车载式土壤快速采样系统及适配的土壤采样方法

1.本发明涉及土壤采样领域,尤其是一种车载式土壤快速采样系统及一种适配于车载式土壤快速采样系统的土壤取样方法。


背景技术：

2.土壤是人类赖以生存的重要自然资源，事关粮食安全、生态安全。同时，与大气污染、水资源污染相比，土壤污染更具隐蔽性、长期性、潜伏性和不可逆转性，成为污染防治攻坚战中最难缠的“敌人”。近年来，无论是农用地还是建设用地，频发污染事故，加剧了人们对“脚下土地环境”的关注。
3.我国的土壤取样主要依靠人工实地采样的方法，劳动强度大、效率低，因此为提高土壤采样的工作效率，降低人工的劳动强度，节省土壤检测的时间，亟待研究出一种可代替人工采样的自动化土壤采样装置，这对保护我国土壤环境，促进农业可持续发展，保障我国的经济繁荣和社会稳定具有重要意义。
4.目前存在的螺旋式挖土机器多是针对植树造林、作物种植等对象而设计研发的，且多不具备运土、存土的功能，而本研究就是想要在全面了解当前螺旋式挖土机器使用及研发的基础上。在现有机器结构上进行创新设计，针对取土点环境复杂多样，土壤质地不一等问题，从而设计一种适用于土壤采样专用的挖、运一体的机构。此项发明不仅可以有效提高现有人工采样的工作效率，而且可以为今后的土壤取样机械研究提供新的思路和方向。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有人工实地挖土取样方法中，存在劳动强度大、效率低的问题，提供一种车载式土壤快速采样系统，该系统结构简单，移动灵活方便，可大幅提高挖土取样的效率，另外提供一种适配于车载式土壤快速采样系统的土壤采样方法，可配合所述采样系统使用，操作简便，在工作过程中实现自动控制，简单实用，降低工作人员劳动强度，大幅提高挖土取样的效率，且可将数据实时上传云端服务器，为后续土壤检测信息追溯环节提供数据支撑。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现：
7.一种车载式土壤快速采样系统,其结构主要包括整机机架，在所述整机支架上设有水平移动装置、回转支撑平台、取土执行装置。
8.所述的水平移动装置，其结构包含滚珠丝杠、滑轨、滑块、承载板、丝杠液压马达，所述滑块设于滑轨上，且与滚珠丝杠连接，所述滑块与承载板固定连接，所述滑块及承载板在滚珠丝杠的带动下，在所述滑轨上可前后移动位置。
9.所述的回转支撑平台，固定于所述承载板上方，其结构主要包含回转支撑轴承、转面板、回转支撑液压马达，在所述转面板上连接有旋伸臂，所述旋伸臂为双臂，结构主要包含支撑柱、旋伸内臂、旋伸外臂、限位板，所述旋伸外臂一端与旋伸内臂相铰接，所述限位板固定于旋伸内臂上并负责旋伸外臂旋转角度的限位，在土壤采样时，所述的旋伸臂起到支
撑所述的取土执行装置的作用。
10.所述的取土执行装置，主要包含支撑框架、采样装置，所述的支撑框架包含垂直立轨、立轨护框，所述垂直立轨套在立轨护框内可上下滑动，所述立轨护框与所述垂直立轨的下端部之间设有立轨液压缸，所述立轨护框设有竖向滑轨，所述垂直立轨上设有采样支撑架，所述采样支撑架与垂直立轨之间设有螺旋钻液压缸，所述立轨护框与所述旋伸外臂连接,所述转面板与立轨护框之间设有旋伸液压缸；所述采样装置设于所述采样支撑架上，其结构主要包含螺旋钻液压马达、螺旋钻、螺旋钻套筒、出土口、样品袋；所述螺旋钻设于螺旋钻套筒内，所述螺旋钻通过转接头与所述螺旋钻液压马达的动力输出轴相连接，所述出土口设于螺旋钻套筒一侧，所述样品袋可拆卸地连接于所述出土口上。
11.作为优选，所述样品袋上贴有二维码标签，还配套设有二维码生成器。
12.作为优选，所述螺旋钻套筒的底部呈锯齿状，减小入土阻力。
