1. Измерительный зонд для грунта, содержащий

корпус (30, 104), определяющий положение оси (32) действия силы и имеющий наружную поверхность (34), открытую для скользящего контакта с грунтом (110) по мере перемещения корпуса через грунт вдоль оси действия силы, при этом в корпусе имеется внутренняя полость (36);

окно (38), смонтированное в отверстии (40) на наружной поверхности зонда и обеспечивающее оптическую связь между грунтом и внутренней полостью;

средство (42) для освещения, расположенное во внутренней полости и направленное к окну (38), предназначенное для освещения грунта на месте с несколькими длинами световых волн последовательно; и

средство (44) восприятия, расположенное во внутренней полости и направленное к окну (38), при этом средство восприятия реагирует на световое излучение на каждой из первой и второй длин волн, отраженное от грунта на месте.

2. Измерительный зонд по п.1, в котором средство (42) для освещения выполнено регулируемым для избирательного освещения грунта (110) последовательно на первой и второй длинах волн.

3. Измерительный зонд по п.2, в котором средство (42) для освещения также выполнено регулируемым для избирательного освещения грунта (110) на третьей длине волны за исключением первой и второй длин волн.

4. Измерительный зонд по п.3, в котором первая, вторая и третья длины волн соответствуют видимым цветам - красному, зеленому и синему.

5. Измерительный зонд по п.1, в котором первая и вторая длины волн соответствуют видимым цветам.

6. Измерительный зонд по п.5, в котором каждая из первой и второй длин волн соответствует разному, одному из красного, зеленого и синего видимых цветов.

7. Измерительный зонд по п.1, в котором окно (38) имеет наружную поверхность, расположенную, по существу, вровень с наружной поверхностью (34) зонда.

8. Измерительный зонд по п.7, в котором окно (38) расположено вровень с плоской зоной (39) наружной поверхности (34) зонда.

9. Измерительный зонд по п.8, в котором плоская зона (39) является открытой на ее нижнем конце, что обеспечивает беспрепятственный проход для грунта, приближающегося к окну (38).

10. Измерительный зонд по п.1, в котором окно (38) содержит сапфир.

11. Измерительный зонд по п.1, в котором в зонде образован внутренний канал, простирающийся по длине зонда и образующий сквозной проход для проводов (62) от датчиков (52, 54) в нижней части зонда.

12. Измерительный зонд по п.1, в котором средство (42) для освещения содержит отдельные излучатели света, при этом один излучатель света выполнен с конфигурацией, обеспечивающей возможность излучения света на первой длине волны, и другой излучатель света выполнен с конфигурацией, обеспечивающей возможность излучения света на второй длине волны.

13. Измерительный зонд по п.12, в котором излучатели света содержат светоизлучающие диоды.

14. Измерительный зонд по п.1, дополнительно содержащий световой распределитель (72), в котором образованы:

канал (78) для освещения, расположенный так, чтобы направлять световое излучение от средства (42) для освещения к внутренней поверхности окна (38); и

канал (80) для отраженного света, расположенный на расстоянии от канала для освещения и расположенный так, чтобы обеспечить оптический путь от внутренней поверхности окна до средства (44) восприятия.

15. Измерительный зонд по п.1, в котором средство (44) восприятия содержит реагирующую на свет интегральную схему, которая выдает сигнал с частотой, которая изменяется в зависимости от силы света.

16. Измерительный зонд по п.1, дополнительно содержащий контроллер (19), выполненный с возможностью инициирования средства (42) для освещения для излучения света на первой длине волны, затем прекращения излучения света на первой длине волны и последующего излучения света на второй длине волны.

17. Измерительный зонд по п.16, в котором контроллер (19) соединен со средством (42) для освещения посредством отрезка кабеля (26), проходящего от корпуса (30, 104).

18. Измерительный зонд по п.16, в котором контроллер (19) инициирует отличающиеся излучения на каждой из первой и второй длин волн в пределах общего времени работы, составляющего приблизительно менее 1 с.

19. Измерительный зонд по п.16, в котором контроллер (19) выполнен с возможностью инициирования средства (42) для освещения в то время, как зонд перемещается вперед через грунт (110).

20. Измерительный зонд по п.1, дополнительно содержащий электрический соединитель (70) у верхнего конца корпуса (30), предназначенный для сопряжения с кабелем (26) для передачи данных, проходящим вниз к зонду от поверхности земли.

21. Измерительный зонд по п.1, в котором корпус (30) представляет собой, по существу, цилиндрическое тело с закрытым нижним концом (48).

22. Измерительный зонд по п.21, в котором нижний конец (48) включает в себя датчик (52, 54) силы, выполненный с конфигурацией, обеспечивающей возможность измерения приложенной со стороны грунта нагрузки по мере перемещения зонда вперед через грунт (110) вдоль оси (32) действия силы.

23. Измерительный зонд по п.22, в котором нижний конец включает в себя первый датчик (54) силы, реагирующий на нормальную нагрузку, приложенную параллельно оси действия силы на дистальной головке зонда, и второй датчик (52) силы, реагирующий на напряжение при сдвиге, приложенное к наружной поверхности зонда за головкой.

24. Измерительный зонд по п.1, в котором корпус (30) имеет прочность на продольный изгиб, достаточную для того, чтобы выдерживать без опоры нагрузку, составляющую по меньшей мере 2 т (18 кН), приложенную вдоль оси (32) действия силы.

25. Измерительный зонд по п.1, в котором корпусу (104) придана форма, позволяющая расщеплять грунт (110) при перемещении корпуса в боковом направлении через грунт.

26. Измерительный зонд по п.1, в котором средство (44) восприятия содержит реагирующую на свет интегральную схему.

