一种车载式水田土壤信息检测装置的制作方法

本发明涉及农业机械设备，特别涉及一种车载式水田土壤信息检测装置。

背景技术：

1、测量土壤信息如土壤电导率，ph值等是精准农业中闭环反馈的重要环节。农业物联网技术发展已经使得农机实时轨迹，农机的发动机转速，污染物排放水平等通过数据采集终端(也称作农机tbox)上传到指定数据信息平台。在已经建立信息平台上，优选方案是增加土壤信息数据上传。

2、“肥力检测”，“土壤电导率”，“变量施肥”等相关专利，常规的方式是在田间某个固定点埋设传感器(如申请号cn201811547013.5专利所述)或实验室环境测量。方便快捷，满足基本精度要求的车载式多点测量的实用化方案较少。

3、背景例1：申请号cn202223488111.0的中国专利提出“一种土壤肥力检测车”。该方案在微耕的同时在旋转的作用力下进行下钻取土，取代了人工取土和人工手动测量有限个测量点的方式。

4、背景例2：申请号为cn202211076278.8的专利通过设置于牵引农机具前端的电导率检测装置实时在线获取作业区域土壤的电导率。

5、背景例3：申请号为cn202011048417.7的专利介绍了利用探针之间的电信号计算出曲面圆盘之间的电导率的方式。曲面圆盘兼做整地并安装探针及传感器，可同时完成整地与秸秆混埋均匀度检测两项工作，还提出了一种类蚯蚓防生结构的电极。

6、虽然上述三个背景例均通过车载式移动方式进行多点测量，能够在一定程度上减轻人的工作量，提高测量效率，但是在实际测量时仍存在以下缺陷：

7、(1)背景例1取土单元在升降进行取土操作时，如果检测车继续行走，取土单元会随检测车继续行走，先进入取土单元中的土壤和后进入取土单元中的土壤并不属于同一检测点，使得测量误差较大，只有在检测车停止行走的情况下，进入取土单元的土壤才属于同一个检测点的土壤，对于多点测量，检测车频繁的停机又会造成效率低的问题；

8、(2)背景例2中圆盘电极发出激励信号时刻和土壤a接触，随着农机前移，圆盘电极转动后实际接触到返回信号时，电极和土壤b接触，即：圆盘电极的输入输出信号仍不属于同一测量点，使得测位置与检测的实际数据出现偏差。

9、(3)背景例3中在作业时曲面圆盘a1～a8与中轴12共轴同步转动，带动电极探针15依次入土循环检测，电极探针15在随圆盘a1～a8转动的过程中会在土壤中仿照蚯蚓等动物在土壤中的运动形态在土壤中移动，使得电极探针发出激励信号的时刻和实际接触返回信号的时刻无法保持在同一测量点，也会造测位置与检测的实际数据出现偏差。

10、另外，测量部件(电极)在通电情况下还会与土壤中的离子发生电化学反应，特别是农田中土壤(秸秆等生物质腐烂发酵或残存上一年度的化肥)本身具有一定的腐蚀性，常出现通电情况下阳极腐蚀等情况以及测量部件因防护面磨损而锈蚀等原因，测量部件成为易损件。若维修保养不及时，或者设计时未考虑失效分析和故障诊断，导致测量数据准确性存疑却未发现，亟待改进。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种车载式水田土壤信息检测装置，旨在解决背景技术中提到的在土壤肥力多点测量过程中测量电极易受损、易腐蚀和测量电极状态无法监测等问题，并确保农机移动过程中电极始终在同一测量点插入土壤进行检测，且可多次测量。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、一种车载式水田土壤信息检测装置，包括：测量电极和用于搭载测量电极的牵引农机，所述测量电极通过升降调节机构安装在牵引农机上，所述升降调节机构包括纵向固定安装在牵引农机上的固定安装板和与固定安装板水平滑动连接的电极安装座，所述测量电极与电极安装座纵向滑动配合并与固定在电极安装座顶部的驱动油缸的伸缩轴连接，所述固定安装板上设有用于驱动测量电极随电极安装座相对于固定安装板水平滑动的水平滑动驱动机构。