13.作为优选，所述的出土口两边设有样品袋夹子，用于夹持样品袋口，使出土口排出的土壤样本进入到样品袋里。
14.作为优选，在所述的螺旋钻液压缸上设有限位模块，主要包括位移传感器和比例阀，所述比例阀安装在螺旋钻液压缸的进油口处，用于控制油的流量；所述位移传感器安装在螺旋钻液压缸缸体上，用于精确测量油缸的位移和相对位置。
15.作为优选，还包括液压站、工控机、遥控器、卫星定位器。在所述的垂直立轨底部设有导向环，所述的螺旋钻套筒从所述的导向环中穿过，用于取土过程中的导向。
16.一种适配于所述的车载式土壤快速采样系统的土壤采样方法，主要包括以下应用步骤：
17.(1)、将车载式土壤快速采样系统，通过整机机架固定安装于机车车斗，布置液压站、遥控器、二维码生成器、卫星定位器，并且通过线路与工控机相连接，启动机车发动机给工控机上电，工控机自动运行；
18.(2)、由所述的液压站提供液压动力，通过遥控器控制各液压执行元件，操作遥控器将取土执行装置从车斗上放下，具体包括:通过所述丝杠液压马达控制所述滑块水平移动装置,实现取土执行装置前后移动位置；通过所述的回转支撑液压马达控制所述的回转支撑平台，实现回转支撑平台旋转角度的调节；通过所述旋伸液压缸控制所述旋伸外臂的旋转伸收，通过所述立轨液压缸控制垂直立轨向下接触地面,通过所述螺旋钻液压缸带动螺旋钻升降；通过所述螺旋钻液压马达带动螺旋钻旋转；将样品袋夹持在取土执行装置的出土口，开始取样，取样过程中限位模块负责取土深度的限位；
19.(3)、操作遥控器利用取土执行装置进行多样点土壤样本的采集，取样时，通过卫星定位器获取地理经纬度坐标信息，根据位置信息，通过二维码生成器生成样品二维码标签，并贴于样品袋上，然后封装保存样品；
20.(4)、最后经由工控机对数据进行处理，得到样品采集位置信息以及二维码标签信息，将上述信息数据定时上传至云端服务器，为后续土壤检测信息追溯环节提供数据支撑。
21.本发明所述的车载式土壤快速采样系统，通过所述的整机支架焊接固定在所述的机车后斗上；所述的机车通过导航，驱车到达指定样点。
22.本发明的液压传动系统主要包括：液压站、液压电磁阀以及丝杠液压马达，回转支撑液压马达，螺旋钻液压马达、旋伸液压缸、立轨液压缸、螺旋钻液压缸组成。通过遥控器控
制各液压执行元件，满足所述的土样采样装置的动力条件。
23.所述的水平移动装置、回转支撑平台、取土执行装置都通过螺栓固定在所述的整机支架上。
24.所述的水平移动装置位于所述的回转支撑平台下方，通过所述的螺栓固定进行衔接，主要由两根滑轨配4个滑块以及一根滚珠丝杠组成，作用是满足所述整机采样系统在水平面上前后移动的要求；所述的水平移动装置是通过所述的滚珠丝杠与所述的丝杠液压马达通过联轴器相连，从而由所述的液压马达带动实现所述水平移动装置的直线移动功能。
25.所述的回转支撑平台通过螺栓固定在所述的水平移动装置上方，包括一套回转支撑轴承以及一个转面板。所述的回转支撑平台通过蜗轮蜗杆机构与所述的回转支撑液压马达相连，通过所述的回转支撑液压马达带动所述的回转支撑平台，实现所述的回转支撑平台的旋转功能。
26.所述的旋伸臂是双臂，结构包括支撑柱、加强筋、旋伸内臂、旋伸外臂、斜撑板、限位板以及横梁组成。所述的支撑柱通过所述的加强筋与所述的旋伸内臂通过焊接的方式相连接；所述支撑柱通过焊接固定在所述的转面板上，所述的横梁通过焊接固定在所述的旋伸外臂中间，所述旋伸外臂通过圆柱销与旋伸内臂相铰接，以圆柱销为中心,可实现垂直方向的上下角度旋转的调节，所述限位板固定于旋伸内臂上并负责旋伸外臂旋转角度的限位，在土壤采样时，所述的旋伸臂起到支撑所述的取土执行装置的作用。