27. Способ измерения спектральной характеристики грунта, содержит следующие этапы:

перемещение зонда (21, 100) по п.1 через подповерхностный слой грунта (110);

освещение грунта на месте светом на первой длине волны через окно (38) в боковой поверхности зонда;

измерение интенсивности света, отраженного грунтом обратно к зонду в ответ на освещение светом на первой длине волны; затем, после прекращения освещения светом на первой длине волны,

освещение грунта на месте светом на второй длине волны через окно; и

измерение интенсивности света, отраженного грунтом обратно к зонду в ответ на освещение светом на второй длине волны.

28. Способ по п.27, в котором каждая из первой и второй длин волн соответствует разному, одному из красного, зеленого и синего видимых цветов.

29. Способ по п.28, дополнительно включающий в себя получение числового R-G-B (красного-зеленого-синего) представления цвета грунта.

30. Способ по п.27, дополнительно включающий в себя, после измерения интенсивности света, отраженного грунтом (110) обратно к зонду (21) в ответ на освещение светом на второй длине волны:

освещение грунта на месте светом на третьей длине волны через окно (38); и

измерение интенсивности света, отраженного грунтом обратно к зонду в ответ на освещение светом на третьей длине волны.

 

(57) Реферат / Формула:
Измерительный зонд для грунта, содержащий

корпус (30, 104), определяющий положение оси (32) действия силы и имеющий наружную поверхность (34), открытую для скользящего контакта с грунтом (110) по мере перемещения корпуса через грунт вдоль оси действия силы, при этом в корпусе имеется внутренняя полость (36);

окно (38), смонтированное в отверстии (40) на наружной поверхности зонда и обеспечивающее оптическую связь между грунтом и внутренней полостью;

средство (42) для освещения, расположенное во внутренней полости и направленное к окну (38), предназначенное для освещения грунта на месте с несколькими длинами световых волн последовательно; и

средство (44) восприятия, расположенное во внутренней полости и направленное к окну (38), при этом средство восприятия реагирует на световое излучение на каждой из первой и второй длин волн, отраженное от грунта на месте.

2. Измерительный зонд по п.1, в котором средство (42) для освещения выполнено регулируемым для избирательного освещения грунта (110) последовательно на первой и второй длинах волн.

3. Измерительный зонд по п.2, в котором средство (42) для освещения также выполнено регулируемым для избирательного освещения грунта (110) на третьей длине волны за исключением первой и второй длин волн.

4. Измерительный зонд по п.3, в котором первая, вторая и третья длины волн соответствуют видимым цветам - красному, зеленому и синему.

5. Измерительный зонд по п.1, в котором первая и вторая длины волн соответствуют видимым цветам.

6. Измерительный зонд по п.5, в котором каждая из первой и второй длин волн соответствует разному, одному из красного, зеленого и синего видимых цветов.

7. Измерительный зонд по п.1, в котором окно (38) имеет наружную поверхность, расположенную, по существу, вровень с наружной поверхностью (34) зонда.

8. Измерительный зонд по п.7, в котором окно (38) расположено вровень с плоской зоной (39) наружной поверхности (34) зонда.

9. Измерительный зонд по п.8, в котором плоская зона (39) является открытой на ее нижнем конце, что обеспечивает беспрепятственный проход для грунта, приближающегося к окну (38).

10. Измерительный зонд по п.1, в котором окно (38) содержит сапфир.

11. Измерительный зонд по п.1, в котором в зонде образован внутренний канал, простирающийся по длине зонда и образующий сквозной проход для проводов (62) от датчиков (52, 54) в нижней части зонда.

12. Измерительный зонд по п.1, в котором средство (42) для освещения содержит отдельные излучатели света, при этом один излучатель света выполнен с конфигурацией, обеспечивающей возможность излучения света на первой длине волны, и другой излучатель света выполнен с конфигурацией, обеспечивающей возможность излучения света на второй длине волны.

13. Измерительный зонд по п.12, в котором излучатели света содержат светоизлучающие диоды.

14. Измерительный зонд по п.1, дополнительно содержащий световой распределитель (72), в котором образованы:

канал (78) для освещения, расположенный так, чтобы направлять световое излучение от средства (42) для освещения к внутренней поверхности окна (38); и

канал (80) для отраженного света, расположенный на расстоянии от канала для освещения и расположенный так, чтобы обеспечить оптический путь от внутренней поверхности окна до средства (44) восприятия.

15. Измерительный зонд по п.1, в котором средство (44) восприятия содержит реагирующую на свет интегральную схему, которая выдает сигнал с частотой, которая изменяется в зависимости от силы света.

16. Измерительный зонд по п.1, дополнительно содержащий контроллер (19), выполненный с возможностью инициирования средства (42) для освещения для излучения света на первой длине волны, затем прекращения излучения света на первой длине волны и последующего излучения света на второй длине волны.

17. Измерительный зонд по п.16, в котором контроллер (19) соединен со средством (42) для освещения посредством отрезка кабеля (26), проходящего от корпуса (30, 104).

18. Измерительный зонд по п.16, в котором контроллер (19) инициирует отличающиеся излучения на каждой из первой и второй длин волн в пределах общего времени работы, составляющего приблизительно менее 1 с.

19. Измерительный зонд по п.16, в котором контроллер (19) выполнен с возможностью инициирования средства (42) для освещения в то время, как зонд перемещается вперед через грунт (110).

20. Измерительный зонд по п.1, дополнительно содержащий электрический соединитель (70) у верхнего конца корпуса (30), предназначенный для сопряжения с кабелем (26) для передачи данных, проходящим вниз к зонду от поверхности земли.

21. Измерительный зонд по п.1, в котором корпус (30) представляет собой, по существу, цилиндрическое тело с закрытым нижним концом (48).

22. Измерительный зонд по п.21, в котором нижний конец (48) включает в себя датчик (52, 54) силы, выполненный с конфигурацией, обеспечивающей возможность измерения приложенной со стороны грунта нагрузки по мере перемещения зонда вперед через грунт (110) вдоль оси (32) действия силы.

