深松作業深度檢測方法研究

盧祺+王安+趙建國+郝建軍

摘 要：作為一項重要的保護性耕作技術，深松整地對于改善耕地質量、提高作物產量意義重大。深松深度是評價深松作業質量的一個重要指標。對目前常用的深松作業深度檢測方法基本原理進行分析，并對其優缺點進行了對比。

關鍵詞：保護性耕作；深松；耕深檢測

中圖分類號：S29 文獻標識碼：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

深松作業是實施保護性耕作的重要技術保障措施。實踐表明，深松作業有利于作物的生長發育和提高作物產量。深松整地時，土壤被深松鏟陸續抬起后又逐步回落到原位，通過土壤的上下移動以及撕裂、擠壓和擾動作用，有效破壞犁底層，從而達到改善土壤耕層結構、增強土壤蓄水保墑和抗旱防澇能力的目的。深松深度是評價深松質量的主要指標之一，作業深度是否合適和達標，直接影響深松作業質量。早期作業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確性；其次，手工測定只能得到有限的離散數據，無法測量耕深的連續變化情況，這樣就會給數據處理、動態特性方面的研究帶來不便[4]。另外，人工測定耕深勞動強度大、效率低，而且極易產生人為誤差。為加強對作業質量的監控，近年來科研工作者針對深松深度檢測進行了大量的研究。其中超聲波測距、隨地仿形機構檢測、機具姿態綜合探測等深松質量動態監測方法備受關注和青睞。

1 超聲波測距

超聲波測距的原理采用渡越時間法，即

L=Ct/2（1）

式中 L—測試距離；

C—聲波在介質中的傳輸的速率；

t—聲波傳輸所用的時間。

在使用時，如果溫度變化不大，則可認為超聲波的聲速是基本不變的，如果測距精度要求高時，則應采用溫度補償的方法加以矯正。

超聲波在空氣中傳輸速率為：

C=CO+0.607T （2）

式中 T—絕對溫度；CO=331.4 m/s。

因為超聲波遇到障礙物立即返回，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。先測工作初深松機架與地面的距離L1，然后再測得深松鏟到達最大深度時深松機架與地面的距離L2，則更深L為：

L=L1-L2（3）

式中 L1—深松機架與地面的距離；

L2—刀具到達最大深度時深松機架與地面的距離；

L—耕深。

2 隨地仿形機構檢測

依據螺管形差動變壓器原理（如圖2所示），將位移變化轉換成電壓信號，并經V/F轉換器將電壓信號轉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，滑掌走在未耕地上，當滑掌隨地面起伏時，帶動耕深傳感器鐵心在保護套內上、下移動，將耕深轉換為頻率輸出[2-3，8]。

差動變壓器的線圈中心插入圓柱形鐵心，次級線圈N1及N2反極性串接，整個螺管形變壓器安裝在保護套管內。當初級線圈N加上激勵交流電壓時，次級線圈N1及N2分別產生感應電勢u21與u22，其大小與鐵心位置有關，當鐵心在中心位置時，u21 = u22，輸出電壓u0= 0。鐵心向上運動時u21> u22；鐵心向下運動時u21< u22。根據u0的值可以換算到鐵心位移量，從而可確定其耕深。

3 機具姿態綜合探測

機具姿態綜合探測的基本原理是先測量提升臂的轉動角度，再由轉動角度和耕深的擬合曲線間接測量耕深。提升臂轉動角度的測量可分為兩種形式：一是由懸掛機構的幾何關系，通過數學公式推導，由液壓缸活塞位移量間接測量提升臂的轉動角度；二是利用傳動機構直接測量提升臂的轉動角度。

間接測量（如圖3所示），以傾角傳感器測量提升臂水平傾角，然后根據三點式懸掛機構的幾何關系推導出耕深[5，6]。傾角傳感器安裝在提升臂上。掛接好農具后，調節桿件使農具至最大耕作深度時機架橫梁處于水平位置，運用Matlab仿真計算，測量計算不同深度的耕深，液壓缸活塞位移與懸掛連接農具耕作深度之間的擬合曲線，然后根據提升臂水平角度計算出提升臂液壓缸活塞位移。從而間接計算出耕深。

直接測量（如圖4所示），固定在拖拉機上的角度傳感器通過連桿機構和軸承與提升臂相連接，當耕深改變時，拖拉機的下拉桿隨之上下運動，于是與下拉桿相連接的提升臂也會有一個相應的轉角變化；同時角度傳感器的轉軸也在連桿的作用下隨提升臂同步轉動，根據角度傳感器阻值的變化，再根據對應的幾何關系所建立的數學模型間接測出此時的耕深[7]。

4 結論

（1）超聲波測量，需要加裝鎮壓輪裝置[8]，把松軟的土地表面壓實，避免超聲波測距傳感器在松軟的土壤上反射波信號微弱，無法進行準確可靠測量；同時也可以采用減小超聲波測距盲區電路[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，可通過調整隨地仿形機構的連接部件，安裝各種類型的深松機，安裝方便，適用性強；但由于其工作原理，裝置觸土部件需長期與地面接觸，裝置相對容易發生故障或損壞；其設備體積大，安裝不方便。

（3）機具姿態綜合探測，測量機架與地面的角度的變化，其設備體積小，便于安裝；不受粉塵和雨水影響可以在惡劣環境中工作；能適用于各種地形深松作業，不受機具震動和地形顛簸影響；但其電路集成化程度高，價格相對昂貴同時不方便農民維修。

參考文獻：

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[3] 高蕾，楊方，王潤濤，等.旋耕機松土深度檢測系統設計[J].農機化研究，2013（5）：159.

[4] 李玲，李志剛.耕深電子測試系統[J].農業機械，2001（10）：51.

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[6] 吳維雄，馬榮朝.懸掛犁耕機組耕深自動控制的研究[J].農機化研究，2007（9）：77.

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[8] 賈洪雷，王文君，莊健，等.仿形彈性鎮壓輥設計與試驗[J].農業機械學報，2015（6）：28.

[9] 李國智，陳誠.一種減小超聲波測距盲區的電路[P].上海：CN202119911U，2012-01-18.