基于加速度補(bǔ)償?shù)耐寥谰o實(shí)度測(cè)量方法與傳感器設(shè)計(jì)

于文華 田 昊,2 梁 超,2 李成豪,2 趙燕東,2

(1.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.北京林業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

基于加速度補(bǔ)償?shù)耐寥谰o實(shí)度測(cè)量方法與傳感器設(shè)計(jì)

于文華1田 昊1,2梁 超1,2李成豪1,2趙燕東1,2

(1.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.北京林業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

針對(duì)目前基于圓錐指數(shù)的土壤緊實(shí)度測(cè)量中，無法消除土壤摩擦力對(duì)緊實(shí)度測(cè)量的影響，要求檢測(cè)傳感器勻速貫入土壤,因此存在使用不便、精度不高的難題。為了提高土壤緊實(shí)度實(shí)時(shí)測(cè)量方法的精度及可操作性，在圓錐指數(shù)方法基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了土壤緊實(shí)度實(shí)時(shí)檢測(cè)傳感器，并加入了加速度的同步測(cè)量，消除了使用過程中金屬桿插入速度不均造成的誤差，提高了土壤緊實(shí)度測(cè)量精度。通過大量試驗(yàn)驗(yàn)證了自制傳感器具有較好的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能，其測(cè)量范圍為0～900 kPa,靈敏度為0.041 896，穩(wěn)定性測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差為5 kPa，測(cè)量精度為±0.02%FS，超調(diào)量為7.81%，過渡時(shí)間為0.632 s。與美國(guó)SC-900型土壤緊實(shí)度儀對(duì)比其準(zhǔn)確性的線性擬合決定系數(shù)均達(dá)到0.96以上，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的土壤緊實(shí)度傳感器與SC-900型土壤緊實(shí)度儀在實(shí)際測(cè)量中性能相當(dāng)，且使用更方便、價(jià)格更低廉。為農(nóng)林生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)及生態(tài)監(jiān)測(cè)提供了一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、精準(zhǔn)獲取土壤緊實(shí)度的有效手段。

土壤緊實(shí)度； 傳感器； 加速度； 圓錐指數(shù)； 靜態(tài)特性； 動(dòng)態(tài)特性

引言

土壤是植物賴以生存及生長(zhǎng)的源泉，對(duì)植物的生長(zhǎng)有重要影響，長(zhǎng)期的研究中人們發(fā)現(xiàn)土壤緊實(shí)度是影響土壤物理性質(zhì)的重要因素，土壤緊實(shí)程度影響著土壤的水肥氣熱狀況進(jìn)而影響植物生長(zhǎng)，尤其土壤緊實(shí)度對(duì)土壤含水率的測(cè)量具有重要影響[1-8]，因此，對(duì)土壤緊實(shí)度進(jìn)行有效測(cè)量可以提高土壤含水率測(cè)量的準(zhǔn)確性，并為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、林木撫育及生態(tài)環(huán)境檢測(cè)奠定研究基礎(chǔ)[9-10]。通過土壤緊實(shí)度傳感器的研究設(shè)計(jì)，將為下一步研究土壤緊實(shí)度與土壤體積含水率的關(guān)系模型、基于標(biāo)準(zhǔn)土壤緊實(shí)度下的土壤體積含水率修正模型及建立適合植物生長(zhǎng)的土壤緊實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)。