23. Измерительный зонд по п.22, в котором нижний конец включает в себя первый датчик (54) силы, реагирующий на нормальную нагрузку, приложенную параллельно оси действия силы на дистальной головке зонда, и второй датчик (52) силы, реагирующий на напряжение при сдвиге, приложенное к наружной поверхности зонда за головкой.

24. Измерительный зонд по п.1, в котором корпус (30) имеет прочность на продольный изгиб, достаточную для того, чтобы выдерживать без опоры нагрузку, составляющую по меньшей мере 2 т (18 кН), приложенную вдоль оси (32) действия силы.

25. Измерительный зонд по п.1, в котором корпусу (104) придана форма, позволяющая расщеплять грунт (110) при перемещении корпуса в боковом направлении через грунт.

26. Измерительный зонд по п.1, в котором средство (44) восприятия содержит реагирующую на свет интегральную схему.

27. Способ измерения спектральной характеристики грунта, содержит следующие этапы:

перемещение зонда (21, 100) по п.1 через подповерхностный слой грунта (110);

освещение грунта на месте светом на первой длине волны через окно (38) в боковой поверхности зонда;

измерение интенсивности света, отраженного грунтом обратно к зонду в ответ на освещение светом на первой длине волны; затем, после прекращения освещения светом на первой длине волны,

освещение грунта на месте светом на второй длине волны через окно; и

измерение интенсивности света, отраженного грунтом обратно к зонду в ответ на освещение светом на второй длине волны.

28. Способ по п.27, в котором каждая из первой и второй длин волн соответствует разному, одному из красного, зеленого и синего видимых цветов.

29. Способ по п.28, дополнительно включающий в себя получение числового R-G-B (красного-зеленого-синего) представления цвета грунта.

30. Способ по п.27, дополнительно включающий в себя, после измерения интенсивности света, отраженного грунтом (110) обратно к зонду (21) в ответ на освещение светом на второй длине волны:

освещение грунта на месте светом на третьей длине волны через окно (38); и

измерение интенсивности света, отраженного грунтом обратно к зонду в ответ на освещение светом на третьей длине волны.

 