27.所述的取土执行装置，主要包括垂直立轨、立轨护框、采样支撑架、轴承、转接头、螺旋钻、螺旋钻套筒、夹子、导向环、限位模块等；所述的立轨护框两边都有焊接的液压支撑座，所述的垂直立轨通过液压支撑座连接所述的立轨液压缸，从而固定在所述的立轨护框内，工作时通过遥控器控制立轨液压缸下伸，使垂直立轨接触到地面，从而使取土过程中振幅不至于太大。
28.所述的立轨护框通过焊接的方式固定在所述的旋伸外臂中间的横梁上，并通过所述的斜撑板支撑，所述的采样支撑架上方焊接有液压支撑座，通过液压支撑座连接所述的螺旋钻液压缸，并通过圆柱销与r形销与所述的垂直立轨相连接，所述的螺旋钻液压马达以及轴承通过螺栓固定在采样支撑架内，而所述的螺旋钻套筒则通过螺栓固定在采样支撑架底部。
29.所述的夹子通过焊接固定在所述的螺旋钻套筒的出土口处，所述的螺旋钻穿过所述的螺旋钻套筒内部，通过转接头与所述的螺旋钻液压马达相连。从而实现由所述的螺旋钻液压马达带动所述的螺旋钻转动，所述的螺旋钻液压缸带动螺旋钻升降。
30.所述的限位模块的结构主要包括位移传感器和比例阀，比例阀安装在螺旋钻液压缸的进油口处，能控制油流量,接近目标时减小流量,使油缸逐渐停止,防止过冲。位移传感器安装在螺旋钻液压缸缸体上，可精确测量油缸的位移和相对位置。同时配有依据位移传感器和比例阀的控制系统，可实现螺旋钻液压缸工作距离的精确限位。而所述的导向环通过焊接固定在垂直立轨底部，所述的螺旋钻套筒从所述的导向环中穿过，从而实现取土过程中的导向作用。
31.所述的二维码标签，是代表所采土壤样本的相关信息，是由二维码生成器生成。后期可通过此二维码标签查询土壤相关信息，主要包括但不限于土壤样本的采集地点经纬度、采集时间、采集人员、土壤各种参数等。
32.所述的卫星定位器，设置在所述机车的顶部，用于回传每个取土点的位置坐标。
33.所述的适配于车载式土壤快速采样系统的土壤采样方法，首先将二维码生成器、卫星定位器通过线路与工控机相连接；取样时，通过卫星定位器获取地理经纬度坐标信息；通过二维码生成器生成样品专属的二维码标签；最后经由工控机对数据进行处理并上传。
34.与现有技术相比，本发明所提供的车载式土壤快速采样系统，其优点在于：是一种针对土壤采样挖、运一体的执行采样装置，且整机装置安装于皮卡车上，移动灵活方便，能够代替现有人工实地挖土取样，另外提出一种适配于所述车载式土壤快速采样系统的土壤采样方法，易于实现与操作，可降低工作人员劳动强度，亦可大幅提高挖土取样的效率。
附图说明
35.图1为本发明实施例1的总装配图。
36.图2为本发明车载式土壤快速采样系统的机械结构组成图。
37.图3是本发明螺旋钻及螺旋钻套筒连接关系结构示意图。
38.图4是本发明样品袋及配套使用的二维码生成器的结构示意图。
39.图5为本发明的工作流程图。
40.图示所示：1为整机支架，2为滑轨，3为滚珠丝杠，4为滑块，5为回转支撑液压马达，6为回转支撑轴承，7为转面板，8为支撑柱，9为加强筋，10为旋伸内臂，11为限位板，12为旋伸液压缸，13为旋伸外臂，14为横梁，15为斜撑板，16为立轨护框，17为垂直立轨，18为螺旋钻液压缸，19为螺旋钻液压马达，20为采样支撑架，21为轴承，22为出土口，23为夹子，24为螺旋钻套筒，25为导向环，26为螺旋钻，27为液压支撑座，28为立轨液压缸，29为丝杠液压马达，30为承载板，31为皮卡车，32为液压站，33为转接头，34为土壤快速采样装置，35为卫星定位器，36为遥控器，37为样品袋，38为二维码标签，39为二维码生成器，40为限位模块。
具体实施方式
41.实施例1：
42.参照附图，一种车载式土壤快速采样系统,其结构主要包括整机机架1，在所述整机支架1上设有水平移动装置、回转支撑平台、取土执行装置；还包括液压站32、工控机、遥控器36、卫星定位器35。
