SUPERVISOR
Jafar Ghaisari,Rasoul AmirFattahi,Abbas Hemmat
جعفر قیصری (استاد مشاور) رسول امیر فتاحی ورنوسفادرانی (استاد مشاور) عباس همت (استاد راهنما)
STUDENT
Tayebeh Rahnama
طیبه رهنما
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Design, Development and Evaluation of a Combined Acoustic-Force Sensor for On-the-go Measuring Soil Mechanical Resistance
Soil compaction is one of the most important factors responsible for soil physical degradation. It alters the structure of cultivated soil and thus changes a number of key soil properties for crop production and the environment. Soil mechanical resistance can be used as indicator of soil compaction. For on-the-go mapping of spatial variability in soil compaction, single- and multiple-tip horizontal sensors have been developed and used to measure the soil mechanical resistance. However, it has been reported that the measured soil resistance in different soil layers depends on failure mode induced by the shank of the sensor. It was hypothesized that the differences in acoustic signals detected by microphones inserted in the tips of a multiple-tip horizontal penetrometer could be used to differentiate the failure modes. In this research, an acoustic multiple-tip horizontal penetrometer was developed, with three 30° prismatic tips working at depths of 10, 20 and 30 cm. The prismatic tips were attached horizontally to S-shape load cells housed inside a box behind the sensor vertical shank. The tips working at 10 and 30 cm deep were also fitted with the microphones. With this arrangement, as the combined sensor is being pulled through the soil, it measures soil mechanical resistance at three depths and it senses sound emitted by the soil failure at two depths. The sensor was tested in a field with silty clay loam soil at four water contents (WCs) of 0.5PL (plastic limit), 0.7PL, 0.9PL and 1.1PL. Cone index (CI) values were obtained with 2 cm depth increments and 1 m horizontal intervals along each transect for comparison using a standard cone penetrometer. Results showed that the soil WC had a significant effect on average horizontal resistance index (HRI) at both depths of 20 and 30 cm. With an decrease in mc, both HRI and CI values were significantly increased. The critical depth of the shank, in which the soil failure transition from brittle to compressive occurs, significantly increased while the soil WC decreased. When the prismatic tips were operated below the critical depth of the sensor (tips at depths of 20 and 30 WC), there was a significant relationship between HRI and CI, whereas for shallower depth the relation was not significant. This was due to change in failure mode from brittle to compressive mode below the critical depth. Therefore, the correlation between measurements obtained with both vertically and horizontally operated penetrometers would be significant as long as both produced the same soil failure mode. Result of recorded sounds at depths of 10 and 30 cm showed that power spectral density acoustic signals at both depth of 10cm (brittle failure mode) and 30cm depth (compressive failure mode) soil were significantly different. A capacitance sensor was designed and developed soil water content. The measurement principle depends on the electrice field of fringe-capacitance. The sensor was tested in 3 soil textures (sandy, sandy loam and clay loam).The estatic calibration results indicated that there was a quadratic relationship with high coefficient determination between the soil water content and sensor's output. Soil's texture affected the sensor's output. There was the measured WC were texture-specific. The result showed the developed sensor can detect soil failure mode in addition to measure the soil horizontal resistance index. Keywords : Precision farming; soil compaction; brittle failure; plastic failure;Capacitance sensor; measuring soil water content.
