专利名称：三轴向土壤高光谱成像实验台的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种采集土壤高光谱图像的实验装置，特别是一种适用于土壤光
谱多点定位式扫描检测的三轴向土壤高光谱成像实验台。
背景技术：
土壤光谱是土壤理化性质综合作用的一种显现形式，采用高光谱图像技术来检测 土壤理化性质已成为土壤学研究的一种新方法和新手段。在UV-Vis-NIR(200 2500nm) 范围内，不同类型土壤的光谱特征差异较为明显， 一般采用提取土壤试验剖面样本来进行 检测，多点定位扫描检测结果的准确性较高。土壤剖面样本的最大尺寸为长250mm，宽 1500mm，重量在100kg左右。采用的USB4000及NIR256-25型分光计作为高光谱成像装置， 光纤探头的视场角为25° ，孔径最小为3mm，在20 200mm物距条件下，测量范围直径最小 为47mm，要拍摄整个土壤剖面样本需要先对土壤样本进行多点定位式扫描成像，再通过计 算机进行拼接，完成土壤剖面样本光谱的分析与研究。目前国外SisuROCK等成像扫描装置 在X轴方向采用平台台面移动的方式进行定位，扫描长度在1200mm以内，而承重能力也受 台面的驱动能力限制，这种方式下土壤剖面样本的扫描范围和平台的承重能力无法满足土 壤剖面样本高光谱成像实验的要求，在国内还未有土壤光谱多点定位扫描检测实验设备的 开发与应用。因此，针对土壤高光谱成像试验的需求，研制开发一种适用于三轴向多点定位 式扫描检测的三轴向土壤高光谱成像实验台，能快速、准确、连续、在线地对土壤高光谱信 号进行采集与检测，对土壤分析与研究具有重要的科学意义和广阔的应用前景。
发明内容本实用新型的目的是设计一种适用于土壤理化性质高光谱成像试验的三轴向土 壤高光谱成像实验台，是针对目前国外土壤剖面样本成像扫描装置的扫描范围较小和平台 承重能力有限，且国内尚无类似实验装置等问题，提供一种最大扫描长度可达到1500mm，承 重能力达到100kg，有自动控制功能的三轴向土壤高光谱成像实验台。该实验台具有结构合 理、扫描范围广、采集速度快、测试精度高、使用成本低、一机多用等特点，可快速、准确、连 续、在线地对土壤高光谱信号进行采集与检测，能够实现X轴、Y轴、Z轴方向的可控准确定 位，且X轴、Y轴方向上的扫描路径自动生成，对土壤分析与研究具有重要的科学意义和广 阔的应用前景。 本实用新型的目的是这样实现的三轴向土壤高光谱成像实验台由机架总成、工 作台面、光源与探头固定装置、Y轴方向运动系统、Z轴方向运动系统、龙门桁架、X轴方向运 动系统等组成。机架总成的顶部固定有工作台面，X轴方向运动系统设置在机架总成内，X 轴方向运动系统联结有龙门桁架，龙门桁架顶部平行设置有Y轴方向运动系统，Y轴方向运 动系统上垂直联结有Z轴方向运动系统，光源与探头固定装置设置在Z轴方向运动系统上。 机架总成由机架直角固定件、纵向铝合金异型梁、横向铝合金异型梁、X轴位移拖 链承载导轨、X轴方向运动系统固定基准杆、机架垂直支撑立柱、X轴方向运动系统固定支架等组成。4根纵向铝合金异型梁与4根横向铝合金异型梁通过机架直角固定件分上下两 层分别与机架垂直支撑立柱联结，4根X轴方向运动系统固定基准杆分别联结在4根机架垂 直支撑立柱的内侧，2根X轴位移拖链承载导轨的两端分别固定在X轴方向运动系统固定基 准杆上，纵向铝合金异型梁上设置有X轴方向运动系统固定支架。 