43.本发明所述的车载式土壤快速采样系统，通过所述的整机支架1焊接固定在配套使用的皮卡车31后斗上；所述的皮卡车通过导航，驱车到达指定采样点。所述的卫星定位器35，设置在所述皮卡车31的顶部，其配置用于回传每个取土点的坐标。
44.所述的水平移动装置、回转支撑平台、取土执行装置都通过螺栓固定在所述的整机支架1上。
45.所述的水平移动装置，其结构包含滚珠丝杠3、滑轨2、滑块4、承载板30、丝杠液压马达29，所述滑块4设于滑轨2上，且与滚珠丝杠3连接，所述滑块4与承载板30固定连接，所述滑块4及承载板30在滚珠丝杠3的带动下，在所述滑轨2上可前后移动位置；
46.所述的回转支撑平台，固定于所述承载板30上方，其结构主要包含回转支撑轴承6、转面板7、回转支撑液压马达5，在所述转面板7上连接有旋伸臂，所述旋伸臂为双臂，结构主要包含支撑柱8、旋伸内臂10、旋伸外臂13、限位板11，所述旋伸外臂13通过圆柱销与旋伸
内臂10相铰接，以铰接点为中心,可实现垂直方向的上下角度旋转调节，所述限位板11固定于旋伸内臂10上并负责旋伸外臂13旋转角度的限位，在土壤采样时，所述的旋伸臂起到支撑所述的取土执行装置的作用；
47.所述的取土执行装置，主要包含支撑框架、采样装置，所述的支撑框架包含垂直立轨17、立轨护框16，所述垂直立轨17套在立轨护框16内可上下滑动，所述立轨护框16与所述垂直立轨17的下端部之间设有立轨液压缸28，所述立轨护框16设有竖向滑轨，所述垂直立轨17上设有采样支撑架20，所述取样支撑架20与垂直立轨17之间设有螺旋钻液压缸18，所述立轨护框16与所述旋伸外臂13连接,所述转面板7与立轨护框16之间设有旋伸液压缸12；所述采样装置设于所述采样支撑架20上，其结构主要包含螺旋钻液压马达19、螺旋钻26、螺旋钻套筒24、出土口22、样品袋37；所述螺旋钻26设于螺旋钻套筒24内，所述螺旋钻26通过转接头33与所述螺旋钻液压马达19的动力输出轴相连接，所述出土口22设于螺旋钻套筒24一侧，所述样品袋37可拆卸地连接于所述出土口22上。
48.所述样品袋37上贴有二维码标签38，还配套设有二维码生成器39。所述的出土口22两边设有样品袋夹子23，用于夹持样品袋口，使出土口排出的土壤样本进入到样品袋里。
49.所述螺旋钻套筒24的底部呈锯齿状，减小入土阻力。
50.所述的二维码标签38，是代表所采土壤样本的相关信息，主要包括但不限于土壤样本的采集地点经纬度、采集时间、采集人员、土壤各种参数等，是由二维码生成器39生成，后期可通过此二维码标签38查询土壤相关信息。
51.工作过程:
52.结合附图，使用时，通过导航，驾驶皮卡车31到达指定样点，打开皮卡车31后斗盖，启动液压站32，然后通过遥控器36的操作台控制液压传动系统，装置就可以开始运作。
53.首先，控制丝杠液压马达29转动，带动水平移动装置前移，将取土执行装置送至工作范围最前(后)端停下。之后，通过遥控器36控制旋伸液压缸12伸出，使旋伸臂伸展开，从而将取土执行装置从皮卡车31后斗中放到地面上。再通过遥控器36控制回转支撑液压马达5转动，带动回转支撑平台转动，将取土执行装置送至工作范围最左(右)端停下。到达工作范围内指定位置后，通过遥控器36控制立轨液压缸28下伸，使垂直立轨17接触到地面，从而使取土过程中振幅不至于太大。将样品袋37用夹子23固定在出土口22，然后通过遥控器36控制启动螺旋钻液压马达19，带动螺旋钻26开始旋转运作，同时遥控器36操作台控制螺旋钻液压缸18下伸，直至将螺旋钻26送至土面以下30cm深处为止，取土执行装置工作过程中，由于螺旋钻26安装在螺旋钻套筒24内，在螺旋钻套筒24的限制下，可以实现边钻土边运土的的功能。运上来的土壤，则在螺旋钻26叶片上层层堆积，当集中的土壤到达一定数量，通过螺旋钻套筒24的出土口22排出。出土口22处装有夹子23，通过夹子23夹住样品袋37，从出土口22排出的土壤样本就被收集到样品袋37中。