4、通过采用上述技术方案，牵引农机搭载测量电极可以实现在进行旋耕，犁耕、耙耕作业或者插秧机插植作业的同时测量土壤电导率，并根据导电率得到土壤肥力信息，无需为了专门测量土壤肥力而在同一地块牵引单独的检测车二次作业，不仅有效提高了设备的通用性，满足了农机联合作业的要求，提高了作业效率，而且在旋耕，犁耕或耙耕作业同时测量土壤电导率，旋耕，犁耕或耙耕后土壤更松软，便于测量电极的插入，一方面降低了测量电极受坚硬土块甚至石块等伤害的风险，使得测量电极的使用寿命更长，另一方面，刚完成旋耕，犁耕或耙耕的土壤中的水分还未来得及被晒干或风干，湿度大，含水率也大，有利于电流的导通，从而大大提高测量精度；

5、在进行土壤肥力测量时，测量电极在驱动油缸的驱动下随升降调节机构进行升降从而插入或抽离土壤的过程中，水平驱动机构会驱动测量电极沿着升降调节机构中的固定安装板逆着牵引农机的行走方向反向水平滑动，从而补偿牵引农机前进的距离，使得测量电极在插入或抽离土壤的过程中测量电极在地面的纵向投影始终与该测量点的位置相匹配，直至该测量点测量完成，此过程中牵引农机无需停机，仍可持续进行旋耕，犁耕、耙耕或者插秧机插植作业，保证在进行多点测量的过程中，无需牵引车频繁启停，大大提高了牵引农机的作业效率和肥力检测效率。

6、本发明的进一步设置为：所述固定安装板的上下两端分别设有水平滑槽一和水平滑槽二，所述电极安装座的两端分别通过滑动销一和滑动销二与水平滑槽一和水平滑槽二水平滑动配合；

7、所述测量电极固定在纵向滑块上，所述驱动油缸的伸缩轴与纵向滑块固定连接，所述纵向滑块与电极安装座上的纵向滑槽滑动配合，所述纵向滑块与水平滑动驱动机构连接；

8、所述水平滑动驱动机构包括设置在固定安装板上的驱动滑槽和设置在纵向滑块上的水平驱动销，所述驱动滑槽位于水平滑槽一和水平滑槽二之间，所述驱动滑槽包括倾斜设置的驱动槽一和驱动槽二，所述驱动槽一和驱动槽二的一端相互连接形成“v”状槽，所述驱动槽一和驱动槽二的另一端分别与驱动槽三的两端连接后与驱动槽三共同形成封闭槽，所述驱动槽三靠近牵引农机行走方向(d向)的一端(a端)位于所述驱动槽三远离牵引农机行走方向(d向)的一端(c端)的上方，所述水平驱动销随纵向滑块纵向滑动时沿封闭槽单向循环滑动。

9、通过采用上述技术方案，驱动油缸的伸缩轴伸缩时驱动推动纵向滑块沿电极安装座上的纵向滑槽纵向上下滑动，纵向滑块纵向上下滑动时带动与其固定连接的测量电极插入或抽离土壤，从而实现土壤肥力测量，同时，纵向滑块在沿纵向滑槽纵向上下滑动时会带动水平驱动销沿驱动滑槽循环滑动，水平驱动销在驱动滑槽的挤压下在插入或抽离地面时逆着牵引农机的前进方向水平运动，即：当驱动油缸驱动纵向滑块向下滑动时纵向滑块会带动水平驱动销从驱动槽一靠近牵引农机行走方向(d向)的一端(a端)滑动至驱动槽一远离牵引农机行走方向(d向)的一端(b端)，此过程中，驱动槽一不断横向挤压水平驱动销，使得纵向滑块随电极安装座沿着水平滑槽一和水平滑槽二逆着牵引农机的行走方向(d向)水平滑动，纵向滑块在水平滑动的过程中带动测量电极同步水平滑动，保证测量电极在插入土壤的过程中其在地面的投影始终与该测量点的位置相匹配，当测量完成以后，测量电极需要从土壤中抽离，驱动油缸开始驱动纵向滑块向上滑动，纵向滑块向上滑动时会带动水平驱动销从驱动槽一远离牵引农机行走方向(d向)的一端(b端)进入驱动槽二，并沿着驱动槽二向上滑动至与驱动槽三连接的一端(c端)，此过程中驱动槽二不断横向挤压水平驱动销，使得纵向滑块随电极安装座沿着水平滑槽一和水平滑槽二逆着牵引农机的行走方向(d向)继续水平滑动，纵向滑块在水平滑动的过程中带动测量电极同步水平滑动，保证测量电极在抽离土壤的过程中其在地面的投影始终与该测量点的位置相匹配，当测量电极离开地面后，驱动油缸会驱动纵向滑块继续上升至初始高度，即驱动槽一靠近牵引农机行走方向(d向)的一端(a端)的高度，驱动油缸驱动纵向滑块继续上升时，纵向滑块会带动水平驱动销沿着驱动槽三从驱动槽二与驱动槽三连接的一端(c端)滑动至驱动槽三与驱动槽一连接的一端，即驱动槽一靠近牵引农机行走方向(d向)的一端(a端)，此过程中驱动槽三不断横向挤压水平驱动销，使得纵向滑块随电极安装座沿着水平滑槽一和水平滑槽二顺着牵引农机的行走方向(d向)水平滑动，直至电极安装座到达其在水平滑槽一和水平滑槽二中的初始位置，当牵引农机到达下一个测量点后，重复上述过程，可以实现连续、多点测量，整个过程中牵引农机始终持续前进，无需频繁启停。