龙门桁架由左侧支承板、Y轴方向运动系统固定横梁、右侧支承板、X轴方向运动 系统拖带横梁等组成。Y轴方向运动系统固定横梁与X轴方向运动系统拖带横梁的左侧分 别与左侧支承板联结，Y轴方向运动系统固定横梁与X轴方向运动系统拖带横梁的右侧分 别与右侧支承板联结。 X轴位移运动系统由X轴滚珠丝杆前固定装置、X轴滚珠丝杆联轴器、X轴驱动步 进电机、X轴驱动步进电机安装支架、X轴方向运动系统固定支架横梁、X轴左极限限位行程 开关、X轴复位原点检测光电传感器、X轴直线滑动导轨、导轨滑块、X轴右极限限位行程开 关、X轴滚珠丝杆后固定装置、X轴滚珠丝杆滑块、X轴滚珠丝杆等组成。X轴驱动步进电机 安装在X轴驱动步进电机安装支架上，X轴驱动步进电机通过X轴滚珠丝杆联轴器与X轴滚 珠丝杆联结，左右2根X轴直线滑动导轨分别与X轴滚珠丝杆前固定装置和X轴滚珠丝杆 后固定装置的两端联结，X轴滚珠丝杆的两端分别安装在X轴滚珠丝杆前固定装置和X轴 滚珠丝杆后固定装置上，X轴滚珠丝杆上设置有X轴滚珠丝杆滑块，X轴直线滑动导轨上设 置有导轨滑块，右侧x轴直线滑动导轨侧面的两端分别安装有X轴左极限限位行程开关和
x轴后极限限位行程开关，x轴左极限限位行程开关旁间隔安装有x轴复位原点检测光电传感器。 Y轴位移运动系统由Y轴滚珠丝杆后固定装置、Y轴左极限限位行程开关、Y轴滚 珠丝杆滑块、Y轴直线滑动导轨、Y轴滚珠丝杆前固定装置、Y轴复位原点检测光电传感器、Y 轴右极限限位行程开关、Y轴方向运动系统框架、Y轴驱动步进电机、Y轴滚珠丝杆联轴器、 Y轴滚珠丝杆等组成。Y轴驱动步进电机安装在Y轴方向运动系统框架上，Y轴驱动步进电 机通过Y轴滚珠丝杆联轴器与Y轴滚珠丝杆联结，Y轴滚珠丝杆的两端分别安装在Y轴滚 珠丝杆前固定装置和Y轴滚珠丝杆后固定装置上，Y轴直线滑动导轨安装在Y轴滚珠丝杆 的两边并固定在Y轴方向运动系统框架上，Y轴滚珠丝杆和Y轴直线滑动导轨上安装Y轴 滚珠丝杆滑块，Y轴方向运动系统框架侧面的两端分别安装有Y轴左极限限位行程开关和Y 轴右极限限位行程开关，Y轴右极限限位行程开关旁边间隔一定距离安装有Y轴复位原点 检测光电传感器。 光源与探头固定装置由Z轴方向左侧垂直运动滑板、光源与探头固定装置安装支 架、Z轴方向右侧垂直运动滑板组成。光源与探头固定装置安装支架的两侧分别固定有Z轴 方向左侧垂直运动滑板和Z轴方向左侧垂直运动滑板。 试验准备时，采集整体的土壤剖面样本放置在工作台面上，根据试验的多点定位 扫描检测要求，通过计算机编制X轴位移运动系统、Y轴位移运动系统的移动控制顺序、速 度和采样定位点，调节Z轴方向运动系统来控制光源与探头固定装置的采样距离与范围。 测试工作时，土壤剖面样本与工作台面固定不动，在计算机的控制下，X轴位移运 动系统拖动龙门桁架进行X轴方向的移动，龙门桁架上的Y轴位移运动系统拖动联结在Z 轴方向运动系统上的光源与探头固定装置进行Y轴方向的移动，实现X轴、Y轴、Z轴方向的 可控准确定位，且X轴、Y轴方向上的扫描路径自动生成，通过计算机控制Z轴方向运动系