54.然后，通过卫星定位器35获取采样点的位置信息，根据位置信息通过二维码生成器39生成所取土壤样品专属的二维码标签38并贴于样品袋37上，收集完成后，将样品袋37取下并封装保存。通过工控机将位置信息以及二维码信息一起记录并上传到云端，这样就完成一个样点的土壤采集工作。
55.最后，遥控器36操作台控制螺旋钻液压缸18上移，再通过遥控器36控制水平移动装置或者回转支撑平台移动到下一个样点进行采集工作。工作期间，液压站32提供动力，通
过水平移动装置，可以满足土壤采样装置在水平面上前后移动的需求。通过回转支撑平台，可以满足土壤采样装置在水平面上左右移动的需求。而旋伸液压缸12负责旋伸臂的收起和伸展，皮卡车运输时则收起，取土执行装置工作时则伸展。立轨液压缸28负责下伸和上收垂直立轨17，使得垂直立轨17能与地面直接接触，从而减小振幅。螺旋钻液压马达19以及螺旋钻液压缸18则带动螺旋钻26工作，保证取土作业顺利。
56.实施例2：
57.与实施例1相比，其不同地方在于：在所述的螺旋钻液压缸上设有限位模块40，主要包括位移传感器和比例阀，所述比例阀安装在螺旋钻液压缸18的进油口处，用于控制油的流量；所述位移传感器安装在螺旋钻液压缸18缸体上，用于精确测量油缸的位移和相对位置。
58.实施例3：
59.与实施例2相比，其不同地方在于：在所述的垂直立轨17底部设有导向环25，所述的螺旋钻套筒24从所述的导向环25中穿过，用于取土过程中的导向。
60.实施例4:
61.参照附图，一种适配于上述的车载式土壤快速采样系统的土壤采样方法，主要包括以下应用步骤：
62.(1)、将车载式土壤快速采样系统，通过整机机架1固定安装于机车车斗，布置液压站32、遥控器36、二维码生成器39、卫星定位器35，并且通过线路与工控机相连接，启动机车发动机给工控机上电，工控机自动运行；
63.(2)、由所述的液压站32提供液压动力，通过遥控器36控制各液压执行元件，操作遥控器将取土执行装置从车斗上放下，具体包括:通过所述的丝杠液压马达29控制所述滑块4水平移动装置,实现取土执行装置前后移动位置；通过所述的回转支撑液压马达5控制所述的回转支撑平台，实现回转支撑平台旋转角度的调节；通过所述旋伸液压缸12控制所述旋伸外臂13的旋转伸收，通过所述立轨液压缸28控制垂直立轨17向下接触地面,通过所述螺旋钻液压缸18带动螺旋钻升降；通过所述螺旋钻液压马达19带动螺旋钻旋转；将样品袋37夹持在取土执行装置的出土口22，开始取样，取样过程中限位模块40负责取土深度的限位；
64.(3)、操作遥控器36利用取土执行装置进行多样点土壤样本的采集，取样时，通过卫星定位器35获取地理经纬度坐标信息，根据位置信息，通过二维码生成器39生成样品二维码标签，并贴于样品袋37上，然后封装保存样品；
65.(4)、最后经由工控机对数据进行处理，得到样品采集位置信息以及二维码标签信息，将上述信息数据定时上传至云端服务器，为后续土壤检测信息追溯环节提供数据支撑。
66.所述的适配于车载式土壤快速采样系统的土壤取样方法，首先将二维码生成器、卫星定位器通过线路与工控机相连接；取样时，通过卫星定位器获取地理经纬度坐标信息；根据位置信息，通过二维码生成器生成二维码标签，最后经由工控机对数据进行处理并上传。
67.通过本发明涉及的车载式土壤快速采样系统及适配于车载式土壤快速采样系统的土壤取样方法，提高了土壤采样工作自动化程度；减轻了土壤采样工作人员的劳动强度，提高土壤采样工作的效率。
68.以上应用了具体实例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。