對(duì)土壤緊實(shí)度的測(cè)量主要有容重法、堅(jiān)實(shí)度計(jì)法、電磁評(píng)估法和圓錐指數(shù)法等[11-14]，國(guó)際上常采用圓錐指數(shù)來評(píng)估土壤的緊實(shí)度，通過測(cè)量圓錐貫入土壤過程中錐頭底面所受阻力表征土壤的緊實(shí)程度。為準(zhǔn)確測(cè)量圓錐指數(shù)，原美國(guó)農(nóng)業(yè)工程師學(xué)會(huì)(ASAE)標(biāo)準(zhǔn)要求探針在貫入土壤的過程中必須保持勻速[15-16]，但是實(shí)際環(huán)境中土壤組成多樣，尤其是林區(qū)由于常年落葉積累和腐爛使得林區(qū)土壤組成更加復(fù)雜，土壤質(zhì)地不均一，且由于操作者自身原因，在使用過程中，很難保證勻速貫入土壤，從而造成較大的測(cè)量誤差[17]。為彌補(bǔ)以上缺陷，本文設(shè)計(jì)一種帶有加速度補(bǔ)償?shù)耐寥谰o實(shí)度測(cè)量傳感器，在常規(guī)壓力測(cè)量的基礎(chǔ)上，增加加速度測(cè)量，獲取錐頭底面所受到的有效阻力(包括土壤的作用力及摩擦力)，進(jìn)而計(jì)算得到圓錐指數(shù)，以消除非勻速貫入土壤造成的測(cè)量誤差，使得土壤緊實(shí)度的測(cè)量更加準(zhǔn)確，操作更加方便。

1 圓錐指數(shù)測(cè)量方法的改進(jìn)

1.1 基于圓錐指數(shù)的土壤緊實(shí)度測(cè)量方法

土壤圓錐指數(shù)(Cone index，CI)通常被用來描述土壤的強(qiáng)度，表示土壤對(duì)圓錐頭勻速貫入阻力的大小[18]。即標(biāo)準(zhǔn)圓錐儀勻速貫入土壤時(shí)作用于圓錐頭單位面積上的平均壓力。ASAE規(guī)定了2種圓錐頭規(guī)格，直徑分別為12.83 mm和20 mm，圓錐頭錐角為30°，計(jì)算公式為

CI=N/(1 000S)

(1)

式中CI——土壤圓錐指數(shù)N——圓錐頭勻速插入土壤時(shí)所受的阻力S——圓錐頭底面積

在圓錐儀勻速貫入土壤過程中，可忽略土壤摩擦力的作用，根據(jù)牛頓第一定律，圓錐儀處于受力平衡狀態(tài)，所以在勻速貫入時(shí)圓錐頭受到的阻力等于施加在圓錐儀上的壓力與圓錐儀重力之和，即

N=G+F

(2)

式中G——圓錐儀的重力F——?jiǎng)蛩賾T入時(shí)施加在圓錐儀上的壓力

1.2 基于加速度補(bǔ)償?shù)耐寥谰o實(shí)度測(cè)量方法

在實(shí)際使用中，由于土質(zhì)構(gòu)成不均一、操作者不同，很難保證圓錐頭勻速插入土壤，所以圓錐頭插入土壤過程中，受到的有效阻力為施加在圓錐儀上的壓力、圓錐儀的重力及產(chǎn)生加速度的力，通過圓錐頭貫入土壤過程中對(duì)加速度的同步測(cè)量，可進(jìn)一步計(jì)算得到土壤圓錐指數(shù)CI，進(jìn)而消除插入過程中快慢不一造成的測(cè)量偏差。

有效阻力表達(dá)式為

(3)

假設(shè)要測(cè)量A點(diǎn)的土壤緊實(shí)度，如圖1所示，通過測(cè)量圓錐頭在插入以A點(diǎn)為中心、深度為ΔL的土體過程中的加速度和壓力，利用式(3)計(jì)算得到圓錐頭受到的有效阻力，再進(jìn)而計(jì)算得到土壤圓錐指數(shù)CI，當(dāng)ΔL很小時(shí)測(cè)量得到的CI表示A點(diǎn)土壤緊實(shí)度的真實(shí)值，因此通過土壤圓錐指數(shù)CI可以表征土壤緊實(shí)程度。

圖1 土壤緊實(shí)度測(cè)量原理Fig.1 Soil compactness measuring principle1.圓錐頭 2.土壤

2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整體由圓錐體、錐桿和固定底座3部分組成，錐桿和后部固定底座通過螺紋連接，錐體和錐桿為一體成型，錐桿后部固定底座上安裝壓力傳感器和加速度傳感器。傳感器的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 土壤緊實(shí)度檢測(cè)裝置整體結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of soil compactness measuring device1.手柄 2.壓力傳感器 3.錐體 4.30°圓錐頭 5.預(yù)留結(jié)構(gòu) 6.錐桿 7.固定底座 8.加速度傳感器