4统，Z轴方向运动系统拖动光源与探头固定装置进行Z轴方向的移动，调节光源与探头的扫 描距离，保障土壤高光谱成像的准确性和检测范围，快速、准确、连续、在线地对土壤高光谱 信号进行采集与检测。 该实验台还可作为其它物料检测的试验装置，将被检测物料放置在工作台面上， 通过光源与探头固定装置安装各类传感器，如高光谱分光计、CCD机器视觉传感器、近红外 光谱传感器、超声波传感器等，来完成其他物料的物理与化学性质检测与分析研究，实现一 机多用。 本实用新型的三轴向土壤高光谱成像实验台的优点是解决了国内外现有设备 在土壤检测领域中土壤剖面样本成像扫描装置扫描范围较窄和平台承重能力较小等问题， 该实验台具有自动控制功能，最大X轴方向扫描长度为1500mm，最大Y轴方向扫描长度为 350mm， Z轴方向的光源与探头固定装置的检测距离和范围可调，平台承重能力达到100kg， 适用于三轴向多点定位式扫描检测的三轴向土壤高光谱成像，也可通过变换传感器对其它 物料进行检测，实现一机多用。该实验台具有结构合理、扫描范围广、采集速度快、测试精度 高、使用成本低等特点，并能够实现X轴、Y轴、Z轴方向的可控准确定位，且X轴、Y轴方向 上的扫描路径自动生成，可快速、准确、连续、在线地对土壤高光谱信号进行采集与检测，对 土壤分析与研究具有重要的科学意义和广阔的应用前景。
本实用新型的具体结构由以下实施例及附图给出。
图1是本实用新型的三轴向土壤高光谱成像实验台的结构示意图。 图2是本实用新型的机架总成的结构示意图。 图3是本实用新型的龙门桁架的结构示意图。 图4是本实用新型的X轴方向运动系统的结构示意图。 图5是本实用新型的Y轴方向运动系统的结构示意图。 图6是本实用新型的光源与探头固定装置的结构示意图。 下面结合图1、图2、图3、图4、图5、图6对本实用新型详细说明。 图中1、机架总成，2、工作台面，3、光源与探头固定装置，4、Y轴方向运动系统，5、Z
轴方向运动系统，6、龙门桁架，7、X轴方向运动系统，8、机架直角固定件，9、纵向铝合金异型
梁，10、横向铝合金异型梁，11、 X轴位移拖链承载导轨，12、 X轴方向运动系统固定基准杆，
13、机架垂直支撑立柱，14、 X轴方向运动系统固定支架，15、左侧支承板，16、 Y轴方向运动
系统固定横梁，17、右侧支承板，18、 X轴方向运动系统拖带横梁，19、 X轴滚珠丝杆前固定装
置，20、X轴滚珠丝杆联轴器，21、X轴驱动步进电机，22、X轴驱动步进电机安装支架，23、X轴
方向运动系统固定支架横梁，24、 X轴左极限限位行程开关，25、 X轴复位原点检测光电传感
器，26、 X轴直线滑动导轨，27、导轨滑块，28、 X轴右极限限位行程开关，29、 X轴滚珠丝杆后
固定装置，30、 X轴滚珠丝杆滑块，31、 X轴滚珠丝杆，32、 Y轴滚珠丝杆后固定装置，33、 Y轴
左极限限位行程开关，34、 Y轴滚珠丝杆滑块，35、 Y轴直线滑动导轨，36、 Y轴滚珠丝杆前固
定装置，37、 Y轴复位原点检测光电传感器，38、 Y轴右极限限位行程开关，39、 Y轴方向运动
系统框架，40、 Y轴驱动步进电机，41 、 Y轴滚珠丝杆联轴器，42、 Y轴滚珠丝杆，43、 Z轴方向
