深松作業(yè)深度檢測方法研究

盧祺+王安+趙建國+郝建軍

摘 要：作為一項(xiàng)重要的保護(hù)性耕作技術(shù)，深松整地對(duì)于改善耕地質(zhì)量、提高作物產(chǎn)量意義重大。深松深度是評(píng)價(jià)深松作業(yè)質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)目前常用的深松作業(yè)深度檢測方法基本原理進(jìn)行分析，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比。

關(guān)鍵詞：保護(hù)性耕作；深松；耕深檢測

中圖分類號(hào)：S29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.07.003

Research on Detection Method of Tillage Depth

Lu Qi，Wang An，Zhao Jianguo，Hao Jianjun

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Agricultural University of Hebei， Baoding 071001， China）

Abstract：As an important conservation tillage technique， it is of great significance for soil deep loosening to improve the quality of cultivated land and increase crop yield. The tillage depth is an important parameter of the deep loosening. The article makes summary and analysis of the deep loosening detection method，and a comparison comparing of their advantages and disadvantages.

Key words：conservation tillage；deep loosening；depth detection

0 引言

深松作業(yè)是實(shí)施保護(hù)性耕作的重要技術(shù)保障措施。實(shí)踐表明，深松作業(yè)有利于作物的生長發(fā)育和提高作物產(chǎn)量。深松整地時(shí)，土壤被深松鏟陸續(xù)抬起后又逐步回落到原位，通過土壤的上下移動(dòng)以及撕裂、擠壓和擾動(dòng)作用，有效破壞犁底層，從而達(dá)到改善土壤耕層結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)土壤蓄水保墑和抗旱防澇能力的目的。深松深度是評(píng)價(jià)深松質(zhì)量的主要指標(biāo)之一，作業(yè)深度是否合適和達(dá)標(biāo)，直接影響深松作業(yè)質(zhì)量。早期作業(yè)深度是人工使用鐵棍、卷尺抽查[1]。受人為因素和土壤條件的影響，測量精度難以保證[2]。尤其對(duì)于松軟的土壤，溝底與已耕土壤很難分清，直接影響到手工測量的準(zhǔn)確性；其次，手工測定只能得到有限的離散數(shù)據(jù)，無法測量耕深的連續(xù)變化情況，這樣就會(huì)給數(shù)據(jù)處理、動(dòng)態(tài)特性方面的研究帶來不便[4]。另外，人工測定耕深勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，而且極易產(chǎn)生人為誤差。為加強(qiáng)對(duì)作業(yè)質(zhì)量的監(jiān)控，近年來科研工作者針對(duì)深松深度檢測進(jìn)行了大量的研究。其中超聲波測距、隨地仿形機(jī)構(gòu)檢測、機(jī)具姿態(tài)綜合探測等深松質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測方法備受關(guān)注和青睞。

1 超聲波測距

超聲波測距的原理采用渡越時(shí)間法，即

L=Ct/2（1）

式中 L—測試距離；

C—聲波在介質(zhì)中的傳輸?shù)乃俾剩?/p>

t—聲波傳輸所用的時(shí)間。

在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為超聲波的聲速是基本不變的，如果測距精度要求高時(shí)，則應(yīng)采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右猿C正。

超聲波在空氣中傳輸速率為：

C=CO+0.607T （2）

式中 T—絕對(duì)溫度；CO=331.4 m/s。

因?yàn)槌暡ㄓ龅秸系K物立即返回，因此無法直接測量耕深，所以采用間接法檢測耕深[3]，如圖1所示。先測工作初深松機(jī)架與地面的距離L1，然后再測得深松鏟到達(dá)最大深度時(shí)深松機(jī)架與地面的距離L2，則更深L為：

L=L1-L2（3）

式中 L1—深松機(jī)架與地面的距離；

L2—刀具到達(dá)最大深度時(shí)深松機(jī)架與地面的距離；

L—耕深。

2 隨地仿形機(jī)構(gòu)檢測

依據(jù)螺管形差動(dòng)變壓器原理（如圖2所示），將位移變化轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并經(jīng)V/F轉(zhuǎn)換器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率變化量輸出。滑掌和圓柱形鐵心連接成一整體。工作時(shí)，滑掌走在未耕地上，當(dāng)滑掌隨地面起伏時(shí)，帶動(dòng)耕深傳感器鐵心在保護(hù)套內(nèi)上、下移動(dòng)，將耕深轉(zhuǎn)換為頻率輸出[2-3，8]。

