申请/专利权人：河南理工大学;中国科学院南京土壤研究所

申请日：2017-09-07

公开（公告）日：2023-03-17

公开（公告）号：CN107340153B

主分类号：G01N1/08

分类号：G01N1/08

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2023.03.17#授权;2017.12.05#实质审查的生效;2017.11.10#公开

摘要：本发明涉及一种便于三维扫描的土体结构无损采样装置，包括定位机架、升降驱动机构、导向杆、定位卡盘、抱紧机构、弹性护套及硬质高分子聚合物采样筒，其中导向杆末端通过升降驱动机构与定位机架的横梁相互连接，导向杆前端与定位卡盘前端面相互连接，定位卡盘下端面设定位槽，抱紧机构均布在定位槽侧壁上，硬质高分子聚合物采样筒上端面嵌于定位卡盘内。本发明一方面极大的提高了土体样本采样作业的工作效率，另一方面极大的提高了土体样本检测的精度。

主权项：1.一种便于三维扫描的土体结构无损采样的方法，其特征在于：所述的便于三维扫描的土体结构无损采样装置的采样方法包括以下步骤：第一步，设备定位，首先确定土体样本采样点，然后根据采样点的位置将定位机架定位到土体样本采样点周围，然后将导向杆与定位卡盘连接后，在通过升降驱动机构与定位机架连接，使导向杆轴线与土体样本采样点的圆心垂直相交，然后将弹性护套管及硬质高分子聚合物采样筒组装后一同安装到定位卡盘上；第二步，土体采样，完成第一步作业后，通过升降驱动机构对导向杆驱动，并由导向杆驱动弹性护套管及硬质高分子聚合物采样筒沿轴线匀速方向下行，直至弹性护套管及硬质高分子聚合物采样筒达到采样深度位置，然后由升降驱动机构通过导向杆首先将硬质高分子聚合物采样筒沿着轴向方向进行提升直至硬质高分子聚合物采样筒下端面高于土体层至少3毫米后停止提升，然后通过升降驱动机构通过导向杆将弹性护套管沿着轴向方向进行提升直至硬质高分子聚合物采样筒下端面高于土体层至少3毫米后停止提升，从而完成对土体采样作业；第三步，样本封存，完成第二步作业后，首先将硬质高分子聚合物采样筒下端面通过密封堵头进行封堵，然后将硬质高分子聚合物采样筒从定位卡盘上取下后再由密封堵头进行封堵即可完成样本封存待用；第四步，硬质高分子聚合物采样筒重复使用，在完成对土体样本进行检测后，打开硬质高分子聚合物采样筒两端的密封堵头，然后将硬质高分子聚合物采样筒前端面与定位卡盘相互连接，然后由升降驱动机构驱动导向杆的驱动轴向下运行，有驱动轴驱动推盘沿着硬质高分子聚合物采样筒轴线从硬质高分子聚合物采样筒顶端向硬质高分子聚合物采样筒末端匀速运行，从而实现将硬质高分子聚合物采样筒内的土体样本排出，并在土体样本排出后再由升降驱动机构驱动驱动杆向上运行，使推盘复位并回到硬质高分子聚合物采样筒顶部位置，从而实现对硬质高分子聚合物采样筒进行清理，并具备再次土体采样作业的目的。