左侧垂直运动滑板，44、光源与探头固定装置安装支架，45、Z轴方向右侧垂直运动滑板具体实施方式如图1所示机架总成1的顶部固定有工作台面2， X轴方向运动系统7设置在机 架总成1内，X轴方向运动系统7上联结龙门桁架6，龙门桁架6顶部平行设置有Y轴方向 运动系统4， Y轴方向运动系统4上垂直联结有Z轴方向运动系统5，光源与探头固定装置3 设置在Z轴方向运动系统5上。 如图2所示4根纵向铝合金异型梁9与4根横向铝合金异型梁10通过机架直角 固定件8分上下两层分别与机架垂直支撑立柱13联结，4根X轴方向运动系统固定基准杆 12分别联结在4根机架垂直支撑立柱13的内侧，2根X轴位移拖链承载导轨11的两端分 别固定在X轴方向运动系统固定基准杆12上，纵向铝合金异型梁9上设置有X轴方向运动 系统固定支架14。 如图3所示Y轴方向运动系统固定横梁16与X轴方向运动系统拖带横梁18的 左侧分别与左侧支承板15联结，Y轴方向运动系统固定横梁16与X轴方向运动系统拖带 横梁18的右侧分别与右侧支承板17联结。 如图4所示X轴驱动步进电机21安装在X轴驱动步进电机安装支架22上，X轴 驱动步进电机21通过X轴滚珠丝杆联轴器20与X轴滚珠丝杆31联结，左右2根X轴直线 滑动导轨26分别与X轴滚珠丝杆前固定装置19和X轴滚珠丝杆后固定装置29的两端联 结，X轴滚珠丝杆31的两端分别安装在X轴滚珠丝杆前固定装置19和X轴滚珠丝杆后固 定装置29上，X轴滚珠丝杆31上设置有X轴滚珠丝杆滑块30， X轴直线滑动导轨26上设 置有导轨滑块27，右侧X轴直线滑动导轨26侧面的两端分别安装有X轴左极限限位行程开 关24和X轴后极限限位行程开关28， X轴左极限限位行程开关24旁间隔安装有X轴复位 原点检测光电传感器25。 如图5所示Y轴驱动步进电机40安装在Y轴方向运动系统框架39上，Y轴驱动 步进电机40通过Y轴滚珠丝杆联轴器41与Y轴滚珠丝杆42联结，Y轴滚珠丝杆42的两 端分别安装在Y轴滚珠丝杆前固定装置36和Y轴滚珠丝杆后固定装置32上，Y轴直线滑 动导轨35安装在Y轴滚珠丝杆42的两边并固定在Y轴方向运动系统框架39上，Y轴滚珠 丝杆42和Y轴直线滑动导轨35上安装Y轴滚珠丝杆滑块34， Y轴方向运动系统框架39侧 面的两端分别安装有Y轴左极限限位行程开关33和Y轴右极限限位行程开关38， Y轴右极 限限位行程开关38旁边间隔一定距离安装有Y轴复位原点检测光电传感器37。 如图6所示光源与探头固定装置安装支架44的两侧分别固定有Z轴方向左侧垂 直运动滑板43和Z轴方向左侧垂直运动滑板43。
权利要求三轴向土壤高光谱成像实验台，是由机架总成、工作台面、光源与探头固定装置、Y轴方向运动系统、Z轴方向运动系统、龙门桁架、X轴方向运动系统等组成，其特征在于机架总成的顶部固定有工作台面，X轴方向运动系统设置在机架总成内，X轴方向运动系统联结有龙门桁架，龙门桁架顶部平行设置有Y轴方向运动系统，Y轴方向运动系统上垂直联结有Z轴方向运动系统，光源与探头固定装置设置在Z轴方向运动系统上。
2. 如权利要求1所说的三轴向土壤高光谱成像实验台，其特征在于机架总成由机架 直角固定件、纵向铝合金异型梁、横向铝合金异型梁、X轴位移拖链承载导轨、X轴方向运动 系统固定基准杆、机架垂直支撑立柱、X轴方向运动系统固定支架等组成。4根纵向铝合金 异型梁与4根横向铝合金异型梁通过机架直角固定件分上下两层分别与机架垂直支撑立 柱联结，4根X轴方向运动系统固定基准杆分别联结在4根机架垂直支撑立柱的内侧，2根X 轴位移拖链承载导轨的两端分别固定在X轴方向运动系统固定基准杆上，纵向铝合金异型 梁上设置有X轴方向运动系统固定支架。