傳感器整體采用304不銹鋼材料制作，根據(jù)ASAE標(biāo)準(zhǔn)，圓錐頭直徑為12.83 mm，圓錐錐角為30°，錐桿直徑為10 mm，壓力傳感器與錐桿之間采用M8螺紋(孔深14 mm、螺紋深14 mm)連接，錐桿整體長(zhǎng)度為700 mm，為防止錐頭錐尖在使用過程中對(duì)人造成傷害，錐尖進(jìn)行倒角去尖，去尖后圓錐頭高度為22 mm。圓錐頭后部為長(zhǎng)48 mm的錐柱，此部分為預(yù)留結(jié)構(gòu)，用于安裝水分測(cè)量裝置，為后續(xù)安裝合適的水分測(cè)量傳感器及基于土壤緊實(shí)度下土壤體積含水率的測(cè)量做準(zhǔn)備。錐桿上標(biāo)有刻度，測(cè)量精度為1 mm，用于測(cè)量圓錐頭的插入深度。圓錐頭加工精度為0.1 mm。

錐桿與壓力傳感器連接后，將壓力傳感器固定在固定底座上，固定底座中間是1個(gè)直徑為34 mm的圓形凹槽，深度為6 mm。凹槽用于安裝壓力傳感器，內(nèi)部沿直徑為26 mm的圓周均勻分布3個(gè)直徑為4 mm的通孔，利用3個(gè)螺栓將壓力傳感器固定在固定底座上。固定底座左右各有1個(gè)M8的螺紋孔，用于安裝手柄，手柄為長(zhǎng)136.5 mm、直徑10 mm的圓柱桿，圓柱桿上套有防滑柄套，通過工程制圖軟件CATIA進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 土壤緊實(shí)度傳感器的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

土壤緊實(shí)度傳感器通過對(duì)壓力信號(hào)、加速度信號(hào)的采集，得到所測(cè)土壤的緊實(shí)度，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 土壤緊實(shí)度傳感器硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Soil compactness sensor hardware structure

土壤緊實(shí)度傳感器硬件結(jié)構(gòu)主要包括土壤緊實(shí)度檢測(cè)單元和數(shù)據(jù)采集主板。土壤緊實(shí)度檢測(cè)單元包括壓力檢測(cè)單元、加速度檢測(cè)單元和信號(hào)處理單元；數(shù)據(jù)采集主板包括SD卡存儲(chǔ)單元、電源轉(zhuǎn)換單元、時(shí)鐘模塊、液晶屏、電源控制單元、按鍵控制單元和RS-485接口單元。土壤緊實(shí)度檢測(cè)單元先對(duì)壓力傳感器和加速度傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行放大，放大器采用雙電源供電，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后使用單片機(jī)進(jìn)行雙通道同步采樣并處理得到土壤圓錐指數(shù)CI(單位 kPa)以表征土壤緊實(shí)度。電源控制單元用于控制土壤緊實(shí)度檢測(cè)單元的供電，只有在圓錐頭插入土壤進(jìn)行測(cè)量時(shí)才給土壤緊實(shí)度檢測(cè)單元供電以降低傳感器功耗。圓錐頭插入土壤的深度通過錐桿上的刻度值進(jìn)行讀取并通過按鍵控制單元將該次測(cè)量的深度輸入到傳感器，同時(shí)按鍵控制單元還可以控制傳感器的開關(guān)并查看之前測(cè)量保存的信息。

3 土壤緊實(shí)度傳感器的測(cè)量模型

已知土壤緊實(shí)度傳感器質(zhì)量為0.852 g，圓錐底面積為1.29 cm2，根據(jù)式(3)可得有效阻力為

(4)

