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)境北京實驗室， 北京 100083)

基于加速度補償?shù)耐寥谰o實度測量方法與傳感器設(shè)計

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)境北京實驗室， 北京 100083)

針對目前基于圓錐指數(shù)的土壤緊實度測量中，無法消除土壤摩擦力對緊實度測量的影響，要求檢測傳感器勻速貫入土壤,因此存在使用不便、精度不高的難題。為了提高土壤緊實度實時測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)計了土壤緊實度實時檢測傳感器，并加入了加速度的同步測量，消除了使用過程中金屬桿插入速度不均造成的誤差，提高了土壤緊實度測量精度。通過大量試驗驗證了自制傳感器具有較好的靜態(tài)性能和動態(tài)性能，其測量范圍為0～900 kPa,靈敏度為0.041 896，穩(wěn)定性測量標準差為5 kPa，測量精度為±0.02%FS，超調(diào)量為7.81%，過渡時間為0.632 s。與美國SC-900型土壤緊實度儀對比其準確性的線性擬合決定系數(shù)均達到0.96以上，結(jié)果表明設(shè)計的土壤緊實度傳感器與SC-900型土壤緊實度儀在實際測量中性能相當，且使用更方便、價格更低廉。為農(nóng)林生產(chǎn)、環(huán)境保護及生態(tài)監(jiān)測提供了一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)、精準獲取土壤緊實度的有效手段。

土壤緊實度； 傳感器； 加速度； 圓錐指數(shù)； 靜態(tài)特性； 動態(tài)特性

引言

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

對土壤緊實度的測量主要有容重法、堅實度計法、電磁評估法和圓錐指數(shù)法等[11-14]，國際上常采用圓錐指數(shù)來評估土壤的緊實度，通過測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程度。為準確測量圓錐指數(shù)，原美國農(nóng)業(yè)工程師學(xué)會(ASAE)標準要求探針在貫入土壤的過程中必須保持勻速[15-16]，但是實際環(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，從而造成較大的測量誤差[17]。為彌補以上缺陷，本文設(shè)計一種帶有加速度補償?shù)耐寥谰o實度測量傳感器，在常規(guī)壓力測量的基礎(chǔ)上，增加加速度測量，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)，進而計算得到圓錐指數(shù)，以消除非勻速貫入土壤造成的測量誤差，使得土壤緊實度的測量更加準確，操作更加方便。

1 圓錐指數(shù)測量方法的改進

1.1 基于圓錐指數(shù)的土壤緊實度測量方法

土壤圓錐指數(shù)(Cone index，CI)通常被用來描述土壤的強度，表示土壤對圓錐頭勻速貫入阻力的大小[18]。即標準圓錐儀勻速貫入土壤時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——勻速慣入時施加在圓錐儀上的壓力

1.2 基于加速度補償?shù)耐寥谰o實度測量方法

在實際使用中，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加速度的同步測量，可進一步計算得到土壤圓錐指數(shù)CI，進而消除插入過程中快慢不一造成的測量偏差。

有效阻力表達式為

(3)

假設(shè)要測量A點的土壤緊實度，如圖1所示，通過測量圓錐頭在插入以A點為中心、深度為ΔL的土體過程中的加速度和壓力，利用式(3)計算得到圓錐頭受到的有效阻力，再進而計算得到土壤圓錐指數(shù)CI，當ΔL很小時測量得到的CI表示A點土壤緊實度的真實值，因此通過土壤圓錐指數(shù)CI可以表征土壤緊實程度。

圖1 土壤緊實度測量原理Fig.1 Soil compactness measuring principle1.圓錐頭 2.土壤

2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 傳感器機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

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 土壤緊實度檢測裝置整體結(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標準，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，錐桿整體長度為700 mm，為防止錐頭錐尖在使用過程中對人造成傷害，錐尖進行倒角去尖，去尖后圓錐頭高度為22 mm。圓錐頭后部為長48 mm的錐柱，此部分為預(yù)留結(jié)構(gòu)，用于安裝水分測量裝置，為后續(xù)安裝合適的水分測量傳感器及基于土壤緊實度下土壤體積含水率的測量做準備。錐桿上標有刻度，測量精度為1 mm，用于測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個直徑為4 mm的通孔，利用3個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M8的螺紋孔，用于安裝手柄，手柄為長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進行設(shè)計。

