CN111289287B - 一种土壤采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种土壤采样装置，其包括采样机构，所述采样机构包括钻杆、两个以上的取样盒以及连杆传动机构；两个以上的取样盒在钻杆的长度方向上间隔设置，以及在钻杆的周向上间隔设置；所述钻杆上设置有用于容纳所述取样盒的凹槽；两个以上取样盒在连杆传动机构的驱动下，同步伸出或退回所述凹槽，用于同时采取两个以上的土壤样品。本申请在钻杆上设置有若干取样盒，取样盒设置在不同高度和不同周向上，在取样时，可以同时获取多个土壤样品，提高了取样效率，同时土样样品数量增加，土壤采样更加准确，避免了过去单个样品的偶然因素导致的误差。

Description

一种土壤采样装置

技术领域

本发明涉及土壤采样技术领域，尤其是涉及一种用于森林、草原、耕地等土壤监测时土壤样本采集的土壤采样装置和方法。

背景技术

森林、草原或者耕地等较软地质监测时，需要定期或不定期地采集设定深度的土壤样本进行分析。而现有的土壤样本采集多采用人工挖掘的方式，费时费力，效率低下。

发明内容

本发明的目的在于提供一种土壤采样装置，以解决现有技术中存在的至少一个上述技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种土壤采样装置，包括采样机构，所述采样机构包括：钻杆、两个以上的取样盒以及连杆传动机构；

两个以上的取样盒在钻杆的长度方向上间隔设置，以及在钻杆的周向上间隔设置；

所述钻杆上设置有用于容纳所述取样盒的凹槽；两个以上取样盒在连杆传动机构的驱动下，同步伸出或退回所述凹槽，用于同时采取两个以上的土壤样品。

本申请在钻杆上设置有若干取样盒，取样盒设置在不同高度和不同周向上，在取样时，可以同时获取多个土壤样品，提高了取样效率，同时土样样品数量增加，土壤采样更加准确，避免了过去单个样品的偶然因素导致的误差。

进一步地，所述连杆传动机构包括平行四边形连杆机构、支撑杆和推杆；

所述平行四边形连杆机构包括等长的第一连杆和第二连杆；第一连杆和第二连杆的一端与所述钻杆铰连接，第一连杆和第二连杆的另一端与所述取样盒铰连接；所述平行四边形连杆机构用于保证取样盒的开口方向(或者长度方向)始终与所述钻杆垂直；

支撑杆的一端与所述取样盒铰连接；支撑杆的另一端与所述推杆的一端铰连接；推杆可沿钻杆轴向滑动地设在钻杆内部的导向孔内，推杆另一端通导向孔向钻杆的尾部延伸。

通过推拉推杆以及支撑杆实现所述取样盒伸出或退回凹槽，进而实现土壤取样动作。

其中，优选地，钻杆的头部设置有用于钻孔的钻头部，而取样盒通过平行四边形连杆机构以及支撑杆设置在钻杆的中间部位上，推杆一端与支撑杆连接，另一端通过钻杆内设置的导向孔向钻杆的尾部延伸。

进一步地，所述凹槽内的左右两侧面上沿钻杆长度方向设置有导向槽，支撑杆的另一端通销轴可滑动地连接在导向槽上。

进一步地，还包括用于封盖所述取样盒开口的耙爪式盖体；耙爪式盖体由相对设置的第一半体和第二半体拼装而成；第一半体上设置若干个第一耙爪，第二半体上设置有若干个第二耙爪，在宽度方向上，若干个第一耙爪和若干个第二耙爪依次交错设置；

在钻杆长度方向上，支撑杆和第一连杆对称设置在取样盒的上下两侧；第一半体固定设置在所述第一连杆的延长部上，第二半体固定设置在所述支撑杆的延长部上；取样盒伸出或退回凹槽过程中，第一连杆和支撑杆相对于取样盒摆转，进而带动第一半体和第二半体的开启和闭合。

具体而言，取样盒伸出凹槽过程中，第一连杆和支撑杆相对于取样盒正向摆转，带动第一半体和第二半体张开，打开取样盒的开口，使得土样落入取样盒内，而当取样盒退回凹槽过程中，第一连杆和支撑杆相对取样盒反向摆转，进而带动第一半体和第二半体闭合，将取样盒开口封盖住。

进一步地，所述第一耙爪和第二耙爪的末端以及背离所述钻杆一侧设置有松土爪部(松土爪部为与耙爪呈夹角设置的尖状凸起)。所述取样盒伸出所述凹槽过程中，松土爪部用于松动钻孔侧壁的土壤，被松动的土壤经第一耙爪间隙或第二耙爪间隙落入取样盒内。