10、本发明的进一步设置为：所述水平滑动驱动机构包括设置在固定安装板上的两个驱动滑槽和设置在纵向滑块上的水平驱动销，两个驱动滑槽均位于水平滑槽一和水平滑槽二之间，两个驱动滑槽中分别由驱动槽一和驱动槽二的一端相互连接形成的两个“v”状槽相互靠近的一端(c端)相互连接，两个驱动滑槽中由驱动槽一和驱动槽二的一端相互连接形成的两个“v”状槽相互远离的一端(a端和c＇端)分别与驱动槽三的两端连接后与驱动槽三形成封闭槽，所述驱动槽三靠近牵引农机行走方向的一端(a端)位于所述驱动槽三远离牵引农机行走方向(d向)的一端(c＇端)的上方，所述水平驱动销纵向滑块纵向滑动时沿封闭槽单向循环滑动。

11、通过采用上述技术方案，当测量电极随着纵向滑块沿着电极安装座上的纵向滑槽纵向滑动的同时，纵向滑块随着水平驱动销沿着靠近牵引农机行走方向(d向)一侧的驱动滑槽滑动，直至完成第一次测量并从第一次测量的测量点的土壤中抽离，此时水平驱动销到达c端，然后继续驱动纵向滑块随水平驱动销进入远离牵引农机行走方向(d向)一侧的驱动滑槽中，并沿着该驱动滑槽重复第一次测量的过程使得测量电极再次在第一次测量的测量点的土壤中插入和抽离，此时水平驱动销到达c＇端，从而完成同一测量点的第二次测量，当完成第二次测量后驱动纵向滑块随着水平驱动销沿着驱动槽三滑动至靠近牵引农机行走方向(d向)一侧的驱动滑槽的驱动槽一靠近牵引农机行走方向(d向)的一端(a端)的位置，重复上述过程，可以实现连续、多点二次测量操作，整个过程中牵引农机始终持续前进，无需频繁启停，利用两个驱动滑槽与驱动槽三的两端连接后与驱动槽三形成封闭槽来驱动测量电极在同一测量点完成两次测量，并根据首次测量并对比二次测量可以实现测量数据的校验，不仅可以避免单次测量误差，而且还能用于施肥信息对照，无需专门为测量土壤信息进行多次专门测量，同时也解决了同一测量点在多次测量时无法精确重合而造成测量精度差的问题。

12、本发明的进一步设置为：各所述驱动滑槽中驱动槽一与驱动槽二连接处以及各所述驱动滑槽中驱动槽一与驱动槽二分别与驱动槽三的连接处均呈阶梯状，各连接处靠近水平驱动销滑动起始端的一侧均高于远离水平驱动销滑动起始端的一侧。

