一种便携式土壤检测装置的设计

李海龙

摘要：农田土壤样本采集工作中存在劳动强度大、所携带设备多、操作不易达到要求、难以保证测试准确性等问题。设计一种便携式土壤检测装置，阐述该装置的整体结构、工作过程及使用效果。该装置能够保证土壤检测仪器垂直入土，降低测试人员劳动强度，同时保证测试环境的理想性，提高测试结果准确度。

关键词：土壤检测装置;结构;工作过程;使用效果;设计

中图分类号：S237    文献标识码：A    文章编号：1674-1161（2021）02-0023-02

1 便携式土壤检测装置的设计背景

农田土壤样本采集是农业科技人员的一项经常性工作，其目的是准确掌握农田土壤的紧实度、入渗率、温湿度、电导率等相关数据参数，从而进一步了解土壤属性和改良农田土壤环境。

由于需要采集的土壤属性类别较多，因此单次采集所携带的测试设备种类繁多。采集农田土壤紧实度、温湿度、不同深度土壤容重等数据时，所需测试设备包括紧实度仪、土壤温湿度测试仪、环刀、土钻等，所需工具包括铁锹、锤子等。测试开始前，工作人员要在被测地块至少选取5个位置作为待测点。测试时，首先要在被测地块使用铁锹等工具对土壤进行挖掘（一般挖坑尺寸为长300 mm、宽300 mm、深400 mm），然后使用不同的测试设备进行数据采集。整个过程中，每個测试点都要重复进行同样的工作，劳动强度大;由于采集的数据不同，工作人员需要更换不同的测试设备，操作复杂、繁琐;转换测试地点时，诸多测试设备携带不方便。

以测试土壤紧实度为例，要求工作人员用力均匀地将测试设备垂直插入被测地块土壤中进行数据采集，但是在实际操作中很难达到试验要求。因为不同深度土层的硬度不同，难以做到用力均匀，且被测地块地表一般无明显参照物，不易确保测量设备垂直入土。因此，为降低工作人员的劳动强度，解决测试时所需设备较多、转场不便、测试流程繁琐等问题，避免因工作人员操作不规范而影响数据的准确性，设计一种便携式土壤检测装置。装置结构简单，容易组装和拆解，方便测试人员携带和使用。

2 便携式土壤检测装置总体设计

2.1 整体结构

便携式土壤检测装置主要包括主体支撑结构和土壤检测仪器两部分，其整体结构如图1所示。

主体支撑结构用于支撑和保持土壤检测仪器在垂直方向稳定工作，其由外环、内环、支撑架和限位护套组成。内环设置于外环内，二者同心。内环和外环顶部设有支撑架，支撑架顶部中心位置设有与内环同心的限位护套。外环上设有入渗率传感器，内环和外环的端面均与土壤接触。沿外环圆周设有间隔均匀的定位套和定位钎，通过定位钎穿过定位套插入土壤内，可将整个装置固定于地面上。限位护套为套筒结构，可对土壤检测仪器在垂直方向限位，确保采集数据准确。

土壤检测仪器包括土壤紧实度仪和地钻，还可配管式土壤检测仪。土壤紧实度仪为外购件，用于测量土壤紧实度。土壤紧实度仪上连接有带齿条的连接杆，限位护套上连接紧实度仪调节扳手，调节扳手一端安装有与齿条配合的齿轮，通过转动紧实度仪调节扳手的把手端，带动齿轮齿条配合传动，控制穿过限位护套的土壤紧实度仪沿限位护套上下运动作业。地钻用于对被测地块土壤进行垂直挖掘，挖掘深度为600 mm。地钻一端为钻头，另一端预留有电机安装位，靠近电机安装位置设有手动旋转把手，可实现手动挖掘和电动挖掘两种作业模式。

2.2 工作过程

1） 使用时，先将主体支撑结构放置于被测地表，将4根定位钎与外环上的定位套相连接，将定位钎完全钉入土壤中。通过观察定位钎顶端配置的水平尺，确保主体支撑结构与地面垂直。

2） 将紧实度仪穿入限位护套，确保紧实度仪与被测地表垂直。摇动紧实度仪调节扳手，使紧实度仪匀速垂直向下运动，从而测得不同深度下土壤的紧实度数据。

3） 紧实度数据采集完成后，将土壤紧实度仪取出，将地钻穿入限位护套，确保地钻垂直地表向下进行挖掘工作。手动模式下，工作人员旋转转动顶部把手使地钻工作;电动模式下，将电机与地钻顶部进行连接，由电机驱动地钻工作。通过地钻上方连接杆上配置的刻度仪实时观察地钻下探深度。地钻开孔直径为60 mm，可以避免土壤大面积扰动。

4） 地钻开孔结束后，将地钻与主体支撑结构分离，取出限位护套，将管式土壤检测仪穿过限位护套，置于地钻挖掘出的穴中，可一次性测得不同深度下土壤的温度、湿度、电导率、氮磷钾、盐分等参数。

5） 测得上述土壤参数后，在外环与内环之间的间隔中加注清水，通过设置在外环上的入渗率传感器测量土壤的入渗率。

3 便携式土壤检测装置使用效果

1） 便携式土壤检测装置结构简单，便于工作人员携带。主体支撑结构及其上的限位结构起到支撑和在垂直于土壤表面方向限制土壤检测仪器运行的作用，能够保证土壤检测仪器垂直入土、降低操作难度，同时保证测试环境理想和提高测试准确度。

2） 设置定位结构，通过定位钎穿过定位套插入土壤内，将主体支撑结构固定于地面上，确保主体支撑结构与地面垂直。

3） 限位护套上连接紧实度仪调节扳手，在限位的同时控制土壤紧实度仪匀速垂直向下运动，从而测得不同深度下土壤的紧实度参数。

4） 配备地钻进行土壤挖掘，可以实现手动和电动两种作业模式，无需工作人员使用铁锹等工具进行挖掘，减轻劳动强度。

5） 配合管式土壤检测设备对土壤进行检测，可一次性测得不同深度下土壤的温度、湿度、电导率、氮磷钾、盐分等土壤参数。外环上还设有入渗率传感器，在外环与内环间隙部分注水，利用入渗率传感器可以测得土壤的入渗率。

参考文献

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[4] 程坤，高铭萱，朱勇，等.基于STM32的便携式土壤综合参数检测仪设计[J].信息系统工程，2017（4）：150-151.

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