[發明專利]一種多向無線土壓力傳感器

在審

• 申請號: 201810019396.2
• 申請日: 2018-01-09
• 公開（公告）號: CN107957305A
• 公開（公告）日: 2018-04-24
• 發明（設計）人: 劉立意;徐鏡先;楊超;劉卓然;柳金明;陳旭輝
• 申請（專利權）人: 東北農業大學
• 主分類號: G01L1/22
• 分類號: G01L1/22;G01L5/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種測量土壤等介質內部壓應力的多向無線土壓力傳感器，尤其是涉及一種測量農田耕地土壤壓力的傳感裝置。

技術背景

在現代農業中，隨著農業機械化的發展，土壤的機械壓實問題日益嚴重，并給農業生產造成嚴重的影響。現在我國對土壤壓實的評價主要通過多道面波法、土壤緊實度法、土壤容重法以及土壤孔隙度法來測量土壤的機械壓實度，但是都是土壤壓實后的靜態土壓力測量，而無法研究土壤壓實過程中的土壤壓力變化。目前，國外開始采用土壓力傳感器來測量土壤被壓實過程中土壤壓力變化，但是還存在以下不足：

(1)膜盒式等土壓力傳感器承壓面與敏感元件為一體，當介質不均或載荷不勻時會產生較大的測量誤差。

(2)單支傳感器僅能測量單向土壤壓力，不能同時測量多向土壤壓力。

(3)有線連接，外部供電，連接繁瑣，對土壤擾動大。

發明內容

為了滿足農田耕地土壤壓力測量要求，本發明設計了一種多向無線土壓力傳感器，能夠適應土壤壓力場不均勻時的測量，單支傳感器可以同時測量三個方向六個面的土壓力，并實現了數據無線傳輸測量的功能。此裝置采用電阻應變式的測量方法，結構簡單，成本低廉，使用方便，可廣泛適用于土壤多向應力綜合監測。

為了實現上述測量的目的，本發明設計了一種多向無線土壓力傳感器，包含球形六面體骨架、承壓盤、環形壓塊、測力梁、密封圈和測量電路板。

所述的球形六面體骨架開有相互正交3個通孔，在球形六面體骨架表面形成6個孔。

所述的測力梁嵌入到6個孔內，在測力梁中部粘貼有4片應變計，采用全橋聯接測量電路。

所述的環形壓塊為圓餅形，中心開有導向孔，外緣為導向面并設有密封凹槽，環形壓塊壓在測力梁上，并通過螺栓固定牢固。

所述的承壓盤為圓盤形，置于六面球形骨架最外部，扣在環形壓塊上，承壓盤的中心設有頂桿，用于傳遞承壓盤壓力至測力梁上。

所述的密封圈放置與承壓盤和環形壓塊之間的凹槽內，用于防塵、緩沖和防止壓盤脫落。

所述的測量電路板置于球形六面體骨架中，由應變傳感器、放大器、多路轉換器、AD 轉換器、單片機、無線數傳模塊、電池和充電單元組成。

在本發明中，所述的傳感器六個面的每支應變傳感器輸出的電壓信號經放大器調理后接入多路轉換器，多路轉換器輸出經AD轉換器將模擬電壓信號變換為數字信號，數字信號由單片機處理后經無線數傳模塊發送給無線協調器，無線協調器接收到的數字信號通過串口發送到電腦端進一步處理后記錄和顯示。

本發明相對現有的土壓力傳感器具有以下特點：

(1)承壓盤、環形壓塊、測力梁結構方式使承壓盤和測力敏感元件分離，可以避免土壤應力在承壓盤上不均勻分布導致的測量誤差。

(2)球形六面體骨架式的傳感器，采用六個面都放置測量模塊的方式，可以同時測量三個互相垂直方向的土壓力。

(3)本發明采用電阻應變式的方法和無線數據傳輸，傳感器結構簡單，操作簡便，成本低廉，可以更好適應農業生產。

附圖說明

圖1是本發明的多向無線土壓力傳感器的主體軸側圖。

圖2是本發明的多向無線土壓力傳感器的主體剖視圖。

圖3是本發明的球形六面體骨架的軸測圖。

圖4是本發明的傳感器測量電路框圖。

圖中：1.球形六面體骨架；2.測力橫梁；3.環形壓塊；4.密封圈；5.承壓盤；6.測量電路板7.電阻應變片。

具體實施方式

本發明的目的是提供一種多向無線土壓力傳感器。球形六面體骨架為金屬或工程塑料可以采用數控或3D打印方式來完成，其外徑為80mm，內部空間放置測量電路板。在球形六面體骨架的六個面分別做直徑為45mm的孔，用以放置橫梁和固定橫梁的環形柱體。

根據橫梁兩端固定，可以導出其中心彎矩公式：

M＝pl/8

W＝bh²/₆

其中M為中心點的彎矩，p為中心點承受的壓力值，W是該材料的抗彎截面模量，b 是橫梁的寬，h為橫梁的高。查詢材料的許用載荷，根據公式可以求出測力橫梁橫梁相應的寬和高，且可以通過上述公式理論計算出該地方的土壤壓力值。