全文数据：一种便于三维扫描的土体结构无损采样装置及采样方法技术领域[0001]本发明涉及一种便于三维扫描的土体结构无损采样装置及采样方法，属土体采样设备技术领域。背景技术[0002]当前在进行土体三维结构研究的领域中，往往需要根据研宄作业的需要在野外进行土体样本采集作业，然后对采集的土体样本进行三维扫描研宄，当前在进行土体样本采集作业时，由于缺乏专业有效的样本采集设备，因此往往需要采样人员通过人工将采样设备深入到土体中进行样本采集作业，虽然可以一定程度满足使用的需要，但同时一方面存在采样作业工作效率低下，劳动强度大，采样设备采样和取出作业难度大，且采样时采样设备运行驱动力稳定性差，易导致采样设备内的土体样本结构造成破坏，从而严重影响了采样作业的土体样本质量，并严重影响了土体样本后期扫描作业的精度，另一方面还存在着所使用的采样设备往往均为金属设备，导致后期对土体样本检测时，采样设备会对三维扫描设备造成严重的干扰，因此需要将土体样本从采样设备中取出后方可进行土体样本三维扫描检测作业，但在金属采样设备拆除过程中，也极易对土体样本结构造成破坏，影响检测作业的精度，同时也不利于土体样本的保存和重复使用的需要，针对这一问题，当前虽然也开发出了利用钻探设备进行土体采样作业的设备，这些设备虽然可有效提高土体采样作业效率并降低采样作业的劳动强度，但在钻探取样过程中，往往会对土体样本结构造成严重破坏，从而导致土体样本无法有效满足研宄作业的需要，因此针对这一问题，迫切需要开发一种全新的土体样本采样设备，以满足实际使用的需要。发明内容[0003]本发明目的就在于克服上述不足，提供一种便于三维扫描的土体结构无损采样装置及采样方法。[0004]为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：一种便于三维扫描的土体结构无损采样装置，包括定位机架、升降驱动机构、导向杆、定位卡盘、抱紧机构、弹性护套管及硬质高分子聚合物采样筒，其中定位机架为框架结构，导向杆末端通过升降驱动机构与定位机架相互连接并与水平垂直分布，导向杆前端与定位卡盘前端面相互连接并同轴分布，定位卡盘下端面设横截面为“门”字型的定位槽，定位槽与定位卡盘同轴分布，定位槽槽底设透气孔，抱紧机构嵌于定位槽内并均布在定位槽侧壁上，弹性护套管及硬质高分子聚合物采样筒均为圆管结构，且弹性护套管包覆在硬质高分子聚合物采样筒外并同轴分布，弹性护套管和硬质高分子聚合物采样筒上端面嵌于定位卡盘内，并分别通过抱紧机构与定位卡盘相互连接，透气孔与硬质高分子聚合物采样筒上端面相互连通，弹性护套管前端设破土刃，硬质高分子聚合物采样筒下端面处设切削刃，破土刃和切削刃横截面均为倒置的直角梯形结构，其中切削刃宽度为硬质高分子聚合物采样筒下端面侧壁厚度的13—15,切削刃侧表面位于硬质高分子聚合物采样筒外表面上，并与硬质高分子聚合物采样筒轴线呈15°—60°夹角，所述的破土刃横截面为闭合环状结构，其前端面与切削刃末端相抵，破土刃侧表面与硬质高分子聚合物采样筒轴线呈15°—60°夹角，所述的破土刃末端面设连接槽，并通过连接槽包覆弹性护套管前端外表面，且所述的破土刃末端直径比弹性护套管前端面直径至少大5毫米。[0005]进一步的，所述的升降驱动机构为液压缸升降驱动机构、气压缸升降驱动机构、直线电机、丝杠升降驱动机构及涡轮蜗杆升降驱动机构中的任意一种。[0006]进一步的，所述的导向杆包括导向套、驱动轴、推盘，所述的导向套为空心管状结构，所述的驱动轴嵌于导向套内并与导向套滑动连接，所述的导向套、驱动轴相互同轴分布，其前端均分别与升降驱动机构相互连接，所述的推盘为圆盘状结构，位于导向套外与驱动轴末端相互连接，所述的推盘嵌于硬质高分子聚合物采样筒内并与硬质高分子聚合物采样筒内表面滑动连接，所述的推盘分别与驱动轴和硬质高分子聚合物采样筒同轴分布，所述的驱动轴对应的定位卡盘位置处设导向孔，并通过导向孔与定位卡盘滑动连接，进一步的，所述的抱紧机构为卡毂、夹毂、定位销、螺纹、卡紧扣中的任意一种。