2.2 土壤緊實度傳感器的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

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

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

3 土壤緊實度傳感器的測量模型

已知土壤緊實度傳感器質(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，加水攪拌均勻，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，沿標定桶內(nèi)壁向內(nèi)旋轉(zhuǎn)均勻壓實1遍，然后再取1份土樣均勻鋪放在已經(jīng)壓實過的土樣上，用尼龍棒再沿標定桶內(nèi)壁向內(nèi)旋轉(zhuǎn)壓實一遍，重復(fù)上述過程直至將8份土樣全部壓入環(huán)形標定桶完成土體的配置，每層壓實次數(shù)保持相同，每層對應(yīng)的壓實次數(shù)記為所配置土體的壓實次數(shù)，通過控制壓實次數(shù)來配置不同緊實度土樣。

3.2 數(shù)據(jù)獲取

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

由圖4可得土壤緊實度傳感器的測量模型為

(5)

可以看出土壤緊實度傳感器測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達到0.992 3。

4 土壤緊實度傳感器性能測試

4.1 靜態(tài)特性

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

4.1.1 土壤緊實度傳感器的測量范圍

土壤緊實度傳感器的測量范圍包括圓錐指數(shù)測量范圍和測量深度范圍。

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

4.1.2 土壤緊實度傳感器的靈敏度

土壤緊實度傳感器的靈敏度是指傳感器輸出量的變化Δy與引起該變化量的輸入量的變化Δx之比。其表達式為

(6)

將自制土壤緊實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度傳感器輸出變化量。進行10次測量得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

利用式(6)計算得到對應(yīng)的靈敏度k，測量10次通過求平均值減小試驗誤差，土壤緊實度傳感器的靈敏度k為0.041 896。

4.1.3 土壤緊實度傳感器的穩(wěn)定性

傳感器的穩(wěn)定性是指在同樣被測環(huán)境中，傳感器在長時間內(nèi)輸出的差異情況或者進行多次測量輸出的差異情況。為說明傳感器的穩(wěn)定性進行如下試驗。

表1 傳感器靈敏度試驗結(jié)果

將傳感器安裝在固定架上，固定架有2個固定環(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，防止傳感器在水平方向上左右移動，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，共進行52次重復(fù)試驗，所得數(shù)據(jù)如圖5所示。

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

圖5所測數(shù)據(jù)的標準差為5 kPa,說明組間數(shù)據(jù)差異較小，進而說明傳感器輸出的穩(wěn)定性較好，可以用于重復(fù)性測量。

4.1.4 傳感器的測量精度

傳感器的測量精度是指測量結(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，土壤緊實度傳感器的滿量程為7 800 kPa，故計算得到土壤緊實度傳感器測量精度為±0.02%FS。

4.2 土壤緊實度傳感器的動態(tài)特性

傳感器的動態(tài)特性是指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性，在分析自制土壤緊實度傳感器的動態(tài)特性時，可以把傳感器插入土壤的過程看成輸入信號，此時的輸入為一個階躍信號，通過觀測輸出隨輸入的變化得到動態(tài)特性[20]。

該試驗按照3.1節(jié)的方法壓實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，測量傳感器在插入土體表面時的動態(tài)過程，傳感器插入過程的動態(tài)特性曲線如圖6所示，可以計算得到傳感器的動態(tài)性能指標包括超調(diào)量、過渡時間、振蕩次數(shù)、延遲時間、上升時間和峰值時間。

圖6 土壤緊實度傳感器動態(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)值達到峰點時，越過部分的幅度與靜態(tài)值之比記為σ，常用百分數(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)過渡時間：響應(yīng)曲線最后進入偏離靜態(tài)值的誤差為±5%(也有取±2%)的范圍并且不再超出這個范圍的時間，記為ts。通過圖6可得過渡時間ts為0.632 s。