3.1 土樣

土樣取自北京市順義區(qū)共青林場(chǎng)苗圃(116°43′59″E、40°5′39″N)的典型砂壤土，成分構(gòu)成為：砂粒55%、粉粒35%、黏粒10%，自然風(fēng)干并用孔徑為0.4 mm的網(wǎng)篩過篩，然后利用干燥箱在105℃下干燥24 h，稱取15 kg干燥后的砂壤土，加水?dāng)嚢杈鶆?，用電子秤按質(zhì)量等分成8份，然后取1份土樣均勻鋪放在環(huán)形標(biāo)定桶(高20 cm、內(nèi)徑30 cm)中，將直徑為5 cm的尼龍棒從土體表面上方5 cm處自由落下，沿標(biāo)定桶內(nèi)壁向內(nèi)旋轉(zhuǎn)均勻壓實(shí)1遍，然后再取1份土樣均勻鋪放在已經(jīng)壓實(shí)過的土樣上，用尼龍棒再沿標(biāo)定桶內(nèi)壁向內(nèi)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)一遍，重復(fù)上述過程直至將8份土樣全部壓入環(huán)形標(biāo)定桶完成土體的配置，每層壓實(shí)次數(shù)保持相同，每層對(duì)應(yīng)的壓實(shí)次數(shù)記為所配置土體的壓實(shí)次數(shù)，通過控制壓實(shí)次數(shù)來配置不同緊實(shí)度土樣。

3.2 數(shù)據(jù)獲取

圖4 勻速測(cè)量圓錐指數(shù)與有效阻力的關(guān)系Fig.4 Relationship between uniform measuring cone index and effective resistance

由圖4可得土壤緊實(shí)度傳感器的測(cè)量模型為

(5)

可以看出土壤緊實(shí)度傳感器測(cè)量得到的有效阻力與土壤圓錐指數(shù)具有良好的線性關(guān)系，其線性決定系數(shù)R2達(dá)到0.992 3。

4 土壤緊實(shí)度傳感器性能測(cè)試

4.1 靜態(tài)特性

傳感器的靜態(tài)特性是指當(dāng)輸入量為常量，或者輸入變化極慢時(shí)，傳感器的輸入輸出關(guān)系特性，它包括傳感器的測(cè)量范圍、靈敏度、穩(wěn)定性和測(cè)量精度[19]。

4.1.1 土壤緊實(shí)度傳感器的測(cè)量范圍

土壤緊實(shí)度傳感器的測(cè)量范圍包括圓錐指數(shù)測(cè)量范圍和測(cè)量深度范圍。

自制土壤緊實(shí)度傳感器的測(cè)量結(jié)果輸出下限為0 kPa，輸出度上限為900 kPa。測(cè)量深度由錐桿長(zhǎng)及錐桿上刻度決定，根據(jù)設(shè)計(jì)的刻度值錐頭插入的下限為0 mm，插入的上限為400 mm。因此土壤緊實(shí)度傳感器的輸出結(jié)果測(cè)量范圍為0～900 kPa，測(cè)量深度范圍為0～400 mm。

4.1.2 土壤緊實(shí)度傳感器的靈敏度

土壤緊實(shí)度傳感器的靈敏度是指?jìng)鞲衅鬏敵隽康淖兓與引起該變化量的輸入量的變化Δx之比。其表達(dá)式為

(6)

將自制土壤緊實(shí)度傳感器固定并在其上放置不同質(zhì)量的物體(用精密電子秤稱量物體的質(zhì)量)，通過質(zhì)量計(jì)算得到重力并將重力轉(zhuǎn)化為傳感器受到的壓力，記錄壓力變化量和土壤緊實(shí)度傳感器輸出變化量。進(jìn)行10次測(cè)量得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

利用式(6)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的靈敏度k，測(cè)量10次通過求平均值減小試驗(yàn)誤差，土壤緊實(shí)度傳感器的靈敏度k為0.041 896。

4.1.3 土壤緊實(shí)度傳感器的穩(wěn)定性

傳感器的穩(wěn)定性是指在同樣被測(cè)環(huán)境中，傳感器在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)輸出的差異情況或者進(jìn)行多次測(cè)量輸出的差異情況。為說明傳感器的穩(wěn)定性進(jìn)行如下試驗(yàn)。