[0007]进一步的，所述的硬质高分子聚合物采样筒长度为20—110厘米，其内表面为光滑表面。[0008]进一步的，所述的弹性护套内表面均布若干球状突起，并通过球状突起与硬质高分子聚合物采样筒外表面相互滑动连接，所述的硬质高分子聚合物采样筒与球状突起接触面面积为硬质高分子聚合物采样筒外表面面积的110—14,且所述的弹性护套内表面与硬质高分子聚合物采样筒外表面间设宽度为1一3毫米隔离间隙。[0009]一种便于三维扫描的土体结构无损采样装置的采样方法，包括以下步骤：第一步，设备定位，首先确定土体样本采样点，然后根据采样点的位置将定位机架定位到土体样本采样点周围，然后将导向杆与定位卡盘连接后，在通过升降驱动机构与定位机架连接，使导向杆轴线与土体样本采样点的圆心垂直相交，然后将弹性护套管及硬质高分子聚合物采样筒组装后一同安装到定位卡盘上；第二步，土体采样，完成第一步作业后，通过升降驱动机构对导向杆驱动，并由导向杆驱动弹性护套管及硬质高分子聚合物采样筒沿轴线匀速方向下行，直至弹性护套管及硬质高分子聚合物采样筒达到采样深度位置，然后由升降驱动机构通过导向杆首先将硬质高分子聚合物采样筒沿着轴向方向进行提升直至硬质高分子聚合物采样筒下端面高于土体层至少3毫米后停止提升，然后通过升降驱动机构通过导向杆将弹性护套管沿着轴向方向进行提升直至硬质高分子聚合物采样筒下端面高于土体层至少3毫米后停止提升，从而完成对土体采样作业；第三步，样本封存，完成第二步作业后，首先将硬质高分子聚合物采样筒下端面通过密封堵头进行封堵，然后将硬质高分子聚合物采样筒从定位卡盘上取下后再由密封堵头进行封堵即可完成样本封存待用；第四步，硬质高分子聚合物采样筒重复使用，在完成对土体样本进行检测后，打开硬质高分子聚合物采样筒两端的密封堵头，然后将硬质高分子聚合物采样筒前端面与定位卡盘相芒连接，然后由升降驱动机构驱动导向杆的驱动轴向下运行，有驱动轴驱动推盘沿着硬质高分子聚合物采样筒轴线从硬质高分子聚合物采样筒顶端向硬质高分子聚合物采样筒末端匀速运行，从而实现将硬质高分子聚合物采样筒内的土体样本排出，并在土体样本排出后再由升降驱动机构驱动驱动杆向上运行，使推盘复位并回到硬质高分子聚合物采样筒顶部位置，从而实现对硬质高分子聚合物采样筒进行清理，并具备再次土体采样作业的目的。[0010]本发明结构简单，使用灵活方便，运行自动化程度高，一方面有效的提高土体样本采样作业的灵活性和可靠性，极大的提高了土体样本采样作业的工作效率，有效的降低了土体采样作业的劳动强度；另一方面可有效的提高土体采样过程中对土体样本的保护能力，从而有效避免了传统采样设备对土体采样作业而导致土体结构受损的缺陷，从而极大的提高了土体样本检测的精度。附图说明[0011]图1为本发明结构示意图；图2为本发明采样方法流程图。具体实施方式[0012]如图1所不，一种便于三维扫描的土体结构无损采样装置，包括定位机架1、升降驱动机构2、导向杆3、定位卡盘4、抱紧机构5、弹性护套管6及硬质高分子聚合物采样筒7,其中定位机架1为框架结构，导向杆3末端通过升降驱动机构2与定位机架1相互连接并与水平垂直分布，导向杆3前端与定位卡盘4前端面相互连接并同轴分布，定位卡盘4下端面设横截面为“门”字型的定位槽8,定位槽8与定位卡盘4同轴分布，且定位槽8槽底设透气孔9,抱紧机构5嵌于定位槽8内并均布在定位槽8侧壁上，弹性护套管6及硬质高分子聚合物采样筒7均为圆管结构，且弹性护套管6包覆在硬质高分子聚合物采样筒7外并同轴分布，上端面嵌于f位卡盘4内，并分别通过抱紧机构5与定位卡盘4相互连接，透气孔9与硬质高分子聚合物采样筒8上端面相互连通，弹性护套管6前端设破土刃10,硬质高分子聚合物采样筒8下端面处设$削刃11，破土刃10和切削刃11横截面为倒置的直角梯形结构，其中切削刃11宽度为硬质高分子聚合物采样筒8下端面侧壁厚度的13—15,且切削刃11侧表面位于硬质高分子聚合物采样筒8外表面上，并与硬质高分子聚合物采样筒8轴线呈15。