差動(dòng)變壓器的線圈中心插入圓柱形鐵心，次級(jí)線圈N1及N2反極性串接，整個(gè)螺管形變壓器安裝在保護(hù)套管內(nèi)。當(dāng)初級(jí)線圈N加上激勵(lì)交流電壓時(shí)，次級(jí)線圈N1及N2分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢u21與u22，其大小與鐵心位置有關(guān)，當(dāng)鐵心在中心位置時(shí)，u21 = u22，輸出電壓u0= 0。鐵心向上運(yùn)動(dòng)時(shí)u21> u22；鐵心向下運(yùn)動(dòng)時(shí)u21< u22。根據(jù)u0的值可以換算到鐵心位移量，從而可確定其耕深。

3 機(jī)具姿態(tài)綜合探測

機(jī)具姿態(tài)綜合探測的基本原理是先測量提升臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，再由轉(zhuǎn)動(dòng)角度和耕深的擬合曲線間接測量耕深。提升臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度的測量可分為兩種形式：一是由懸掛機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系，通過數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，由液壓缸活塞位移量間接測量提升臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；二是利用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)直接測量提升臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

間接測量（如圖3所示），以傾角傳感器測量提升臂水平傾角，然后根據(jù)三點(diǎn)式懸掛機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系推導(dǎo)出耕深[5，6]。傾角傳感器安裝在提升臂上。掛接好農(nóng)具后，調(diào)節(jié)桿件使農(nóng)具至最大耕作深度時(shí)機(jī)架橫梁處于水平位置，運(yùn)用Matlab仿真計(jì)算，測量計(jì)算不同深度的耕深，液壓缸活塞位移與懸掛連接農(nóng)具耕作深度之間的擬合曲線，然后根據(jù)提升臂水平角度計(jì)算出提升臂液壓缸活塞位移。從而間接計(jì)算出耕深。

直接測量（如圖4所示），固定在拖拉機(jī)上的角度傳感器通過連桿機(jī)構(gòu)和軸承與提升臂相連接，當(dāng)耕深改變時(shí)，拖拉機(jī)的下拉桿隨之上下運(yùn)動(dòng)，于是與下拉桿相連接的提升臂也會(huì)有一個(gè)相應(yīng)的轉(zhuǎn)角變化；同時(shí)角度傳感器的轉(zhuǎn)軸也在連桿的作用下隨提升臂同步轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)角度傳感器阻值的變化，再根據(jù)對(duì)應(yīng)的幾何關(guān)系所建立的數(shù)學(xué)模型間接測出此時(shí)的耕深[7]。

4 結(jié)論

（1）超聲波測量，需要加裝鎮(zhèn)壓輪裝置[8]，把松軟的土地表面壓實(shí)，避免超聲波測距傳感器在松軟的土壤上反射波信號(hào)微弱，無法進(jìn)行準(zhǔn)確可靠測量；同時(shí)也可以采用減小超聲波測距盲區(qū)電路[9]在不增加功率的前提下，提高超聲波傳感器的靈敏度。

（2）采用隨地仿形裝置，可通過調(diào)整隨地仿形機(jī)構(gòu)的連接部件，安裝各種類型的深松機(jī)，安裝方便，適用性強(qiáng)；但由于其工作原理，裝置觸土部件需長期與地面接觸，裝置相對(duì)容易發(fā)生故障或損壞；其設(shè)備體積大，安裝不方便。

（3）機(jī)具姿態(tài)綜合探測，測量機(jī)架與地面的角度的變化，其設(shè)備體積小，便于安裝；不受粉塵和雨水影響可以在惡劣環(huán)境中工作；能適用于各種地形深松作業(yè)，不受機(jī)具震動(dòng)和地形顛簸影響；但其電路集成化程度高，價(jià)格相對(duì)昂貴同時(shí)不方便農(nóng)民維修。

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