表1 傳感器靈敏度試驗(yàn)結(jié)果

將傳感器安裝在固定架上，固定架有2個(gè)固定環(huán)，固定環(huán)直徑11 mm,固定架可以保持傳感器在豎直方向上的上下移動(dòng)，防止傳感器在水平方向上左右移動(dòng)，將傳感器在距離固定架底面15 mm處沿豎直方向自由落下，記錄傳感器的輸出結(jié)果，共進(jìn)行52次重復(fù)試驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Results of stability test

圖5所測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為5 kPa,說明組間數(shù)據(jù)差異較小，進(jìn)而說明傳感器輸出的穩(wěn)定性較好，可以用于重復(fù)性測(cè)量。

4.1.4 傳感器的測(cè)量精度

傳感器的測(cè)量精度是指測(cè)量結(jié)果的可靠程度，用其量程范圍內(nèi)的最大基本誤差與其滿量程的百分比表示。

(7)

將已知條件代入式(7)可得ΔCI為1.55 kPa，土壤緊實(shí)度傳感器的滿量程為7 800 kPa，故計(jì)算得到土壤緊實(shí)度傳感器測(cè)量精度為±0.02%FS。

4.2 土壤緊實(shí)度傳感器的動(dòng)態(tài)特性

傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性，在分析自制土壤緊實(shí)度傳感器的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，可以把傳感器插入土壤的過程看成輸入信號(hào)，此時(shí)的輸入為一個(gè)階躍信號(hào)，通過觀測(cè)輸出隨輸入的變化得到動(dòng)態(tài)特性[20]。

該試驗(yàn)按照3.1節(jié)的方法壓實(shí)10遍配置1份土體，用25 N的力施加在傳感器上將傳感器壓入土體，測(cè)量傳感器在插入土體表面時(shí)的動(dòng)態(tài)過程，傳感器插入過程的動(dòng)態(tài)特性曲線如圖6所示，可以計(jì)算得到傳感器的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)包括超調(diào)量、過渡時(shí)間、振蕩次數(shù)、延遲時(shí)間、上升時(shí)間和峰值時(shí)間。

圖6 土壤緊實(shí)度傳感器動(dòng)態(tài)特性曲線Fig.6 Curve of sensor dynamic characteristic

(1)超調(diào)量：響應(yīng)曲線第一次越過靜態(tài)值達(dá)到峰點(diǎn)時(shí)，越過部分的幅度與靜態(tài)值之比記為σ，常用百分?jǐn)?shù)表示。記ymax為峰值，y(∞)為響應(yīng)曲線的靜態(tài)值，則有

(8)

通過圖6可得超調(diào)量σ為7.81%。

(2)過渡時(shí)間：響應(yīng)曲線最后進(jìn)入偏離靜態(tài)值的誤差為±5%(也有取±2%)的范圍并且不再超出這個(gè)范圍的時(shí)間，記為ts。通過圖6可得過渡時(shí)間ts為0.632 s。

(3)振蕩次數(shù)：響應(yīng)曲線在達(dá)到過渡時(shí)間之前靜態(tài)值上下振蕩的次數(shù)，記為n。通過圖6可得振蕩次數(shù)n為1。

(4)延遲時(shí)間：響應(yīng)曲線首次達(dá)到靜態(tài)值的1/2所需時(shí)間，記為td。通過圖6可得延遲時(shí)間td為0.233 s。

(5)上升時(shí)間：響應(yīng)曲線首次從靜態(tài)值的10%過渡到90%所需的時(shí)間，記為tr。通過圖6可得上升時(shí)間tr為0.135 s。