3. 如权利要求1所说的三轴向土壤高光谱成像实验台，其特征在于X轴位移运动系 统由X轴滚珠丝杆前固定装置、X轴滚珠丝杆联轴器、X轴驱动步进电机、X轴驱动步进电机 安装支架、X轴方向运动系统固定支架横梁、X轴左极限限位行程开关、X轴复位原点检测光 电传感器、X轴直线滑动导轨、导轨滑块、X轴右极限限位行程开关、X轴滚珠丝杆后固定装 置、X轴滚珠丝杆滑块、X轴滚珠丝杆等组成。X轴驱动步进电机安装在X轴驱动步进电机 安装支架上，X轴驱动步进电机通过X轴滚珠丝杆联轴器与X轴滚珠丝杆联结，左右2根X 轴直线滑动导轨分别与X轴滚珠丝杆前固定装置和X轴滚珠丝杆后固定装置的两端联结， X轴滚珠丝杆的两端分别安装在X轴滚珠丝杆前固定装置和X轴滚珠丝杆后固定装置上，X 轴滚珠丝杆上设置有x轴滚珠丝杆滑块，X轴直线滑动导轨上设置有导轨滑块，右侧X轴直 线滑动导轨侧面的两端分别安装有x轴左极限限位行程开关和X轴后极限限位行程开关， X轴左极限限位行程开关旁间隔安装有X轴复位原点检测光电传感器。
4. 如权利要求l所说的三轴向土壤高光谱成像实验台，其特征在于Y轴位移运动系统 由Y轴滚珠丝杆后固定装置、Y轴左极限限位行程开关、Y轴滚珠丝杆滑块、Y轴直线滑动导 轨、Y轴滚珠丝杆前固定装置、Y轴复位原点检测光电传感器、Y轴右极限限位行程开关、Y 轴方向运动系统框架、Y轴驱动步进电机、Y轴滚珠丝杆联轴器、Y轴滚珠丝杆等组成。Y轴 驱动步进电机安装在Y轴方向运动系统框架上，Y轴驱动步进电机通过Y轴滚珠丝杆联轴 器与Y轴滚珠丝杆联结，Y轴滚珠丝杆的两端分别安装在Y轴滚珠丝杆前固定装置和Y轴 滚珠丝杆后固定装置上，Y轴直线滑动导轨安装在Y轴滚珠丝杆的两边并固定在Y轴方向 运动系统框架上，Y轴滚珠丝杆和Y轴直线滑动导轨上安装Y轴滚珠丝杆滑块，Y轴方向运 动系统框架侧面的两端分别安装有Y轴左极限限位行程开关和Y轴右极限限位行程开关， Y轴右极限限位行程开关旁边间隔一定距离安装有Y轴复位原点检测光电传感器。
专利摘要本实用新型是一种三轴向土壤高光谱成像实验台，由机架总成、工作台面、光源与探头固定装置、Y轴方向运动系统、Z轴方向运动系统、龙门桁架、X轴方向运动系统和光源及探头固定装置等组成，机架总成上部固定工作台面，X轴方向运动系统设置在机架总成内，X轴方向运动系统联结龙门桁架，龙门桁架顶部平行设置Y轴方向运动系统，Z轴方向运动系统垂直联结在Y轴方向运动系统上并设置光源与探头固定装置。该实验台具有自动控制功能，能实现X轴、Y轴、Z轴方向的准确定位，且X轴、Y轴方向上的扫描路径自动生成，适用于土壤高光谱成像的多点定位，具有结构合理、测试精度高、适用范围广等特点，对土壤分析与研究具有重要的科学意义和应用前景。
文档编号G01N21/01GK201527394SQ200920087238
公开日2010年7月14日 申请日期2009年7月13日 优先权日2009年7月13日
发明者向易华, 李小昱, 梁秀英, 汪善勤, 王为, 陈烨, 高云 申请人:华中农业大学