设置松土爪部后，则不需要取样盒挤入土壤内取样，从而可以避免取样盒卡在钻孔侧壁内、轻松收回取样盒以及将整个装置从钻孔中取出，以及减小取样时支撑杆和推杆的作用力，可轻松实现土壤取样的同时，提高整个装置的使用寿命，降低维护成本，提高取样效率。

进一步地，还包括：支架、升降机构和升降架；所述升降架通过所述升降机构可上下移动地设置在所述支架上；所述采样机构设置在所述升降架上，随着升降架上下移动。

进一步地，所述采样机构还包括：采样电机(优选为步进电机)、主套管、副套管和卷绕弹簧；

所述主套管固定连接在所述采样电机的动力输出轴上；

所述钻杆的上端尾部可上下滑动地插装在所述主套管内；

所述副套管可转动地套装在所述主套管和所述钻杆外；

所述主套管的外圆中下部上设置有外螺纹段；所述副套管内上端设置有径向上内凸的环台；所述环台上设置有与所述外螺纹段配合的内螺纹；

所述主套管上在所述外螺纹段的上下两端分别设置有上限位结构和下限位结构；

在无外力作用下，所述卷绕弹簧的中间孔径小于所述钻杆尾部外径，所述卷绕弹簧设置在所述副套管内，以及缠绕在所述钻杆尾部外；

所述卷绕弹簧的两端包括：下端设置的固定端和上端设置的自由端；固定端与所述副套管固定连接；

所述主套管的下端固定设置有解锁保持部；解锁保持部的下端设置螺旋形的楔形导入块；

采样电机反转、主套管相对所述副套管相对反向转动，楔形导入块逐渐楔入自由端和钻杆之间，并通过将所述自由端抬起而迫使所述卷绕弹簧的中间孔径变大，进而解除对所述钻杆的锁定；所述解锁保持部跟随所述楔形导入块插入所述自由端和钻杆之间，用于维持卷绕弹簧的解锁状态，钻杆与卷绕弹簧和副套管之间可相对转动以及可相对上下移动；所述环台的上端面抵靠在所述上限位结构上后，采样电机动力输出轴通过主套管可带动所述副套管反转；所述副套管下端与所述推杆另一端(上端)连接，用于升降架上下移动时(此时钻杆和卷绕弹簧处于解锁状态)带动所述推杆沿钻杆轴向移动；

采样电机正转，主套管相对所述副套管相对正向转动，解锁保持部和楔形导入块依次从自由端和钻杆之间退出，卷绕弹簧依靠自身弹性力与钻杆固定连接(卷绕弹簧把钻杆紧抱住)，副套管通过所述固定端可带动所述卷绕弹簧和钻杆正转；所述环台的下端面抵靠在所述下限位结构上后，采样电机动力输出轴依次通过主套管、副套管、卷筒弹簧带动所述钻杆正转。

进一步地，还包括套环和连接翼板，所述套环可上下滑动地套装在所述钻杆上；套环通过止推轴承与所述副套管下端连接(在副套管的周向上，套环与副套管可相对转动；在副套管的轴向上，套环与副套管相对固定连接)；

钻杆上沿其轴向设置有连通所述导向孔内外的条形槽；连接翼板可滑动地插装在条形槽内，连接翼板的内外两端分别与所述推杆和套环固定连接。

进一步地，所述升降机构包括：升降电机、传动螺杆和传动螺母；传动螺母与所述升降架固定连接；传动螺杆可转动地设置在所述支架上，升降电机的动力输出轴与传动螺杆连接。升降电机依次通过传动螺杆和传动螺母带动所述升降架上下移动。

其中，优选地，所述支架上竖直设置有用于升降架上下移动时导向的导向结构。例如，竖直设置的导向柱、导向槽，升降架上设置有与导向柱适配的导向孔，或与导向槽适配的滑块等。

进一步地，还包括控制器(例如CPU、单片机或微信电脑)，所述控制器分别与所述升降电机和所述采样电机电控连接。

进一步地，还包括夹持组件，所述夹持组件设置在所述支架的中下端，用于夹持锁定所述钻杆。夹持组件可以在钻杆和卷绕弹簧发生卡死，楔形导入块无法插入或拔出时，通过夹紧钻杆，强制性地迫使钻杆停止转动，从而顺利完成解锁或锁定状态的转变。