(6)峰值時(shí)間：響應(yīng)曲線第一次達(dá)到峰點(diǎn)的時(shí)間，記為tp。通過圖6可得峰值時(shí)間tp為0.300 s。

4.3 土壤緊實(shí)度傳感器與SC-900型土壤緊實(shí)度儀的性能對(duì)比

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的土壤緊實(shí)度傳感器的性能，選用SC-900型土壤緊實(shí)度儀(美國(guó)Spectrum公司生產(chǎn)，測(cè)量單位kPa，分辨率為35 kPa，測(cè)量精度為103 kPa，量程為0～45 cm和0～900 kPa，最大插入速度為2.5 cm/s，最大承受負(fù)載為95.25 kg)作為對(duì)比傳感器，主要對(duì)比土壤緊實(shí)度傳感器和SC-900型土壤緊實(shí)度儀在實(shí)際使用中的測(cè)量準(zhǔn)確性和測(cè)量穩(wěn)定性這2個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)。測(cè)試過程中，SC-900型土壤緊實(shí)度儀須勻速貫入土壤，土壤緊實(shí)度傳感器可加速貫入土壤。

4.3.1 測(cè)量準(zhǔn)確性對(duì)比試驗(yàn)

本試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行，按照3.1節(jié)中的方法配置土體，通過用尼龍棒壓實(shí)3次、6次、10次、15次配置4種緊實(shí)度不同的土體，按緊實(shí)度由小到大依次編號(hào)為緊實(shí)度1、緊實(shí)度2、緊實(shí)度3、緊實(shí)度4。將土壤緊實(shí)度傳感器和SC-900型土壤緊實(shí)度儀分別插入所配置的土體，測(cè)量并記錄插入土體深度為2.5、5.0、7.5、10.0 cm時(shí)的數(shù)據(jù)。SC-900型土壤緊實(shí)度儀與土壤緊實(shí)度傳感器的輸出結(jié)果對(duì)比如圖7所示。

從圖7中可以看出，不同緊實(shí)度土體下，2種傳感器測(cè)量結(jié)果決定系數(shù)R2分別達(dá)到了0.999 8、0.973 7、0.998 5和0.959 0，表明土壤緊實(shí)度傳感器和SC-900型土壤緊實(shí)度儀的測(cè)量準(zhǔn)確性相當(dāng)，土壤緊實(shí)度傳感器的準(zhǔn)確性達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用中土壤緊實(shí)度測(cè)量精度要求。但加入加速度補(bǔ)償之后，自制土壤緊實(shí)度傳感器使用更便捷，更能滿足不同環(huán)境下土壤緊實(shí)度測(cè)量的要求。

4.3.2 測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定性對(duì)比試驗(yàn)

該試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行，用3.1節(jié)中所述方法配置2份土體，通過用尼龍棒壓實(shí)4次和壓實(shí)10次配置2種緊實(shí)度不同的土體，分別記為緊實(shí)度A和緊實(shí)度B，用SC-900型土壤緊實(shí)度儀和土壤緊實(shí)度傳感器分別插入土樣，插入土體深度為2.5、5.0、7.5、10.0 cm，每個(gè)深度進(jìn)行5次測(cè)量，然后用Excel計(jì)算測(cè)量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。2種緊實(shí)度下測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比如圖8所示，測(cè)量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差如表2所示。

圖7 土壤緊實(shí)度傳感器與SC-900型土壤緊實(shí)度儀測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of soil compaction sensor and SC-900

圖8 不同緊實(shí)度下土壤緊實(shí)度傳感器與SC-900型土壤緊實(shí)度儀測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison of soil compaction sensor and SC-900 at different compactnesses

從圖8可以看出對(duì)于緊實(shí)度A和緊實(shí)度B，通過土壤緊實(shí)度傳感器和SC-900型土壤緊實(shí)度儀進(jìn)行測(cè)量，在5次測(cè)量中輸出測(cè)量結(jié)果的波動(dòng)基本一致。通過表2中的標(biāo)準(zhǔn)差可進(jìn)一步看出土壤緊實(shí)度傳感器與SC-900型土壤緊實(shí)度儀輸出結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差相差很小，綜合圖8和表2，說明土壤緊實(shí)度傳感器在穩(wěn)定性上和SC-900型土壤緊實(shí)度儀的穩(wěn)定性相當(dāng)。