13、通过采用上述技术方案，纵向滑块在随着水平驱动销沿各驱动滑槽滑动的过程中只能按照驱动槽一、驱动槽二、驱动槽三的顺序滑动，从而保证测量电极在插入和抽出地面的过程中逆着牵引动机的行走方向(d向)水平滑动，测量电极抽出地面后恢复至初始高度时顺着牵引农机的行走方向(d向)恢复至其相对于牵引动机初始水平位置以准备下一个测量点的测量操作，阶梯状的设置使得水平驱动销在随纵向滑块纵向滑动时能够始终沿封闭槽单向循环滑动，不仅省去了单向调节的设置机构，而且加工方便，成本低，可靠性好。

14、本发明的进一步设置为：所述纵向滑块上设有用于安装水平驱动销的安装孔，所述水平驱动销与安装孔滑动配合，所述水平驱动销的一端从安装孔中伸出并与驱动滑槽滑动配合，所述水平驱动销的另一端通过弹簧与安装孔的底部连接。

15、通过采用上述技术方案，水平驱动销通过弹簧与安装孔的底部连接，使得水平滑动销能够沿着安装孔轴向滑动，从而保证水平滑动销在沿着驱动槽一、驱动槽二、驱动槽三组成的封闭槽单向循环滑动的过程中始终能够与驱动槽一、驱动槽二、驱动槽三的底部抵触，从而保证单向循环滑动的可靠性。

16、本发明的进一步设置为：所述测量电极通过h桥电路与牵引机电子控制单元预留的电气接口连接。

17、通过采用上述技术方案，h桥电路用于使牵引机电子控制单元的输出口正负极性可周期性变化，从而实现测量电极正负极周期性反转，从而避免测量过程中极性单一的正极被阴离子吸引富集，导致测量电极腐蚀后测量不良的情况，有效提高了测量电极的使用寿命，而且通过测量电极正负极反转还能对测量电极工作状态进行校验，即：控制测量电极在同一测量点进行第一次测量时正向通电，第二次测量时反向通电，通过对两侧测量的数据进行对比，看下差异，两次数据接近，或者误差在允许范围内，说明测量电极良好且土壤信息数据测量可靠，如果两次数据差异较大，说明测量电极损坏或故障，该次数据测量存在异常，从而到达测量电极工作状态实时监测和土壤电离子浓度校验的效果。一方面，区别于电极单一极性情况下两次测量取平均值，或两次测量对比差异。本方案通过极性翻转变换的形式，降低单一极性下测量误差(近似正反两种渠道校验)，土壤信息数据可靠性更高。在车载式多点测量，而且要求结果尽快得出的环境下，该方案优势明显；另一方面，通过对测量电极工作状态实时监测可以保证操作者能够及时发现测量电极的状态并及时进行更换或维修，有效避免了因测量电极在使用过程中因维修保养不及时，或者设计时未考虑失效分析，而造成数据准确性存疑等问题。

18、本发明的进一步设置为：所述电子控制单元内置4g或5g通信接口，并与gps定位模块连接。

19、通过采用上述技术方案，电子控制单元在控制牵引农机在水田中边前进，边做旋耕、犁耕、耙耕或者插秧机插植作业的同时可通过4g或5g通信将测量电极测得的土壤肥力信息上传到农机信息平台，从而使得农机信息平台能够快速获得所需要的数据，另外，结合gps定位模块能够辅助牵引农机实现多点测量的精准定位，从而进一步提高了肥力检测的实用性。同时为后续变量施肥或精准施肥提供依据。

20、本发明的进一步设置为：所述电子控制单元内置eeprom存储单元或flash存储单元。

21、通过采用上述技术方案，eeprom存储单元或flash存储单元可以实现农机作业信息的存储(如设置的高度，部分历史故障数据备份等)。

22、本发明的有益效果是：

23、1.本发明通过牵引农机搭载测量电极可以实现在进行旋耕，犁耕、耙耕作业或者插秧机插植作业的同时测量土壤电导率，并根据导电率得到土壤肥力信息，无需为了专门测量土壤肥力而在同一地块牵引单独的检测车二次作业，不仅有效提高了设备的通用性，满足了农机联合作业的要求，提高了作业效率，而且在旋耕，犁耕或耙耕作业同时测量土壤电导率，旋耕，犁耕或耙耕后土壤更松软，便于测量电极的插入，一方面降低了测量电极受坚硬土块甚至石块等伤害的风险，使得测量电极的使用寿命更长，另一方面，刚完成旋耕，犁耕或耙耕的土壤中的水分还未来得及被晒干或风干，湿度大，含水率也大，有利于电流的导通，提高测量精度。