تراکم خاک یکی از فاکتورها ی موثر در تخریب خواص فیزیکی خاک می باشد. تراکم ساختار خاک های زراعی را تغییر می دهد و سبب تغییر در خواص اساسی خاک برای رشد گیاه و تولید محصول و محیط زیست می شود. مقاومت مکانیکی خاک به عنوان شاخصی از تراکم خاک می تواند استفاده شود. به طور مرسوم از فروسنج عمودی برای تخمین مقاومت مکانیکی خاک ها استفاده می شود. اما این روش ایستگاهی و وقت گیر برای مزارع بزرگ مناسب نمی باشد. برای تهیه نقشه تغییر پذیری مکانی تراکم خاک در حال حرکت، ازحسگر های تک و چند نوکی جهت اندازه گیری مقاومت مکانیکی افقی خاک استفاده شده است. ولی گزارش شده است که مقاومت مکانیکی افقی خاک اندازه گیری شده در عمق های مختلف به حالت گسیختگی ایجاد شده در جلوی ساقه حسگر مرتبط است. فرض شد که اختلاف موجود در سیگنال های صوتی ثبت شده توسط میکروفن تعبیه شده در درون نوک های نفوذ سنج افقی چند نوکی برای تشخیص حالت های گسیختگی می تواند استفاده شود. در این پژوهش نفوذسنج افقی چند نوکی صوتی ساخته شد. که در آن سه نوک منشوری با زاویه راس 30 درجه و سطح مقطع 324 متر مربع در عمق های 10، 20 و 30 سانتی متر از سطح خاک کار می کردند. نوک منشوری افقی بارسنج s- شکل درون جعبه ای پشت ساقه حسگر قرار داشت، وصل شد. میکروفن در نوک های قرار گرفته در دو عمق 10 و 30 سانتی متر تعبیه شد. به این ترتیب حسگر ترکیبی با حرکت از میان خاک قادر به اندازه گیری مقاومت مکانیکی در سه عمق بود و همچنین می توانست صدای انتشاریافته اثر گسیختگی خاک را در دو عمق دریافت کند. تحلیل تنش های وارده از سوی خاک به حسگر نشان از طراحی درست و انتخاب جنس مناسب برای ساخت حسگر بود. این حسگر در مزرعه با خاک لوم رسی سیلتی، در چهار سطح رطوبت(PL 5/0، PL 7/0، PL 9/0 و PL1/1(PL: حد خمیری خاک) ارزیابی شد. مقادیر شاخص مخروط با فاصلهcm 2 در عمق وm 1 در نوار عرضی توسط فروسنج مخروطی عمودی برای مقایسه بدست آمد. نتایج نشان داد که محتوای رطوبتی تاثیر معنی داری روی شاخص مقاومت افقی (HRI) در دو عمق 20 و 30 سانتیمتر داشت. با کاهش در محتوای رطوبت، مقادیر HRI و CI بطور معنی داری افزایش یافت. عمق بحرانی ساقه حسگر(عمق تغییر حالت گسیختگی از ترد به خمیری) بطور معنی داری با کاهش محتوای رطوبت افزایش یاقت. در زیر عمق بحرانی ساقه حسگر در دو عمق 20 و 30 سانتی متر رابطه معنی داری بین HRI و CI وجود داشت. (نوع گسیختگی یکسان) در عمق 10 سانتی متر این رابطه معنی دار نبود . یک تابع انتقال بین مقادیر HRI ، CI، d و اندرکنش d× CI با ضریب همبستگی بالا (90/0= 2 R) بدست آمد. تحلیل سیگنال های حسگر صوتی ثبت شده در دو عمق 10 و 30 سانتی متر نشان داد که صرفنظر از محتوای رطوبت مزرعه، چگالی طیف توان سیگنال های صوت در این دو عمق (10 و 30 سانتی متر) بطور معنی داری با هم اختلاف داشتند که متاثر از نوع گسیختگی(گسیختگی ترد در عمق 10 سانتی متر و گسیختگی فشاری در عمق 30 سانتی متر) ایجاد شده در خاک بود. همچنین در این پژوهش یک حسگر خازنی برای اندازه گیری استاتیکی رطوبت خاک متشکل از دو الکترود مسی و یک عایق تفلونی و یک مدار طراحی و ساخته شد. اساس کار این سنسور بر میدان الکتریکی ایجاد شده در حاشیه خازن استوار بود. فرکانس تحریک مدار سنسور 6/2 مگاهرتز بود. به منظور بررسی تاثیر بافت بر عملکرد سنسور خازنی از 3 نوع بافت، لوم رسی، شن لوم و شن در 5 سطح رطوبت استفاده گردید. نتایج نشان داد که در هر سه نوع بافت یک رابطه ی درجه دو با ضریب همبستگی 98/0بین ولتاژ اندازه گیری شده توسط سنسور و محتوای حجمی (و وزنی) رطوبت خاک وجود دارد؛ هرچند که ضرایب این رابطه درجه دو متناسب با بافت خاک تغییر می کرد. نتایج نشان داد که فروسنج مکانیکی افقی ارتقا یافته می تواند علاوه بر اندازه گیری مقاومت مکانیکی افقی خاک، حالت گسیختگی بوجود آمده در خاک در اثر عبور حسگر در عمق های مختلف را نیز تشخیص می دهد. واژگان کلیدی: کشاورزی دقیق ، تراکم خاک، گسیختگی ترد، گسیختگی خمیری، حسگر خازنی ، محتوای رطوبتی خاک.