进一步地，所述夹持组件包括：所述钻杆两侧对称设置的夹持头和伸缩件(例如气缸、油缸或电动伸缩杆)；夹持头在伸缩件的驱动下可靠近钻杆，进而可抱紧锁定钻杆，阻止钻杆转动、上下移动；夹持头在伸缩件的驱动下远离所述钻杆，进而可解除多钻杆的锁定。

另外，升降架上设置有用于副套管限位的限位孔，副套管可上下滑动地插装在限位孔内。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的一种土壤采样装置，自动化程度更高，能够根据设定模式自动实现土壤采集，省时省力，效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的采样机构中钻杆部分的结构示意图；

图2为图1中取样盒的侧视图；

图3为图2中取样盒耙爪式盖体的俯视图；

图4为耙爪式盖体分解示意图；

图5为本发明实施例提供的土壤采样装置的结构示意图；

图6为图5中的主套管和副套管之间螺纹连接处的局部示意图；

图7为卷绕弹簧、钻杆以及主套管连接处剖视图；

图8为图5中B处放大图；

图9为夹持组件的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合具体的实施方式对本发明做进一步的解释说明。

如图1所示，本实施例提供的一种土壤采样装置，包括采样机构100，采样机构100包括：钻杆110、两个以上的取样盒120以及连杆传动机构130；

两个以上的取样盒120在钻杆110的长度方向上间隔设置，以及在钻杆110的周向上间隔设置；

钻杆110上设置有用于容纳取样盒120的凹槽111；两个以上取样盒120在连杆传动机构130的驱动下，同步伸出或退回凹槽111，用于同时采取两个以上的土壤样品。

本申请在钻杆110上设置有若干取样盒120，取样盒120设置在不同高度和不同周向上，在取样时，可以同时获取多个土壤样品，提高了取样效率，同时土样样品数量增加，土壤采样更加准确，避免了过去单个样品的偶然因素导致的误差。

连杆传动机构130包括平行四边形连杆机构、支撑杆131和推杆132；

平行四边形连杆机构包括等长的第一连杆133和第二连杆134；第一连杆133和第二连杆134的一端与钻杆110铰连接，第一连杆133和第二连杆134的另一端与取样盒120铰连接；平行四边形连杆机构用于保证取样盒120的开口方向(或者长度方向)始终与钻杆110垂直；

支撑杆131的一端与取样盒120铰连接；支撑杆131的另一端与推杆132的一端铰连接；推杆132可沿钻杆110轴向滑动地设在钻杆110内部的导向孔内，推杆132另一端通导向孔向钻杆110的尾部延伸。

通过推拉推杆132以及支撑杆131实现取样盒120伸出或退回凹槽111，进而实现土壤取样动作。

其中，优选地，钻杆110的头部设置有用于钻孔的钻头部，而取样盒120通过平行四边形连杆机构以及支撑杆131设置在钻杆110的中间部位上，推杆132一端与支撑杆131连接，另一端通过钻杆110内设置的导向孔112向钻杆110的尾部延伸。

在本实施例中，凹槽111内的左右两侧面上沿钻杆110长度方向设置有导向槽113，支撑杆131的另一端通销轴可滑动地连接在导向槽上。

如图1-4所示，本实施例还包括用于封盖取样盒120开口的耙爪式盖体；耙爪式盖体由相对设置的第一半体210和第二半体220拼装而成；第一半体210上设置若干个第一耙爪211，第二半体220上设置有若干个第二耙爪221，在宽度方向上，若干个第一耙爪和若干个第二耙爪依次交错设置。在钻杆110长度方向上，支撑杆131和第一连杆133对称设置在取样盒120的上下两侧；第一半体固定设置在第一连杆133的延长部上，第二半体固定设置在支撑杆131的延长部上；取样盒120伸出或退回凹槽111过程中，第一连杆133和支撑杆131相对于取样盒120摆转，进而带动第一半体和第二半体的开启和闭合。

具体而言，取样盒120伸出凹槽111过程中，第一连杆133和支撑杆131相对于取样盒120正向摆转，带动第一半体和第二半体张开，打开取样盒120的开口，使得土样落入取样盒120内，而当取样盒120退回凹槽111过程中，第一连杆133和支撑杆131相对取样盒120反向摆转，进而带动第一半体和第二半体闭合，将取样盒120开口封盖住。

第一耙爪和第二耙爪的末端以及背离钻杆110一侧设置有松土爪部201(松土爪部为与耙爪呈夹角设置的尖状凸起)。取样盒120伸出凹槽111过程中，松土爪部用于松动钻孔侧壁的土壤，被松动的土壤经第一耙爪间隙或第二耙爪间隙落入取样盒120内。