24、2.本发明在进行土壤肥力测量时，测量电极在驱动油缸的驱动下随升降调节机构进行升降从而插入或抽离土壤的过程中，水平驱动机构会驱动测量电极沿着升降调节机构中的固定安装板逆着牵引农机反向水平滑动，从而补偿牵引农机前进的距离，使得测量电极在插入或抽离土壤的过程中测量电极在地面的纵向投影始终与该测量点的位置相匹配，直至该测量点测量完成，此过程中牵引农机无需停机，仍可持续进行旋耕，犁耕、耙耕或者插秧机插植作业，保证在进行多点测量的过程中，无需牵引车频繁启停，大大提高了牵引农机的作业效率和肥力检测效率。

25、3.本发明中各所述驱动滑槽中驱动槽一与驱动槽二连接处以及各所述驱动滑槽中驱动槽一与驱动槽二分别与驱动槽三的连接处均呈阶梯状，各连接处靠近水平驱动销滑动起始端的一侧均高于远离水平驱动销滑动起始端的一侧，使得纵向滑块在随着水平驱动销沿各驱动滑槽滑动的过程中只能按照驱动槽一、驱动槽二、驱动槽三的顺序滑动，从而保证测量电极在插入和抽出地面的过程中逆着牵引动机的行走方向(d向)水平滑动，测量电极抽出地面后恢复至初始高度时顺着牵引农机的行走方向(d向)恢复至其相对于牵引动机初始水平位置以准备下一个测量点的测量操作，阶梯状的设置使得水平驱动销在随纵向滑块纵向滑动时能够始终沿封闭槽单向循环滑动，不仅省去了单向调节的设置机构，而且加工方便，成本低，可靠性好。

26、4.本发明中水平驱动销通过弹簧与安装孔的底部连接，使得水平滑动销能够沿着安装孔轴向滑动，从而保证水平滑动销在沿着驱动槽一、驱动槽二、驱动槽三组成的封闭槽单向循环滑动的过程中始终能够与驱动槽一、驱动槽二、驱动槽三的底部抵触，从而保证单向循环滑动的可靠性。

27、5.当本发明中水平滑动驱动机构设置两个驱动滑槽时，测量电极可以实现连续、多点二次测量操作，整个过程中牵引农机始终持续前进，利用两个驱动滑槽与驱动槽三的两端连接后与驱动槽三形成封闭槽来驱动测量电极在同一测量点完成两次测量，并根据首次测量并对比二次测量可以实现测量数据的校验，不仅可以避免单次测量误差，而且还能用于施肥信息对照，无需专门为测量土壤信息进行多次专门测量，同时也解决了同一测量点在多次测量时无法精确重合而造成测量精度差的问题。

28、6.本发明通过h桥电路使牵引机电子控制单元的输出口正负极性可周期性变化，从而实现测量电极正负极周期性反转，从而避免测量过程中极性单一的正极被阴离子吸引富集，导致测量电极腐蚀后测量不良的情况，有效提高了测量电极的使用寿命，而且通过测量电极正负极反转还能对测量电极工作状态进行校验，即：控制测量电极在同一测量点进行第一次测量时正向通电，第二次测量时反向通电，通过对两侧测量的数据进行对比，看下差异，两次数据接近，或者误差在允许范围内，说明测量电极良好且土壤信息数据测量可靠，如果两次数据差异较大，说明测量电极损坏或故障，该次数据测量存在异常，从而到达测量电极工作状态实时监测和土壤电离子浓度校验的效果。一方面，区别于电极单一极性情况下两次测量取平均值，或两次测量对比差异。本方案通过极性翻转变换的形式，降低单一极性下测量误差(近似正反两种渠道校验)，土壤信息数据可靠性更高。在车载式多点测量，而且要求结果尽快得出的环境下，该方案优势明显；另一方面，通过对测量电极工作状态实时监测可以保证操作者能够及时发现测量电极的状态并及时进行更换或维修，有效避免了因测量电极在使用过程中因维修保养不及时，或者设计时未考虑失效分析，而造成数据准确性存疑等问题。