(3)振蕩次數(shù)：響應(yīng)曲線在達到過渡時間之前靜態(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)延遲時間：響應(yīng)曲線首次達到靜態(tài)值的1/2所需時間，記為td。通過圖6可得延遲時間td為0.233 s。

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

(6)峰值時間：響應(yīng)曲線第一次達到峰點的時間，記為tp。通過圖6可得峰值時間tp為0.300 s。

4.3 土壤緊實度傳感器與SC-900型土壤緊實度儀的性能對比

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

4.3.1 測量準確性對比試驗

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

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

4.3.2 測量結(jié)果穩(wěn)定性對比試驗

該試驗在實驗室環(huán)境下進行，用3.1節(jié)中所述方法配置2份土體，通過用尼龍棒壓實4次和壓實10次配置2種緊實度不同的土體，分別記為緊實度A和緊實度B，用SC-900型土壤緊實度儀和土壤緊實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，每個深度進行5次測量，然后用Excel計算測量數(shù)據(jù)的標準差。2種緊實度下測量結(jié)果的標準差對比如圖8所示，測量結(jié)果標準差如表2所示。

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

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

從圖8可以看出對于緊實度A和緊實度B，通過土壤緊實度傳感器和SC-900型土壤緊實度儀進行測量，在5次測量中輸出測量結(jié)果的波動基本一致。通過表2中的標準差可進一步看出土壤緊實度傳感器與SC-900型土壤緊實度儀輸出結(jié)果的標準差相差很小，綜合圖8和表2，說明土壤緊實度傳感器在穩(wěn)定性上和SC-900型土壤緊實度儀的穩(wěn)定性相當。

表2 傳感器測量結(jié)果標準差

5 結(jié)論

(1)針對土壤緊實度儀在實際測量過程中，由于探針貫入快慢不一造成的測量誤差，提出基于加速度補償?shù)耐寥谰o實度測量方法，并設(shè)計了土壤緊實度實時檢測傳感器，提高了測量精度，使得基于圓錐指數(shù)原理的土壤緊實度動態(tài)測量更加精準，操作更加方便。

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

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

(4)土壤緊實度傳感器與SC-900型土壤緊實度儀進行了性能對比，4種不同緊實度土體下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種不同緊實度土體下測量結(jié)果標準差沒有明顯差異，表明土壤緊實度傳感器在實際應(yīng)用中的測量準確性和穩(wěn)定性與SC-900型土壤緊實度儀性能相當。

1 彭曾愉. 土壤含水率及緊實度復(fù)合傳感器的研究與開發(fā)[D].北京:北京林業(yè)大學(xué),2011. PENG Zengyu. Research and development on soil moisture and soil compaction compound sensor[D].Beijing:Beijing Forestry University,2011.(in Chinese)

2 朱兆龍,孫宇瑞,馬道坤,等. 一種土壤剖面水分與堅實度同步測量裝置[J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2007,28(4):280-283. ZHU Zhaolong, SUN Yurui, MA Daokun, et al. An instrument for simultaneous measurement of soil water content and compaction[J]. Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition,2007,28(4):280-283. (in Chinese)

3 HERRERA S M. Development of a sensor for soil continuous compaction measurement[J]. Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 2011，20(1):6-11.

4 劉晚茍,山侖,鄧西平. 植物對土壤緊實度的反應(yīng)[J]. 植物生理學(xué)通訊,2001,37(3):254-260. LIU Wangou, SHAN Lun, DENG Xiping. Responses of plant to soil compaction[J]. Plant Physiology Communications,2001,37(3):254-260. (in Chinese)

5 馬紀琴. 播種行土壤實度測量系統(tǒng)的開發(fā)[D].太原:太原理工大學(xué),2015. MA Jiqin. Development of system for measuring seed row compaction[D]. Taiyuan:Taiyuan University of Technology,2015.(in Chinese)

6 張立彬. 土壤含水量和土壤緊實度對土壤圓錐指數(shù)值影響的試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,1993,9(2):41-44. ZHANG Libin. Test on effect of moisture and density on soil cone indexes[J]. Transactions of the CSAE,1993,9(2):41-44.(in Chinese)

7 RANDRUP T B, LICHTER J M. Measuring soil compaction on construction sites: a review of surface nuclear gauges and penetrometers[J].Journal of Arboriculture, 2001, 27(3):109-117.