设置松土爪部后，则不需要取样盒120挤入土壤内取样，从而可以避免取样盒120卡在钻孔侧壁内、轻松收回取样盒120以及将整个装置从钻孔中取出，以及减小取样时支撑杆131和推杆132的作用力，可轻松实现土壤取样的同时，提高整个装置的使用寿命，降低维护成本，提高取样效率。

如图5所示，本实施例还包括：支架10、升降机构30和升降架20；升降架20通过升降机构可上下移动地设置在支架10上；采样机构100设置在升降架20上，随着升降架20上下移动。

采样机构100还包括：采样电机41(优选为步进电机)、主套管42、副套管43和卷绕弹簧44；

主套管42固定连接在采样电机41的动力输出轴上；

钻杆110的上端尾部可上下滑动地插装在主套管42内；

副套管43可转动地套装在主套管42和钻杆110外；

如图6和7所示，主套管42的外圆中下部上设置有外螺纹段42a；副套管43内上端设置有径向上内凸的环台43a；环台上设置有与外螺纹段配合的内螺纹。主套管42上在外螺纹段的上下两端分别设置有上限位结构42b和下限位结构42c；在无外力作用下，卷绕弹簧44的中间孔径小于钻杆110尾部外径，卷绕弹簧44设置在副套管43内，以及缠绕在钻杆110尾部外。卷绕弹簧44的两端包括：下端设置的固定端和上端设置的自由端44a；固定端与副套管43固定连接。主套管42的下端固定设置有解锁保持部42d(具体为一套筒段)；解锁保持部的下端设置螺旋形的楔形导入块42e。

采样电机41反转、主套管42相对副套管43相对反向转动，楔形导入块42e逐渐楔入自由端44a和钻杆110之间，并通过将自由端抬起而迫使卷绕弹簧44的中间孔径变大，进而解除对钻杆110的锁定；解锁保持部42c跟随楔形导入块插入自由端44a和钻杆110之间，用于维持卷绕弹簧44的解锁状态，钻杆110与卷绕弹簧44和副套管43之间可相对转动以及可相对上下移动；环台的上端面抵靠在上限位结构上后，采样电机41动力输出轴通过主套管42可带动副套管43反转；副套管43下端与推杆132上端连接，用于升降架20上下移动时(此时钻杆110和卷绕弹簧44处于解锁状态)带动推杆132沿钻杆110轴向移动；具体而言，如图8所示，套环70可上下滑动地套装在钻杆110上；套环70通过止推轴承71与副套管43下端连接(在副套管43的周向上，套环与副套管43可相对转动；在副套管43的轴向上，套环与副套管43相对固定连接)；钻杆110上沿其轴向设置有连通导向孔112内外的条形槽114；连接翼板72可滑动地插装在条形槽114内，连接翼板的内外两端分别与推杆132和套环70固定连接。

当采样电机41正转，主套管42相对副套管43相对正向转动，解锁保持部和楔形导入块依次从自由端和钻杆110之间退出，卷绕弹簧44依靠自身弹性力与钻杆110固定连接(卷绕弹簧44把钻杆110紧抱住)，副套管43通过固定端可带动卷绕弹簧44和钻杆110正转；环台的下端面抵靠在下限位结构上后，采样电机41动力输出轴依次通过主套管42、副套管43、卷筒弹簧带动钻杆110正转，从而通过钻杆在土壤内打孔。

如图5所示，升降机构30包括：升降电机31、传动螺杆33和传动螺母32；传动螺母与升降架20固定连接；传动螺杆可转动地设置在支架10上，升降电机的动力输出轴与传动螺杆连接。升降电机依次通过传动螺杆和传动螺母带动升降架20上下移动。

其中，优选地，支架10上竖直设置有用于升降架20上下移动时导向的导向结构。例如，竖直设置的导向柱、导向槽，升降架20上设置有与导向柱适配的导向孔，或与导向槽适配的滑块等。

另外本实施例还包括控制器(例如CPU、单片机或微信电脑)，控制器分别与升降电机和采样电机41电控连接。控制器为现有技术，在此不再赘述。

在上述技术方案中优选地还包括夹持组件60，夹持组件设置在支架10的中下端，用于夹持锁定钻杆110。夹持组件可以在钻杆110和卷绕弹簧44发生卡死，楔形导入块无法插入或拔出时，通过夹紧钻杆110，强制性地迫使钻杆110停止转动，从而顺利完成解锁或锁定状态的转变。另外，在钻杆伸入土壤设定深度后，通过采样电机反转接触钻杆与卷绕弹簧的锁定状态，通过夹持组件固定钻杆，后启动升降机构，升降架、主套管、副套管、连接翼板、推杆向下移动，并通过支撑杆将取样盒推出凹槽，利用耙爪松土并取样。升降机构反动，升降架、主套管、副套管、连接翼板、推杆向上移动，并通过支撑杆将取样盒退回凹槽，实现土样的封存。

