水田土壤剪切强度测量仪的设计与试验

摘要

水田在我国耕地中占有很大比例，对我国的粮食生产起着举足轻重的作用。在水田耕整、播种、管理以及收获技术的研究中，研究者发现水田土壤的物理机械特性对于农机装备的设计以及性能产生显著影响，尤其在土壤耕整机械和农用车辆的行走机构结构设计以及整机功耗计算方面都需要获取土壤的一项重要参数——剪切强度。在此背景下，开展实时快速测量水田土壤剪切强度的便携式仪器研究显得十分必要。围绕上述主题，本文开展了如下研究：
　　（1）进行了水田土壤剪切强度测量仪结构设计。在参考大量国内外文献资料的基础上，基于转角测量原理和差动测量原理以及采用十字板旋转剪切土壤以测定土壤剪切强度的测量方式，设计了一种水田土壤剪切强度测量仪。该测量仪采用三种规格（60mm×30mm×2mm、80mm×40mm×2mm和100mm×50mm×2mm）的十字剪切板对100mm~200mm深度处土壤剪切强度进行快速测量。
　　（2）进行了测量系统设计。基于超低功耗MSP430单片机控制技术设计了一套剪切扭矩测量系统。该系统由电源分压模块、电机调速换向模块、数据采集模块和数据显示模块组成。电源分压模块将12V的直流电源降压后为减速电机、单片机控制系统和霍尔转速传感器供电；基于PWM脉宽调制技术设计了电机调速换向模块，实现了减速电机的启、停及无极调速功能；基于霍尔转速传感器设计了数据采集模块，实现了信号齿轮转速脉冲的采集与传输，提高了系统的抗干扰能力；基于12864LCD液晶显示屏设计的数据显示模块可对系统处理后的扭矩信号实时显示。
　　（3）进行了水田土壤剪切强度测量仪扭矩测试系统校准试验。为检测该水田土壤剪切强度测量仪的性能，进行了扭矩测试系统的校准试验。以弹性轴转速以及砝码质量为影响因素开展了扭矩测量试验，并进行了不同砝码质量下弹性轴转速对扭矩测量值影响的单因素方差分析，以及不同转速条件下砝码质量对扭矩测量值影响的线性回归分析。方差分析表明转速对扭矩测量的影响不显著，线性回归分析得出了不同转速下的回归方程，将线性回归方程与理论扭矩函数做了对比，根据对比情况对回归方程做了校正。试验结果表明本文设计的水田土壤剪切强度测量仪的测试结果和测试速度基本满足实际生产需要，可用于一般水田土壤剪切强度的快速原位测量。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究目的及意义

1.2国内外研究进展

1.3水田土壤剪切强度测量方法

1.4研究内容与方法

1.5本章小结

2.1水田土壤剪切强度测量仪工作原理

2.2测量仪主要部件设计

2.3本章小结

3.1测试系统总体方案

3.2系统硬件构建

3.3系统的软件开发

3.4本章小结

4.1扭矩测量系统校准装置

4.2扭矩测量系统校准试验设计

4.3校准试验结果与分析

4.4本章小结

第5章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

附录

附1 单片机控制程序

附2 扭矩测量系统校准试验数据

附3 攻读硕士学位期间参与的研究项目

致谢