---

008368
Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к зондам для измерения грунта и к способам определения отклика грунта (почвы) на освещение на месте.
Предпосылки создания изобретения
Были созданы различные зонды для измерения или наблюдения за грунтами in situ - на месте (т.е. в подземной среде) вместо перемещения грунта на поверхность для анализа. Некоторые зонды включают в себя датчики для измерения нагрузок на зонды или физических свойств почвы. Некоторые зонды имеют окна, через которые лазерное излучение проходит в почву, например, для измерения флуоресцентной характеристики. Миниатюрные видеокамеры также устанавливали в зондах для визуализации изображений почвы на месте (in situ).
Сущность изобретения
Отличительным признаком изобретения является измерение отклика грунта на месте на световое излучение с несколькими, дискретными длинами волн, с которым грунт последовательно освещается измерительным зондом для грунта.
В соответствии с одним аспектом изобретения почвенный измерительный зонд для грунта имеет корпус, окно, источник света и фотодетектор. Предпочтительно зонд также имеет световой распределитель. В некоторых вариантах осуществления зонд также имеет электрический соединитель у верхнего конца корпуса, предназначенный для сопряжения с кабелем для передачи данных, проходящим вниз к зонду от поверхности земли. Предпочтительно в зонде образован внутренний канал, проходящий по всей его длине и образующий сквозной проход для проводов от датчиков в нижней части зонда.
Корпус определяет положение оси действия силы, в нем образована внутренняя полость, и он имеет наружную поверхность, открытую для скользящего контакта с грунтом по мере перемещения корпуса сквозь грунт вдоль его оси действия силы. Предпочтительно корпус также обладает прочностью на продольный изгиб, достаточной для того, чтобы выдерживать без опоры осевую нагрузку, составляющую по меньшей мере две тонны (18 кН) и приложенную вдоль оси действия силы.
В некоторых случаях применения корпус представляет собой, по существу, цилиндрическое тело с закрытым нижним концом. Однако также предусмотрены различные формы корпуса. Например, в некоторых вариантах осуществления корпусу придана форма, позволяющая расщеплять грунт при перемещении корпуса в боковом направлении через грунт. В вариантах осуществления, в которых корпус представляет собой, по существу, цилиндрическое тело с закрытым нижним концом, нижний конец предпочтительно включает в себя датчик силы, выполненный с конфигурацией, позволяющей измерять приложенную со стороны грунт нагрузку по мере перемещения зонда вперед сквозь грунт вдоль оси действия силы. Более предпочтительно, если нижний конец включает в себя первый датчик силы, реагирующий на нормальную нагрузку, приложенную параллельно оси действия силы на дистальной головке зонда, и второй датчик силы, реагирующий на напряжение при сдвиге (касательное напряжение), приложенное к наружной поверхности зонда за головкой.
Окно предусмотрено в отверстии на наружной поверхности зонда и обеспечивает оптическую связь между грунтом и внутренней полостью. В некоторых вариантах осуществления изобретения окно имеет наружную поверхность, расположенную, по существу, вровень с наружной поверхностью зонда. Наружная поверхность зонда предпочтительно имеет плоскую зону в данном месте для обеспечения контакта между грунтом и окном. Более предпочтительно, если данная плоская зона является открытой на ее нижнем конце, в результате чего обеспечивается беспрепятственный проход для грунта, приближающегося к окну. В некоторых вариантах осуществления окно представляет собой сапфировый диск. Сапфир предпочтителен по причине его исключительной твердости и очень большого сопротивления истиранию в сочетании с его хорошими оптическими свойствами.
Источник света расположен во внутренней полости и направлен к окну для освещения грунта на месте (in situ) попеременно излучением с первой длиной волны и излучением со второй длиной волны. В некоторых вариантах осуществления источник света выполнен с возможностью управления им для избирательного освещения грунта последовательно с первой и второй длинами волн. В предпочтительном варианте осуществления первая и вторая длины волн соответствуют видимым цветам, при этом предпочтительно каждая соответствует разному, одному из красного, зеленого и синего видимых цветов. В некоторых вариантах осуществления источник света также выполнен с возможностью управления им для избирательного освещения грунта с третьей длиной волны за исключением первой и второй длин волн. Более предпочтительно, если первая, вторая и третья длины волн соответствуют видимым цветам - красному, зеленому и синему. Однако предусмотрено, что другие длины волн излучения могут быть использованы.
В некоторых вариантах осуществления источник света образован отдельными излучателями света, при этом один излучатель света выполнен с конфигурацией, обеспечивающей возможность излучения света с первой длиной волны, и другой излучатель света выполнен с конфигурацией, обеспечивающей возможность излучения света со второй длиной волны. Предпочтительно данные излучатели света представляют собой светоизлучающие диоды.
Фотодетектор также расположен во внутренней полости и направлен к окну. Когда грунт освещает
- 1 -
008368
ся источником света, фотодетектор реагирует на свет с каждой из первой и второй длин волн, отраженный от грунта. В некоторых вариантах осуществления фотодетектор представляет собой реагирующую на свет интегральную схему, которая выдает сигнал с частотой, которая изменяется в зависимости от силы света.
В вариантах осуществления зонда со световым распределителем в световом распределителе образован канал для освещения, расположенный так, чтобы направлять световое излучение от источника света к внутренней поверхности окна. В световом распределителе также образован канал для отраженного света, расположенный на расстоянии от канала для освещения и расположенный так, чтобы обеспечить оптический путь от внутренней поверхности окна до фотодетектора. Данная конфигурация светового распределителя препятствует прямому падению проходящего света на фотодетектор.
В некоторых вариантах осуществления зонд также имеет контроллер, выполненный с возможностью инициирования источника света для излучения света с первой длиной волны, затем прекращения излучения света с первой длиной волны и последующего излучения света со второй длиной волны. Контроллер может быть соединен с источником света посредством отрезка кабеля, проходящего от корпуса. Предпочтительно контроллер инициирует отличающиеся излучения с каждой из первой и второй длин волн в пределах общего времени работы, составляющего приблизительно менее одной секунды. Более предпочтительно, если контроллер выполнен с возможностью инициирования источника света в то время, когда зонд перемещается вперед через грунт.