如图9所示，夹持组件包括：钻杆110两侧对称设置的夹持头62和伸缩件61(例如气缸、油缸或电动伸缩杆)；夹持头在伸缩件的驱动下可靠近钻杆110，进而可抱紧锁定钻杆110，阻止钻杆110转动、上下移动；夹持头在伸缩件的驱动下远离钻杆110，进而可解除多钻杆110的锁定。

另外，升降架20上优选设置有用于副套管43限位的限位孔，副套管43可上下滑动地插装在限位孔内。

本发明提供的一种土壤采样装置，自动化程度更高，能够根据设定模式自动实现土壤采集，省时省力，效率高。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种土壤采样装置，其特征在于，包括采样机构，所述采样机构包括：钻杆、两个以上的取样盒以及连杆传动机构；

两个以上的取样盒在钻杆的长度方向上间隔设置，以及在钻杆的周向上间隔设置；

所述钻杆上设置有用于容纳所述取样盒的凹槽；两个以上取样盒在连杆传动机构的驱动下，同步伸出或退回所述凹槽，用于同时采取两个以上的土壤样品；

所述连杆传动机构包括平行四边形连杆机构、支撑杆和推杆；

所述平行四边形连杆机构包括等长的第一连杆和第二连杆；第一连杆和第二连杆的一端与所述钻杆铰连接，第一连杆和第二连杆的另一端与所述取样盒铰连接；所述平行四边形连杆机构用于保证取样盒的开口方向始终与所述钻杆垂直；

支撑杆的一端与所述取样盒铰连接；支撑杆的另一端与所述推杆的一端铰连接；推杆可沿钻杆轴向滑动地设在钻杆内部的导向孔内，推杆另一端通导向孔向钻杆的尾部延伸。

2.根据权利要求1所述的土壤采样装置，其特征在于，所述钻杆的头部设置有用于钻孔的钻头部，而取样盒通过平行四边形连杆机构以及支撑杆设置在钻杆的中间部位上，推杆一端与支撑杆连接，另一端通过钻杆内设置的导向孔向钻杆的尾部延伸。

3.根据权利要求1所述的土壤采样装置，其特征在于，所述凹槽内的左右两侧面上沿钻杆长度方向设置有导向槽，支撑杆的另一端通销轴可滑动地连接在导向槽上。

4.根据权利要求2所述的土壤采样装置，其特征在于，还包括用于封盖所述取样盒开口的耙爪式盖体；耙爪式盖体由相对设置的第一半体和第二半体拼装而成；第一半体上设置若干个第一耙爪，第二半体上设置有若干个第二耙爪，在宽度方向上，若干个第一耙爪和若干个第二耙爪依次交错设置；

在钻杆长度方向上，支撑杆和第一连杆对称设置在取样盒的上下两侧；第一半体固定设置在所述第一连杆的延长部上，第二半体固定设置在所述支撑杆的延长部上；取样盒伸出或退回凹槽过程中，第一连杆和支撑杆相对于取样盒摆转，进而带动第一半体和第二半体的开启和闭合。

5.根据权利要求4所述的土壤采样装置，其特征在于，所述第一耙爪和第二耙爪的末端以及背离所述钻杆一侧设置有松土爪部。

6.根据权利要求1所述的土壤采样装置，其特征在于，还包括：支架、升降机构和升降架；所述升降架通过所述升降机构可上下移动地设置在所述支架上；所述采样机构设置在所述升降架上，随着升降架上下移动。

7.根据权利要求6所述的土壤采样装置，其特征在于，所述升降机构包括：升降电机、传动螺杆和传动螺母；传动螺母与所述升降架固定连接；传动螺杆可转动地设置在所述支架上，升降电机的动力输出轴与传动螺杆连接。

8.根据权利要求6所述的土壤采样装置，其特征在于，所述支架上竖直设置有用于升降架上下移动时导向的导向结构。

9.根据权利要求6所述的土壤采样装置，其特征在于，还包括夹持组件，所述夹持组件设置在所述支架的中下端，用于夹持锁定所述钻杆。

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