8 SAEYS W, MOUAZEN A M, ANTHONIS J, et al. An automatic depth control system for on-line measurement of spatial variation in soil compaction[C]∥Proceedings of AgEng 2004, Technologisch Instituut Vzw, 2004.

9 TEKIN Y, OKURSOY R. Development of a hydraulic-driven soil penetrometer for measuring soil compaction in field conditions[J]. Journal of Applied Sciences, 2007, 7(6):918-921.

10 楊世琦, 吳會軍, 韓瑞蕓,等. 農(nóng)田土壤緊實度研究進展[J]. 土壤通報, 2016,47(1):226-232. YANG Shiqi, WU Huijun, HAN Ruiyun, et al. A review of soil compaction in farmland[J].Chinese Journal of Soil Science,2016,47(1):226-232.(in Chinese)

11 RONAI D, SHMULEVICH I. Comparative analysis of some soil compaction measurement techniques[J]. International Agrophysics, 1995, 12(1):165-182.

12 AL-GAADI K A. Employing electromagnetic induction technique for the assessment of soil compaction [J]. American Journal of Agricultural & Biological Science, 2012, 7(4):425-434.

13 白麗珍,朱惠斌,孔祥瑩. 土壤壓實度測量系統(tǒng)研究進展[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,35:12494-12496,12521. BAI Lizhen, ZHU Huibin, KONG Xiangying. Research progress of soil compaction measurement system[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2014,35:12494-12496,12521. (in Chinese)

14 王萍. 探地雷達檢測土壤緊實性的實驗研究和信號反演[D]. 北京:中國礦業(yè)大學(xué)(北京), 2010. WANG Ping. The experimental study andsignal inversion of ground penetrating radar for soil compaction detection[D].Beijing: China University of Mining &Technology (Beijing),2010.(in Chinese)

15 孟繁佳,馬道坤,孫宇瑞. 滾珠絲杠傳動的土壤圓錐指數(shù)儀設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2009,40(5):52-55. MENG Fanjia, MA Daokun, SUN Yurui. Soil cone penetrometer with ball screw transmission[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2009,40(5):52-55. (in Chinese)

16 ASAE S313.3 FEB04. Soil cone penetrometer[S]. 1998.

17 GOUTAL N, KELLER T, DéFOSSEZ P, et al. Soil compaction due to heavy forest traffic: measurements and simulations using an analytical soil compaction model[J]. Annals of Forest Science, 2013, 70(5):545-556.

18 洪添勝, BILLOT J F, MARIONNEAU A. 應(yīng)用自動圓錐儀對土壤壓實的試驗研究[J]. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 1996,17(3):7-11. HONG Tiansheng, BILLOT J F, MARIONNEAU A. Experiments and studies on soil compaction with an automatic penetrometer [J]. Journal of South China Agricultural University, 1996,17(3):7-11. (in Chinese)

19 隋文濤, 張丹. 傳感器靜態(tài)特性的評定[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2007, 26(3):80-81. SUI Wentao, ZHANG Dan. Evaluation of static characteristics of sensor[J]. Transducer and Microsystem Technologies, 2007, 26(3):80-81. (in Chinese)

20 徐科軍. 傳感器動態(tài)特性的實用研究方法[M]. 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社, 1999.

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

國家自然科學(xué)基金項目(31371537)、北京市科技計劃項目(Z116100000916012)和北京市共建項目專項

于文華(1956—)，男，教授，主要從事林火監(jiān)測與撲救研究，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)信息智能檢測與控制研究，E-mail: yandongzh@bjfu.edu.cn

S152.9； TU432

A

1000-1298(2017)04-0250-07