表2 傳感器測(cè)量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差

5 結(jié)論

(1)針對(duì)土壤緊實(shí)度儀在實(shí)際測(cè)量過程中，由于探針貫入快慢不一造成的測(cè)量誤差，提出基于加速度補(bǔ)償?shù)耐寥谰o實(shí)度測(cè)量方法，并設(shè)計(jì)了土壤緊實(shí)度實(shí)時(shí)檢測(cè)傳感器，提高了測(cè)量精度，使得基于圓錐指數(shù)原理的土壤緊實(shí)度動(dòng)態(tài)測(cè)量更加精準(zhǔn)，操作更加方便。

(2)通過試驗(yàn)建立土壤緊實(shí)度傳感器的測(cè)量模型，其線性擬合決定系數(shù)為0.992 3，為土壤緊實(shí)度傳感器設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

(3)土壤緊實(shí)度傳感器有著較好的穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，深度和緊實(shí)度測(cè)量范圍分別為0～400 mm和0～900 kPa，靈敏度為0.041 896，穩(wěn)定性誤差為5 kPa，測(cè)量精度為±0.02%FS，超調(diào)量為7.81%，過渡時(shí)間為0.632 s，振蕩次數(shù)為1次，延遲時(shí)間為0.233 s，上升時(shí)間為0.135 s，峰值時(shí)間為0.300 s。滿足土壤緊實(shí)度實(shí)時(shí)測(cè)量的要求。

(4)土壤緊實(shí)度傳感器與SC-900型土壤緊實(shí)度儀進(jìn)行了性能對(duì)比，4種不同緊實(shí)度土體下2種傳感器的線性擬合決定系數(shù)分別為0.999 8、0.973 7、0.998 5和0.959 0；2種不同緊實(shí)度土體下測(cè)量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差沒有明顯差異，表明土壤緊實(shí)度傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的測(cè)量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性與SC-900型土壤緊實(shí)度儀性能相當(dāng)。

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Soil Compactness Measuring Method Based on Acceleration Compensation and Sensor Design

YU Wenhua1TIAN Hao1,2LIANG Chao1,2LI Chenghao1,2ZHAO Yandong1,2

(1.SchoolofTechnology,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China2.BeijingLaboratoryofUrbanandRuralEcologicalEnvironment,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

In view of the present measurement of soil compactness based on the cone index, eliminating the influence of soil friction on compactness measuring is impossible.It needs to ensure sensor is inserted into the soil at constant speed, thus it is difficult to use and the accuracy is not high. In order to improve the real-time measurement precision and maneuverability of soil compactness, a real-time soil compactness detection sensor was designed based on the cone index, and the synchronous measurement of acceleration was realized, which eliminated the error caused by different speed in the process of the metal rod inserting into soil, as well as improved soil compactness measuring precision. Homemade sensor had good static characteristics and dynamic characteristics through a large number of test. Measuring range was 0～7 800 kPa, sensibility was 0.041 896, the stability of the standard deviation was 5 kPa, measuring accuracy was ±0.02%FS, overshoot was 7.81%, and transient time was 0.632 s. Compared with SC-900 soil compactness meter of the United States, its accuracy of the linear fitting coefficient of decision reached more than 0.96. The results showed that the homemade soil compactness sensor and SC-900 soil compactness meter had consistency of performance in the actual measurement, and homemade soil compactness sensor was more convenient and cheaper.

soil compactness; sensor; acceleration; cone index; static characteristics; dynamic characteristics

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.04.032

2016-07-26

2016-08-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31371537)、北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目(Z116100000916012)和北京市共建項(xiàng)目專項(xiàng)

于文華(1956—)，男，教授，主要從事林火監(jiān)測(cè)與撲救研究，E-mail: yuwenhua56@sina.com

趙燕東(1965—)，女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事生態(tài)信息智能檢測(cè)與控制研究，E-mail: yandongzh@bjfu.edu.cn

S152.9； TU432

A

1000-1298(2017)04-0250-07