В соответствии с другим аспектом изобретения измерительный зонд для грунта имеет корпус, окно, средство для освещения и фотодетектор. Корпус определяет положение оси проталкивания, и в нем образована внутренняя полость. Корпус также имеет наружную поверхность, открытую для скользящего контакта с грунтом, когда корпус проталкивают через грунт вдоль его оси проталкивания. Окно смонтировано в отверстии на наружной поверхности зонда и обеспечивает оптическую связь между грунтом и внутренней полостью. Фотодетектор расположен во внутренней полости, направлен к окну и реагирует на излучение с каждой из множества длин волн, отражаемое от грунта на месте (in situ). В некоторых вариантах осуществления зонд также имеет контроллер, приспособленный для инициирования средства для освещения для излучения света с первой длиной волны, затем прекращения излучения света с первой длиной волны и последующего излучения света со второй длиной волны, затем прекращения излучения света со второй длиной волны и последующего излучения света с третьей длиной волны.
Средство для освещения расположено во внутренней полости, направлено к окну и предназначено для освещения грунта на месте (in situ) с несколькими длинами волн последовательно. В некоторых вариантах осуществления несколько длин волн представляют собой первую, вторую и третью длину волны, соответствующие видимым цветам - красному, зеленому и синему. Средство для освещения предпочтительно освещает грунт последовательно с каждой из длин волн в пределах общего периода времени, составляющего менее приблизительно одной секунды. В некоторых случаях средство для освещения представляет устройство из светоизлучающих диодов, способное излучать свет с несколькими, отдельными длинами волн.
В соответствии с другим аспектом изобретения измерительный зонд для грунта имеет корпус, окно, источник света и средство восприятия. Корпус определяет положение оси проталкивания, и в нем образована внутренняя полость. Корпус также имеет наружную поверхность, открытую для скользящего контакта с грунтом, когда корпус проталкивают через грунт вдоль его оси проталкивания. Окно смонтировано в отверстии на наружной поверхности зонда и обеспечивает оптическую связь между грунтом и внутренней полостью. Источник света расположен во внутренней полости и направлен к окну для освещения грунта на месте (in situ) попеременно светом с первой длиной волны и светом со второй длиной волны. Каждая из первой и второй длин волн предпочтительно соответствует разному, одному из красного, зеленого и синего видимых цветов. Предпочтительно источник света представляет собой светоиз-лучающие диоды. В некоторых вариантах осуществления зонд также имеет контроллер, выполненный с возможностью инициирования источника света для излучения света с первой длиной волны, затем прекращения излучения света с первой длиной волны и последующего излучения света со второй длиной волны.
Средство восприятия расположено во внутренней полости, направлено к окну и предназначено для восприятия света с каждой из первой и второй длин волн, отражаемого от грунта на месте (in situ). В некоторых случаях средство восприятия представляет собой реагирующую на свет интегральную схему.
В соответствии с еще одним аспектом изобретения разработан способ измерения цветовой чувствительности грунта. Способ включает в себя перемещение зонда вперед от поверхности земли через подповерхностный слой почвы, освещение грунта на месте (in situ) светом с первой длиной волны через окно в боковой поверхности зонда, измерение первого количества света, отраженного грунтом обратно к зонду в ответ на освещение светом с первой длиной волны; затем, после гашения света с первой длиной волны, освещение грунта на месте (in situ) светом со второй длиной волны через окно и измерение второго количества света, отраженного грунтом обратно к зонду в ответ на освещение светом со второй длиной волны. Каждая из первой и второй длин волн предпочтительно соответствует разному, одному из красного, зеленого и синего видимых цветов. Для некоторых применений способ также включает в себя ос
- 2 -
008368
вещение грунта на месте (in situ) светом с третьей длиной волны через окно и измерение третьего количества света, отраженного грунтом обратно к зонду в ответ на освещение светом с третьей длиной волны. В некоторых вариантах осуществления способ также включает в себя получение числового R-G-B (красного-зеленого-синего) представления цвета грунта.
Измерительный зонд и способ, описанные здесь, могут обеспечить получение сравнительно недорогого средства для сбора данных о грунте по полю для составления карты цветов грунта. Такая карта может обеспечить индикацию распределения способности удерживать питательные вещества или состава органического вещества, например, в сельскохозяйственных применениях. Компонентам может быть придана такая форма, которая позволяет вставлять их в средства со сравнительно малым диаметром для непосредственных проталкиваний зондов с помощью гидравлических плунжеров, или компоненты могут быть даже вмонтированы в контактирующие с почвой поверхности ножей (лемехов) плуга или других сельскохозяйственных орудий. Дополнительные датчики легко встраиваются для одновременного отображения на карте множества разных свойств почвы.
Детали одного или нескольких вариантов осуществления изобретения приведены на сопровождающих чертежах и в представленном ниже описании. Другие признаки, цели и преимущества изобретения станут очевидными из описания и чертежей, и из формулы изобретения.
Описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой вертикальный вид испытательного транспортного средства, в котором используется измерительный зонд для грунта для измерения характеристик грунта на месте (in situ).
Фиг. 2 представляет собой вид сбоку измерительного зонда для грунта по световому отклику.
Фиг. 3 представляет собой сечение измерительного зонда для грунта по световому отклику, выполненное вдоль линии 3-3 на фиг. 2.
Фиг. 4 представляет собой увеличенное сечение части измерительного зонда для грунта по световому отклику с датчиком для определения цвета по фиг. 2.
Фиг. 5 представляет собой вид в перспективе светового распределителя измерительного зонда для грунта по световому отклику.
Фиг. 6 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую работу измерительного зонда для грунта по отклику света.
Фиг. 7 иллюстрирует работу плуга для распознавания цвета.
Аналогичные ссылочные символы на различных чертежах обозначают аналогичные элементы. Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения
На фиг. 1 проиллюстрировано испытательное транспортное средство 16, приспособленное для сбора данных о подповерхностной зоне поля. Транспортное средство 16 включает в себя систему 23 для проталкивания, предназначенную для проталкивания зондов 18 с коническими пенетрометрами или других инвазивных датчиков от поверхности 114 земли в грунт 110 вдоль выбранной траектории, или вертикальной, или наклонной, на конце колонны из полых толкающих штанг 17. Данные зонды могут содержать датчики, известные в данной области техники, которые реагируют на различные свойства грунта. Во многих случаях сигналы от подобных датчиков передаются электрически или беспроводным путем к выполняющему проталкивание транспортному средству 16 для регистрации и анализа. Датчики пенетрометров могут быть использованы для измерения или извлечения данных об уплотнении грунта, размере зерна, влаге, температуре и удельном сопротивлении, а также других химических и физических свойств. Некоторые подобные датчики поставляются компанией Geoprobe Systems, Inc., Salina, Канзас, и компанией Applied Research Associates Inc., South Royalton, Вермонт. Контроллер 19 зонда, расположенный на транспортном средстве 16, собирает данные от установленных в рабочем положении датчиков 18, при этом данные от датчиков в земле соотносятся с глубиной, определяемой глубиномером 22, и передает данные переносному (дорожному) компьютеру 24 для сбора данных, который также получает данные о географическом положении от бортовой системы глобального позиционирования (непоказанной). Бортовой компьютер, предназначенный для сбора данных, также способен объединять данные, собранные от датчиков, с ранее существовавшими данными для места для создания карты места и/или передачи необработанных или обработанных данных в зону вне места эксплуатации системы посредством мобильной телекоммуникационной связи, как описано в находящейся на рассмотрении заявке на патент номер 09/998863, опубликованной как US2003/0083819 А1.
