深松作业深度检测方法研究

卢祺+王安+赵建国+郝建军

摘 要：作为一项重要的保护性耕作技术，深松整地对于改善耕地质量、提高作物产量意义重大。深松深度是评价深松作业质量的一个重要指标。对目前常用的深松作业深度检测方法基本原理进行分析，并对其优缺点进行了对比。

关键词：保护性耕作；深松；耕深检测

中图分类号：S29 文献标识码：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

深松作業是实施保护性耕作的重要技术保障措施。实践表明，深松作业有利于作物的生长发育和提高作物产量。深松整地时，土壤被深松铲陆续抬起后又逐步回落到原位，通过土壤的上下移动以及撕裂、挤压和扰动作用，有效破坏犁底层，从而达到改善土壤耕层结构、增强土壤蓄水保墒和抗旱防涝能力的目的。深松深度是评价深松质量的主要指标之一，作业深度是否合适和达标，直接影响深松作业质量。早期作业深度是人工使用铁棍、卷尺抽查[1]。受人为因素和土壤条件的影响，测量精度难以保证[2]。尤其对于松软的土壤，沟底与已耕土壤很难分清，直接影响到手工测量的准确性；其次，手工测定只能得到有限的离散数据，无法测量耕深的连续变化情况，这样就会给数据处理、动态特性方面的研究带来不便[4]。另外，人工测定耕深劳动强度大、效率低，而且极易产生人为误差。为加强对作业质量的监控，近年来科研工作者针对深松深度检测进行了大量的研究。其中超声波测距、随地仿形机构检测、机具姿态综合探测等深松质量动态监测方法备受关注和青睐。

1 超声波测距

超声波测距的原理采用渡越时间法，即

L=Ct/2（1）

式中 L—测试距离；

C—声波在介质中的传输的速率；

t—声波传输所用的时间。

在使用时，如果温度变化不大，则可认为超声波的声速是基本不变的，如果测距精度要求高时，则应采用温度补偿的方法加以矫正。

超声波在空气中传输速率为：

C=CO+0.607T （2）

式中 T—绝对温度；CO=331.4 m/s。

因为超声波遇到障碍物立即返回，因此无法直接测量耕深，所以采用间接法检测耕深[3]，如图1所示。先测工作初深松机架与地面的距离L1，然后再测得深松铲到达最大深度时深松机架与地面的距离L2，则更深L为：

L=L1-L2（3）

式中 L1—深松机架与地面的距离；

L2—刀具到达最大深度时深松机架与地面的距离；

L—耕深。

2 随地仿形机构检测

依据螺管形差动变压器原理（如图2所示），将位移变化转换成电压信号，并经V/F转换器将电压信号转换为频率变化量输出。滑掌和圆柱形铁心连接成一整体。工作时，滑掌走在未耕地上，当滑掌随地面起伏时，带动耕深传感器铁心在保护套内上、下移动，将耕深转换为频率输出[2-3，8]。

差动变压器的线圈中心插入圆柱形铁心，次级线圈N1及N2反极性串接，整个螺管形变压器安装在保护套管内。当初级线圈N加上激励交流电压时，次级线圈N1及N2分别产生感应电势u21与u22，其大小与铁心位置有关，当铁心在中心位置时，u21 = u22，输出电压u0= 0。铁心向上运动时u21> u22；铁心向下运动时u21< u22。根据u0的值可以换算到铁心位移量，从而可确定其耕深。

3 机具姿态综合探测

机具姿态综合探测的基本原理是先测量提升臂的转动角度，再由转动角度和耕深的拟合曲线间接测量耕深。提升臂转动角度的测量可分为两种形式：一是由悬挂机构的几何关系，通过数学公式推导，由液压缸活塞位移量间接测量提升臂的转动角度；二是利用传动机构直接测量提升臂的转动角度。

间接测量（如图3所示），以倾角传感器测量提升臂水平倾角，然后根据三点式悬挂机构的几何关系推导出耕深[5，6]。倾角传感器安装在提升臂上。挂接好农具后，调节杆件使农具至最大耕作深度时机架横梁处于水平位置，运用Matlab仿真计算，测量计算不同深度的耕深，液压缸活塞位移与悬挂连接农具耕作深度之间的拟合曲线，然后根据提升臂水平角度计算出提升臂液压缸活塞位移。从而间接计算出耕深。

直接测量（如图4所示），固定在拖拉机上的角度传感器通过连杆机构和轴承与提升臂相连接，当耕深改变时，拖拉机的下拉杆随之上下运动，于是与下拉杆相连接的提升臂也会有一个相应的转角变化；同时角度传感器的转轴也在连杆的作用下随提升臂同步转动，根据角度传感器阻值的变化，再根据对应的几何关系所建立的数学模型间接测出此时的耕深[7]。

4 结论

（1）超声波测量，需要加装镇压轮装置[8]，把松软的土地表面压实，避免超声波测距传感器在松软的土壤上反射波信号微弱，无法进行准确可靠测量；同时也可以采用减小超声波测距盲区电路[9]在不增加功率的前提下，提高超声波传感器的灵敏度。

（2）采用随地仿形装置，可通过调整随地仿形机构的连接部件，安装各种类型的深松机，安装方便，适用性强；但由于其工作原理，装置触土部件需长期与地面接触，装置相对容易发生故障或损坏；其设备体积大，安装不方便。

（3）机具姿态综合探测，测量机架与地面的角度的变化，其设备体积小，便于安装；不受粉尘和雨水影响可以在恶劣环境中工作；能适用于各种地形深松作业，不受机具震动和地形颠簸影响；但其电路集成化程度高，价格相对昂贵同时不方便农民维修。

参考文献：

[1] 董达.山东探索引入深松作业科技监测管理[N].中国县域经济报，2015-04-02（10）.

[2] 刘婞韬，牛康，李治国，等.深松作业质量监测系统的设计与应用[J].中国农机化学报，2016（9）：163.

[3] 高蕾，杨方，王润涛，等.旋耕机松土深度檢测系统设计[J].农机化研究，2013（5）：159.

[4] 李玲，李志刚.耕深电子测试系统[J].农业机械，2001（10）：51.

[5] 谢斌，李皓，朱忠祥，等.基于倾角传感器的拖拉机悬挂机组耕深自动测量方法[J].农业工程学报，2013（4）：15.

[6] 吴维雄，马荣朝.悬挂犁耕机组耕深自动控制的研究[J].农机化研究，2007（9）：77.

[7] 康杰，聂有红，何家慧，等.耕深电子测量和显示装置的设计与试验研究[J].农机化研究，2015（1）：128.

[8] 贾洪雷，王文君，庄健，等.仿形弹性镇压辊设计与试验[J].农业机械学报，2015（6）：28.

[9] 李国智，陈诚.一种减小超声波测距盲区的电路[P].上海：CN202119911U，2012-01-18.