一60。夹角，破土刃10横截面为闭合环状结构，其前端面与切削刃11末端相抵，破土刃侧表面与硬质高分子聚合物采样筒8轴线呈15°—60°夹角，破土刃1〇末端面设连接槽“，并通过连接槽12包覆弹性护套管6前端外表面，且破土刃1〇末端直径比弹性护套管6前端面直径至少大5毫米。[0013]本实施例中，所述的升降驱动机构2为液压缸升降驱动机构、气压缸升降驱动机构、直线电机、丝杠升降驱动机构及涡轮蜗杆升降驱动机构中的任意一种。[0014]本实施例中，所述的导向杆3包括导向套31、驱动轴32、推盘33,所述的导向套31为空心管状结构，所述的驱动轴32嵌于导向套31内并与导向套31滑动连接，所述的导向套31、驱动轴32相互同轴分布，其前端均分别与升降驱动机构2相互连接，所述的推盘33为圆盘状结构，位于导向套31外与驱动轴32末端相互连接，所述的推盘33嵌于硬质高分子聚合物采样筒6ft并与硬质高分子聚合物采样筒6内表面滑动连接，所述的推盘33分别与驱动轴32和硬质高分子聚合物采样筒6同轴分布，所述的驱动轴32对应的定位卡盘4位置处设导向孔10,并通过导向孔10与定位卡盘4滑动连接。[0015]本实施例中，所述的抱紧机构5为卡毂、夹毂、定位销、螺纹、卡紧扣中的任意一种。[0016]本实施例中，所述的硬质高分子聚合物采样筒7长度为20—110厘米，其内表面为光滑表面。[0017]本实施例中，所述的弹性护套6内表面均布若千球状突起13,并通过球状突起13与硬质高分子聚合物采样筒7外表面相互滑动连接，所述的硬质高分子聚合物采样筒7与球状突起13接触面面积为硬质高分子聚合物采样筒7外表面面积的110—14,且所述的弹性护套6内表面与硬质高分子聚合物采样筒7外表面间设宽度为1一3毫米隔离间隙14。[0018]如图2所示，一种便于三维扫描的土体结构无损采样装置的采样方法，包括以下步骤：第一步，设备定位，首先确定土体样本采样点，然后根据采样点的位置将定位机架定位到土体样本采样点周围，然后将导向杆与定位卡盘连接后，在通过升降驱动机构与定位机架连接，使导向杆轴线与土体样本采样点的圆心垂直相交，然后将弹性护套管及硬质高分子聚合物采样筒组装后一同安装到定位卡盘上；第二步，土体采样，完成第一步作业后，通过升降驱动机构对导向杆驱动，并由导向杆驱动弹性护套管及硬质高分子聚合物采样筒沿轴线匀速方向下行，直至弹性护套管及硬质高分子聚合物采样筒达到采样深度位置，然后由升降驱动机构通过导向杆首先将硬质高分子聚合物采样筒沿着轴向方向进行提升直至硬质高分子聚合物采样筒下端面高于土体层至少3毫米后停止提升，然后通过升降驱动机构通过导向杆将弹性护套管沿着轴向方向进行提升直至硬质高分子聚合物采样筒下端面高于土体层至少3毫米后停止提升，从而完成对土体采样作业；第三步，样本封存，完成第二步作业后，首先将硬质高分子聚合物采样筒下端面通过密封堵头进行封堵，然后将硬质高分子聚合物采样筒从定位卡盘上取下后再由密封堵头进行封堵即可完成样本封存待用；第四步，硬质高分子聚合物采样筒重复使用，在完成对土体样本进行检测后，打开硬质高分子聚合物采样筒两端的密封堵头，然后将硬质高分子聚合物采样筒前端面与定位卡盘相互连接，然后由升降驱动机构驱动导向杆的驱动轴向下运行，有驱动轴驱动推盘沿着硬质高分子聚合物采样筒轴线从硬质高分子聚合物采样筒顶端向硬质高分子聚合物采样筒末端匀速运行，从而实现将硬质高分子聚合物采样筒内的土体样本排出，并在土体样本排出后再由升降驱动机构驱动导向杆向上运行，使推盘复位并回到硬质高分子聚合物采样筒顶部位置，从而实现对硬质高分子聚合物采样筒进行清理，并具备再次土体采样作业的目的。[0019]以上显不和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精祌和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