На фиг. 2 показан внешний вид измерительного зонда 21 для грунта по световому отклику, предназначенного для использования вместе с испытательным транспортным средством 16, показанным на фиг. 1. Зонд 21 включает в себя корпус 30, окно 38, смонтированное в отверстии в корпусе, и коническую головку 48 для облегчения проникновения в землю. Окно 38 смонтировано в отверстии 40 в плоской зоне 39, полученной путем механической обработки на наружной периферии тела корпуса. Окно расположено, по существу, вровень (заподлицо) с плоской зоной 39. Это гарантирует то, что грунт будет находиться в контакте с окном 38 для лучшего освещения. Корпус 30 имеет прочную конструкцию и создан из закаленной стали для того, чтобы он выдерживал большие нагрузки и истирание, которые возникают из-за проталкивания корпуса в землю на глубину до приблизительно шести футов посредством системы гидравлических плунжеров.
- 3 -
008368
Как показано на фиг. 3, корпус 30 определяет положение оси 32 проталкивания или действия силы. Корпус 30 имеет верхнюю секцию 30a и нижнюю секцию 30b, удерживаемые вместе посредством скользящей посадки и установочного винта 58 с цилиндрическим концом. Корпус 30 также имеет наружную поверхность 34, открытую для скользящего контакта с грунтом, когда корпус 30 проталкивают или тянут сквозь грунт. Внутренняя полость 36 зонда содержит источник 42 света, фотодетектор 44 и монтажную плату 66. Окно 38 в зонде, показанном на фиг. 2 и 3, обеспечивает оптическую связь между грунтом и внутренней полостью 36 зонда 21. Источник 42 света направлен к окну 38 для освещения грунта на месте (in situ) попеременно светом с тремя отдельными длинами волн. Фотодетектор 44, также направленный к окну 38, реагирует на свет с тремя длинами волн, отраженный от грунта на месте (in situ). Источник 42 света соединен с монтажной платой 66 четырьмя соединительными проводами 43 (фиг. 4).
Пригодный источник 42 света поставляется компанией LEDtronics, Inc., http://www.ledtronics.com/, как деталь с номером DIS-1024-005A. Данный комплект источников света содержит три светоизлучаю-щих диода (LED), а именно: красный светоизлучающий диод, работающий на длине волны, составляющей приблизительно 660 нанометров; зеленый светоизлучающий диод, работающий на длине волны, составляющей приблизительно 586 нанометров; и синий светоизлучающий диод, работающий на длине волны, составляющей приблизительно 430 нанометров, в одном блоке светоизлучающих диодов с 4 проводами. Также предусмотрено, что могут быть использованы другие источники 42 света, обеспечивающие другое количество или другие длины волн излучаемого света, включая длины волн невидимого излучения в инфракрасном диапазоне или ультрафиолетовом диапазоне. Источник света должен обладать способностью независимого излучения света с каждой из заданных длин волн.
Пригодный фотодетектор 44 поставляется компанией Texas Instruments, http://www.ti.com/, как деталь с номером TSL230A. Данное устройство выдает сигнал с частотой, которая пропорциональна количеству света, падающего на чувствительный элемент. Также пригодны другие устройства, такие как интегрированный (встроенный) оптический датчик Burr-Brown ОРТ301, который выдает выходное напряжение, пропорциональное количеству света, падающего на чувствительный элемент.
Пригодное окно 38 поставляется компанией Edmund Industrial Optics, http://www.edmundoptics.com/, как деталь с номером NT43-630, которая представляет собой сапфировый диск с диаметром 10,15 мм и толщиной 1,4 мм. Сапфир предпочтителен по причине его исключительной твердости и очень большого сопротивления истиранию в сочетании с его хорошими оптическими свойствами. Окно может быть закреплено непосредственно в отверстии в стенке корпуса эпоксидной смолой.
Источник 42 света и фотодетектор 44 смонтированы на монтажной плате 66, которая удерживается на месте во внутренней полости за счет закрепления ее в прорези в верхней гильзе 60 и может удерживаться в прорези за счет использования эпоксидной смолы. Установочный винт 56 обеспечивает фиксацию верхней гильзы на месте после вставки монтажной платы 66 и верхней гильзы 60 в корпус 30 и поворота их так, чтобы установить источник 42 света и фотодетектор 44 в положение, при котором они будут выровнены относительно окна 38. Соответствующие провода 68 проходят от монтажной платы 66 к электрическому соединителю 70, расположенному у верхнего конца корпуса 30. Электрический соединитель сопряжен с кабелем 26 для передачи данных/питания (фиг. 1), проходящим вниз к зонду от поверхности земли.
Зонд 21 также включает в себя секцию с геотехническими датчиками на своем нижнем конце. Кольцевые уплотнения 50 используются для уплотнения секции с геотехническими датчиками. Секция с геотехническими датчиками включает в себя датчики деформации (тензодатчики) для измерения приложенной со стороны грунта нагрузки по мере перемещения зонда вперед через грунт, как известно в области конических пенетрометров. Один комплект датчиков 52 деформации измеряет напряжение при сдвиге, приложенное к гильзе 46 непосредственно за съемной головкой 48. Второй комплект датчиков 54 деформации измеряет нормальную нагрузку, приложенную к съемной головке 48 параллельно оси зонда по мере проталкивания зонда в грунт. Соответствующие провода 62 проходят от датчиков 52, 54 деформации к электрическому соединителю 64, расположенному у верхнего конца корпуса 30. Провода 62 предпочтительно представляют собой коаксиальный кабель для минимизации влияния помех на сигналы данных. Электрический соединитель 64 сопряжен с кабелем 26 для передачи данных/питания (фиг. 1), проходящим вниз к зонду от поверхности земли.
Как показано на фиг. 4, проходящий свет 74 от источника 42 света направляется к окну 38 по каналу 78 светового распределителя 72. Отраженный свет 76 (т. е. свет, отраженный грунтом) направляется к фотодетектору 44 по каналу 80 светового распределителя 72. Световой распределитель 72 препятствует непосредственному падению проходящего света 74 на фотодетектор 44.
