤接触面应力分布情况进行测量，从而揭示轮胎-土壤接触面应力分布规律和土壤 应力传递规律；具有以下优点：1、实验是在田间农业机械工作环境下完成的，实验环境真 是、客观的体现农业机械对田间土壤碾压情况。2、传感器安装时充分考虑了因为土壤处理 或者传感器铺放引起的实验误差，传感器之间间隔一定距离放置、传感器在剖面安装时距 离剖面一定距离、传感器铺放好之后将表层IOcm 土壤回填压实到原来土壤状态进行实验。 3、在大量实验的基础上进行数据分析，函数拟合，保证了结果的准确性；对土壤应力状态进 行了简单化分析，使复杂的土壤应力状态变得简单易于总结规律。
【附图说明】
[0009] 图1为本实用新型的测量轮胎-土壤接触面应力分布土槽设置和传感器安装示意 图
[0010] 图2为土壤剖面以及传感器安装方式示意图
[0011] 图3为的凿洞法安装传感器示意图
[0012] 图4为土壤应力状态分析示意图，其中a)表示任意角度土壤应力状态分析示意 图；b) 土壤正应力分析示意图；c) 土壤压应力分析示意图。
[0013] 图5为传感器构成及数据传输示意图
【具体实施方式】
[0014] 本实用新型提供一种用于测量土壤压实的试验平台，下面结合附图予以说明。
[0015] 如图1所示，该试验平台是在试验田中设置土槽，用来测量轮胎-土壤接触面应 力分布情况。具体方法是在沿着轮胎行走方向在一定区域内将土壤IOcm以上的表层土壤 清除掉，形成土槽，土槽的尺寸为轮胎-土壤接触面印迹尺寸，深度为IOcm ;将应力传感器 依次铺设到土槽当中，沿着轮胎行走方向，至少铺放5个应力传感器，每两个应力传感器之 间间隔50mm，以防应力传感器距离太近影响土壤应力，并且应力传感器的排列要在土槽的 中间，以便于农机在行走时，在雷达的帮助下轮胎中心行走在应力传感器排列线上面；在垂 直于轮胎行走方向，在土槽中铺设传感器时，铺设5个应力传感器，应力传感器间距根据轮 胎-土壤接触面印迹宽度决定，应力传感器铺设完毕将清除掉的土壤回填到土槽当中，压 实到土壤原始状态。对土壤-轮胎接触面应力测量包括两个方向：沿着轮胎行走方向和垂 直于轮胎行走方向。
[0016] 如图2所示，在土壤剖面的垂直面上，通过凿洞法将传感器通过土壤剖面安装到 土壤当中，为了避免土壤剖面对土壤应力传递的影响；在距离土壤剖面50cm深度处（如图 3所示），从距离土壤表面IOcm深度开始，将传感器由上至下依次间隔20cm嵌入土壤内，即 在10cm、30cm、50cm、70cm、90cm处安装应力传感器；目的是为了测量土壤应力传递规律。
[0017] 图4所示，在土壤应力状态的基础上将土壤应力状态尽可能简单化，将播介质尽 可能理想化进行理论分析（如图4所示的土壤应力状态分析示意图，其中a)表示任意角度 土壤应力状态分析示意图；b) 土壤正应力分析示意图；c) 土壤压应力分析示意图）：
[0018] I1= 〇 χ+σ y+σ ζ= σ ^ σ 2+σ 3此式中，σ χ σ γ σ z代表任意角度土壤应力， 〇 i 〇 2 σ 3代表正应力；
[0021] 其中
代表土 压应力；O表Οχ、Ογ、〇z、。1、。2、G 3的总矛小；
[0023] V为土壤应力传递系数，需要通过大量实验数据进行总结，大量实验数据通过数据 软件的曲线拟合，对土壤应力传递系数进行求解；
[0024] r为轮胎-土壤接触面中心到土壤测试点的直线距离；
[0025] I1 I2 I3为应力不变量，不随坐标的选择而变化的量；
[0026] Θ为土壤测试点与轮胎-土壤接触面中心连线与经过中心的垂直线夹角。
[0027] 如图5所示，土壤应力传感器是指一种体积较小（约为Φ IOmmX 15mm)的可以测 量应力大小的传感器，由坚硬的钢铁外壳以及内部的电容式传感器组成，将测得的数据通 过信号放大器和数据采集卡连接到PC，传感器为动态传感器可以实时准确地将农业机械对 土壤压实过程中，测试点应力变化情况呈现出来，更直观监测土壤压实情况。
[0028] 在田间试验的条件下，通过埋设的应力传感器对农机作业过程中轮胎-土壤相互 作用产生的垂直方向的应力及在轮胎-土壤接触面应力分布情况进行测量；通过对被测土 壤的剖面，测量不同深度土层应力大小，从而揭示轮胎-土壤接触面应力分布规律和土壤 应力传递规律。
【主权项】
1. 一种用于测量土壤压实的试验平台，其特征在于，该试验平台是在沿着轮胎行走方 向和垂直于轮胎行走方向上一块土壤范围内设置土槽，10cm深的土槽中铺放应力传感器， 用于测量轮胎-土壤接触面应力分布；设置一个土壤剖面，在该土壤剖面上，且在轮胎行走 位置，从上至下依次铺放应力传感器，用于测量不同深度土壤应力变化。2. 根据权利要求1所述一种用于测量土壤压实的试验平台，其特征在于，土壤剖面制 作成深度H为lm，长度L为1. 2m的土壤剖面。3. 根据权利要求1所述一种用于测量土壤压实的试验平台，其特征在于，应力传感器 是指一种体积为（}> l〇_X 15_的较小体积的传感器，用于测量应力大小的传感器，由坚硬 的钢铁外壳以及内部的电容式传感器组成；将测得的数据通过信号放大器和数据采集卡连 接到PC机。4. 根据权利要求1所述一种用于测量土壤压实的试验平台，其特征在于，为测轮胎-土 壤接触面应力分布规律，土槽中应力传感器的铺放分为沿着轮胎行走方向和垂直于轮胎 行走方向，沿着轮胎行走方向间隔铺放至少5个应力传感器，每两个应力传感器之间间隔 大于等于5cm ;垂直于轮胎行走方向，传感器铺设个数为5个，传感器之间间距根据接触面 宽度确定；为测量竖直方向应力传递，在土壤剖面上的应力传感器安装深度分别为l〇cm、 30cm、50cm、70cm、90cm，即是应力传感器之间间隔为20cm。
【专利摘要】本实用新型公开了属于农业耕作技术范围的一种用于测量土壤压实的试验平台，该试验平台是在一块土壤范围内设置土槽，土槽大小为轮胎-土壤接触面印迹，在土槽中铺设传感器时，按照沿着轮胎行走方向和垂直于轮胎行走方向两个方向分别成“直角”铺设，通过对两个方向土壤应力的测量揭示轮胎-土壤接触面应力分布规律；通过对被测土壤的剖面，测量不同深度土层应力大小，从而揭示土壤应力传递规律；本实用新型的试验是在田间农业机械工作环境下完成的，试验环境真实、客观的体现农业机械对田间土壤碾压情况。对土壤应力状态进行了简单化分析，使复杂的土壤应力状态变得简单易于总结规律。
【IPC分类】G01L1/14, G01N33/24
【公开号】CN204989174
【申请号】CN201520584873
【发明人】王庆杰, 王宪良, 李洪文, 何进, 李问盈, 张翼夫, 郑侃
【申请人】中国农业大学
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年8月5日