权利要求：1.一种便于三维扫描的土体结构无损采样装置，其特征在于，所述的便于三维扫描的土体结构无损采样装置包括定位机架、升降驱动机构、导向杆、定位卡盘、抱紧机构、弹性护套管及硬质高分子聚合物采样筒，所述的定位机架为框架结构，所述的导向杆末端通过升降驱动机构与定位机架相互连接并与水平垂直分布，所述的导向杆前端与定位卡盘前端面相互连接并同轴分布，所述的定位卡盘下端面设横截面为“门”字型的定位槽，所述的定位槽与定位卡盘同轴分布，定位槽槽底设透气孔，所述的抱紧机构嵌于定位槽内并均布在定位槽侧壁上，所述的弹性护套管及硬质高分子聚合物采样筒均为圆管结构，且所述的弹性护套管包覆在硬质高分子聚合物采样筒外并同轴分布，弹性护套管和硬质高分子聚合物采样筒上端面嵌于定位卡盘内，并分别通过抱紧机构与定位卡盘相互连接，所述的透气孔与硬质高分子聚合物采样筒上端面相互连通，所述的弹性护套管前端设破土刃，硬质高分子聚合物采样筒下端面处设切削刃，所述的破土刃和切削刃横截面均为倒置的直角梯形结构，其中切削刃宽度为硬质高分子聚合物采样筒下端面侧壁厚度的13—15,切削刃侧表面位于硬质高分子聚合物采样筒外表面上，并与硬质高分子聚合物采样筒轴线呈15。一60。夹角，所述的破土刃横截面为闭合环状结构，其前端面与切削刃末端相抵，破土刃侧表面与硬质高分子聚合物采样筒轴线呈15°—6〇°夹角，所述的破土刃末端面设连接槽，并通过连接槽包覆弹性护套管前端外表面，且所述的破土刃末端直径比弹性护套管前端面直径至少大5毫米。2.根据权利要求1所述的一种便于三维扫描的土体结构无损采样装置，其特征在于:所述的升降驱动机构为液压缸升降驱动机构、气压缸升降驱动机构、直线电机、丝杠升降驱动机构及涡轮蜗杆升降驱动机构中的任意一种。3.根据权利要求1所述的一种便于三维扫描的土体结构无损采样装置，其特征在于:所述的导向杆包括导向套、驱动轴、推盘，所述的导向套为空心管状结构，所述的驱动轴嵌于导向套内并与导向套滑动连接，所述的导向套、驱动轴相互同轴分布，其前端均分别与升降驱动机构相互连接，所述的推盘为圆盘状结构，位于导向套外与驱动轴末端相互连接，所述的推盘嵌于硬质高分子聚合物采样筒内并与硬质高分子聚合物采样筒内表面滑动连接，所述的推盘分别与驱动轴和硬质高分子聚合物采样筒同轴分布，所述的驱动轴对应的定位卡盘位置处设导向孔，并通过导向孔与定位卡盘滑动连接。4.根据权利要求1所述的一种便于三维扫描的土体结构无损采样装置，其特征在于:所述的抱紧机构为卡毂、夹毂、定位销、螺纹、卡紧扣中的任意一种。5.根据权利要求1所述的一种便于三维扫描的土体结构无损采样装置，其特征在于:所述的硬质高分子聚合物采样筒长度为20—110厘米，其内表面为光滑表面。6.根据权利要求1所述的一种便于三维扫描的土体结构无损采样装置，其特征在于:所述的弹性护套内表面均布若干球状突起，并通过球状突起与硬质高分子聚合物采样筒外表面相互滑动连接，所述的硬质高分子聚合物采样筒与球状突起接触面面积为硬质高分子聚合物采样筒外表面面积的110—14,且所述的弹性护套内表面与硬质高分子聚合物采样筒外表面间设宽度为1一3毫米隔离间隙。7.—种便于三维扫描的土体结构无损采样装置的采样方法，其特征在于:所述的便于三维扫描的土体结构无损采样装置的采样方法包括以下步骤：第一步，设备定位，首先确定土体样本采样点，然后根据采样点的位置将定位机架定位到土体样本采样点周围，然后将导向杆与定位卡盘连接后，在通过升降驱动机构与定位机架连接，使导向杆轴线与土体样本采样点的圆心垂直相交，然后将弹性护套管及硬质高分子聚合物采样筒组装后一同安装到定位卡盘上；第二步，土体采样，完成第一步作业后，通过升降驱动机构对导向杆驱动，并由导向杆驱动弹性护套管及硬质高分子聚合物采样筒沿轴线匀速方向下行，直至弹性护套管及硬质高分子聚合物采样筒达到采样深度位置，然后由升降驱动机构通过导向杆首先将硬质高分子聚合物采样筒沿着轴向方向进行提升直至硬质高分子聚合物采样筒下端面高于土体层至少3毫米后停止提升，然后通过升降驱动机构通过导向杆将弹性护套管沿着轴向方向进行提升直至硬质高分子聚合物采样筒下端面高于土体层至少3毫米后停止提升，从而完成对土体采样作业；第三步，样本封存，完成第二步作业后，首先将硬质高分子聚合物采样筒下端面通过密封堵头进行封堵，然后将硬质高分子聚合物采样筒从定位卡盘上取下后再由密封堵头进行封堵即可完成样本封存待用；第四步，硬质高分子聚合物采样筒重复使用，在完成对土体样本进行检测后，打开硬质高分子聚合物采样筒两端的密封堵头，然后将硬质高分子聚合物采样筒前端面与定位卡盘相互连接，然后由升降驱动机构驱动导向杆的驱动轴向下运行，有驱动轴驱动推盘沿着硬质高分子聚合物采样筒轴线从硬质高分子聚合物采样筒顶端向硬质高分子聚合物采样筒末端匀速运行，从而实现将硬质高分子聚合物采样筒内的土体样本排出，并在土体样本排出后再由升降驱动机构驱动驱动杆向上运行，使推盘复位并回到硬质高分子聚合物采样筒顶部位置，从而实现对硬质高分子聚合物采样筒进行清理，并具备再次土体采样作业的目的。

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