Как показано на фиг. 5, световой распределитель 72 имеет дугообразную верхнюю поверхность 84, которая плотно прилегает к внутренней поверхности 86 (фиг. 4) верхней секции корпуса зонда. Световой распределитель 72 получен посредством механической обработки сплошной заготовки из алюминия, и в нем образовано углубление 86а путем подрезания, предназначенное для размещения фотодетектора, и отверстие 82, в котором установлен источник света. В световом распределителе 72 также образован канал 78 для проходящего света, ведущий от отверстия 82 к верхней поверхности 84, и отдельный канал 80 для отраженного света, ведущий обратно от верхней поверхности 84 к углублению 86а. Как подразуме
- 4 -
008368
вают их названия, проходящий свет 74 направляется к окну по каналу для проходящего света, и отраженный свет 76 направляется к фотодетектору по каналу для отраженного света.
Микропроцессор, связанный с устройством 19 управления зондом (фиг. 1), приводит в действие зонд 21 для выполнения операций, показанных на фиг. 6. Микропроцессор обеспечивает "включение" каждого из цветов в блоке светоизлучающих диодов (по одному за раз, последовательно) при одновременной регистрации выходного сигнала фотодатчика (фотодетектора), в результате чего осуществляется измерение количества света, отраженного от почвы, при каждой из трех длин волн света, которые выдает блок светоизлучающих диодов. Микропроцессор также измеряет выходной сигнал от датчиков нагрузки, действующей на головку и гильзу. После включения питания микропроцессор обеспечивает включение только красного светоизлучающего диода и регистрирует количество отраженного света в течение приблизительно 0,125 с. Далее, микропроцессор обеспечивает включение только зеленого светоизлучающе-го диода и регистрирует количество отраженного света в течение приблизительно 0,125 с. Далее, микропроцессор обеспечивает включение только синего светоизлучающего диода и регистрирует количество отраженного света в течение приблизительно 0,125 с. Затем микропроцессор регистрирует глубину зонда и выходной сигнал от датчиков деформации. Микропроцессор проверяет напряжение аккумуляторной батареи и выдает звуковой предупредительный сигнал, если напряжение аккумуляторной батареи низкое. Затем микропроцессор передает данные в виде цифровой последовательности к компьютеру для сбора данных. При нормальных условиях эксплуатации данный цикл повторяется непрерывно до тех пор, пока питание системы не будет выключено.
Если обратиться снова к фиг. 1, то видно, что ультразвуковое устройство 22 для измерения расстояния, смонтированное на транспортном средстве, осуществляет мониторинг глубины, на которой находится датчик в земле, и микропроцессор регистрирует выходной сигнал датчика глубины для соотнесения всех измерений с глубиной. Питание системы осуществляется посредством аккумуляторной батареи, и микропроцессор также осуществляет мониторинг напряжения аккумуляторной батареи. По мере сбора данных данные передаются микропроцессором в виде незашифрованного, открытого текста по линии (RS-232) 28, представляющей собой последовательный интерфейс, к персональному компьютеру 24. Персональный компьютер используется для регистрации данных, графического воспроизведения данных и применения любых калибровочных коэффициентов или коэффициентов согласования размерностей.
Как показано на фиг. 7, плуг 100 с датчиком для определения цвета осуществляет измерение цветовых характеристик грунта во время перемещения его горизонтально через грунт 110 вдоль оси 102 действия силы. Окно 38 смонтировано в отверстии в корпусе 104 плуга. Предпочтительно окно 38 расположено на ноже (лемехе) 106 плуга так, чтобы оно находилось, по существу, в непрерывном контакте с грунтом 110 без восприятия непосредственной ударной нагрузки со стороны грунта 110 во время плужной обработки грунта. Провода 112 обеспечивают передачу данных и питания между контроллером на тракторе (не показанном), тянущем плуг 100 с датчиками для определения цвета. Альтернативно, компоненты в виде датчиков в корпусе 104 плуга могут получать питание от местной аккумуляторной батареи при беспроводной передаче данных.
Датчик для определения цвета, описанный выше, также может быть объединен в одном зонде с другими датчиками, такими как датчики, реагирующие на плотность грунта, его гранулометрический состав, влагу, удельное сопротивление, температуру или изображение. Выходные сигналы от различных датчиков предпочтительно соотносятся с глубиной или положением поля (например, полученными с помощью глубиномера и/или системы глобального позиционирования) с тем, чтобы обеспечить возможность ассоциации выходных сигналов датчиков с вертикальным и/или боковым положением в грунте. Датчик для определения цвета также может быть установлен в зонде, подаваемом в почву до небольших глубин рукой. Также может быть предусмотрено то, что, помимо проталкивания зонда в грунт, устройство, содержащее датчик для определения цвета, может быть вбито в подповерхностный слой, или его можно волочить на заданной глубине в горизонтальном направлении через поле.
В некоторых применениях датчик для определения цвета проталкивают в грунт в различных местах на поле с тем, чтобы создать вертикальные цветовые профили. В случаях применениях в сельском хозяйстве данные цветовые профили, как правило, создаются до глубины, составляющей приблизительно два метра. В выбранных местах почва (грунт) может быть извлечена из земли в виде керна непосредственно рядом с местоположением цветового профиля датчика. Керн может быть подвергнут анализу посредством передачи различных частей в лабораторию для определения содержания органических углеродных соединений в почве, уровней содержания питательных веществ (азота, фосфора, калия) и цвета. Эти результаты затем используются для калибровки выходного сигнала датчика для определения цвета до одной из тех измеренных характеристик, которые были получены для определенного места. Аналогичным образом, части керна могут быть подвергнуты анализу для определения гранулометрического состава почвы (размера зерна), объемной плотности и влаги в целях калибровки датчиков на зонде, которые предназначены для определения данных характеристик почвы. Необходимо произвести отбор кернов только в нескольких местах для калибровки ответного сигнала датчиков для данного типа почвы. Образцы керна или другие предметы известного цвета можно держать у окна датчика для определения цвета для определения калибровочных коэффициентов зонда. Зонд также может быть подвергнут калибровке с
- 5 -
008368
помощью цветовой шкалы почвы по системе Манселла. Каждый стандартный элемент цветовой палитры в системе Манселла может быть помещен над окном, и цвет элемента может быть графически показан в трехмерном пространстве R-G-B. Когда позднее зонд будет использован для получения значения R-G-B цвета почвы на месте, значения R-G-B для поля будут графически показаны в том же цветовом пространстве, и "minimal distance-to-mean" алгоритм используется для определения того, какой из элементов системы Манселла является ближайшим к данным по цветам поля в евклидовом пространстве. Выход алгоритма может представлять собой идентификацию ближайшего цвета почвы в системе Манселла, или взвешенную, функцию трех или четырех ближайших образцов в системе Манселла. Как только будет определена база данных ответных сигналов датчиков для определенных типов почв, дальнейший отбор проб керна может быть необязательным для обеспечения приемлемой точности.
В исследовательских работах было показано, что процентное содержание органического вещества в почве почти линейно связано с цветом почвы в пределах заданного ландшафта. См., например, работу Shulze и др., "The Significance Of Organic Matter In Determining Soil Color", Soil Sci. Soc. Amer. Special Publ., No. 31, pp.71-90 (1993). Удобрения и другие питательные вещества имеют положительный заряд иона и, следовательно, химически адсорбируются и удерживаются на частицах органического вещества с отрицательным зарядом. Чем больше органического вещества, как по концентрации, так и по объему, содержит почва, тем выше ее способность удерживать питательные вещества. Кроме того, гранулометрический состав и плотность почвы влияют на способность почвы физически удерживать влагу. Поскольку питательные вещества часто растворены в почвенной воде, они будут перемещаться через почву вместе с водой. Посредством определения гранулометрического состава и измерения плотности почвы также можно определить физическую способность почвенной среды удерживать питательные вещества.
Как только органическое вещество почвы в вертикальном направлении и способность почвы удерживать питательные вещества будут определены в выбранных зонах на поле, может быть выполнена интерпретация условий, которые существуют между наблюдениями. Это может быть выполнено посредством использования множества различных стандартных программ статистической обработки пространственных данных, которые оценивают условия в данном месте в трех измерениях. Получающаяся в результате карта может быть импортирована в прикладные программы, которые используют информацию для поддержки принятия решений. Например, данные могут быть использованы для изменения распределения материалов, вносимых машиной для внесения удобрений, работающей с переменной скоростью. Данные о распределении органического вещества также могут быть использованы для расчета общего секвестрированного количества углерода для данного поля, например для определения "кредита" по выбросу углерода в программе контроля за выделением углерода.
Был описан ряд вариантов осуществления изобретения. Тем не менее, следует понимать, что различные модификации могут быть выполнены, не отходя от сущности и объема изобретения. Соответственно, другие варианты осуществления находятся в пределах объема нижеприведенной формулы изобретения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Измерительный зонд для грунта, содержащий
корпус (30, 104), определяющий положение оси (32) действия силы и имеющий наружную поверхность (34), открытую для скользящего контакта с грунтом (110) по мере перемещения корпуса через грунт вдоль оси действия силы, при этом в корпусе имеется внутренняя полость (36);
окно (38), смонтированное в отверстии (40) на наружной поверхности зонда и обеспечивающее оптическую связь между грунтом и внутренней полостью;
средство (42) для освещения, расположенное во внутренней полости и направленное к окну (38), предназначенное для освещения грунта на месте с несколькими длинами световых волн последовательно; и
средство (44) восприятия, расположенное во внутренней полости и направленное к окну (38), при этом средство восприятия реагирует на световое излучение на каждой из первой и второй длин волн, отраженное от грунта на месте.
2. Измерительный зонд по п.1, в котором средство (42) для освещения выполнено регулируемым для избирательного освещения грунта (110) последовательно на первой и второй длинах волн.
3. Измерительный зонд по п.2, в котором средство (42) для освещения также выполнено регулируемым для избирательного освещения грунта (110) на третьей длине волны за исключением первой и второй длин волн.
4. Измерительный зонд по п.3, в котором первая, вторая и третья длины волн соответствуют видимым цветам - красному, зеленому и синему.
5. Измерительный зонд по п.1, в котором первая и вторая длины волн соответствуют видимым цветам.
6. Измерительный зонд по п.5, в котором каждая из первой и второй длин волн соответствует разному, одному из красного, зеленого и синего видимых цветов.
- 6 -
008368
7. Измерительный зонд по п.1, в котором окно (38) имеет наружную поверхность, расположенную, по существу, вровень с наружной поверхностью (34) зонда.
8. Измерительный зонд по п.7, в котором окно (38) расположено вровень с плоской зоной (39) наружной поверхности (34) зонда.
9. Измерительный зонд по п.8, в котором плоская зона (39) является открытой на ее нижнем конце, что обеспечивает беспрепятственный проход для грунта, приближающегося к окну (38).
10. Измерительный зонд по п.1, в котором окно (38) содержит сапфир.
11. Измерительный зонд по п.1, в котором в зонде образован внутренний канал, простирающийся по длине зонда и образующий сквозной проход для проводов (62) от датчиков (52, 54) в нижней части зонда.
12. Измерительный зонд по п.1, в котором средство (42) для освещения содержит отдельные излучатели света, при этом один излучатель света выполнен с конфигурацией, обеспечивающей возможность излучения света на первой длине волны, и другой излучатель света выполнен с конфигурацией, обеспечивающей возможность излучения света на второй длине волны.
13. Измерительный зонд по п.12, в котором излучатели света содержат светоизлучающие диоды.
14. Измерительный зонд по п.1, дополнительно содержащий световой распределитель (72), в котором образованы:
канал (78) для освещения, расположенный так, чтобы направлять световое излучение от средства (42) для освещения к внутренней поверхности окна (38); и
канал (80) для отраженного света, расположенный на расстоянии от канала для освещения и расположенный так, чтобы обеспечить оптический путь от внутренней поверхности окна до средства (44) восприятия.
15. Измерительный зонд по п.1, в котором средство (44) восприятия содержит реагирующую на свет интегральную схему, которая выдает сигнал с частотой, которая изменяется в зависимости от силы света.
16. Измерительный зонд по п.1, дополнительно содержащий контроллер (19), выполненный с возможностью инициирования средства (42) для освещения для излучения света на первой длине волны, затем прекращения излучения света на первой длине волны и последующего излучения света на второй длине волны.
17. Измерительный зонд по п.16, в котором контроллер (19) соединен со средством (42) для освещения посредством отрезка кабеля (26), проходящего от корпуса (30, 104).
18. Измерительный зонд по п.16, в котором контроллер (19) инициирует отличающиеся излучения на каждой из первой и второй длин волн в пределах общего времени работы, составляющего приблизительно менее 1 с.
19. Измерительный зонд по п.16, в котором контроллер (19) выполнен с возможностью инициирования средства (42) для освещения в то время, как зонд перемещается вперед через грунт (110).
20. Измерительный зонд по п.1, дополнительно содержащий электрический соединитель (70) у верхнего конца корпуса (30), предназначенный для сопряжения с кабелем (26) для передачи данных, проходящим вниз к зонду от поверхности земли.
21. Измерительный зонд по п.1, в котором корпус (30) представляет собой, по существу, цилиндрическое тело с закрытым нижним концом (48).
22. Измерительный зонд по п.21, в котором нижний конец (48) включает в себя датчик (52, 54) силы, выполненный с конфигурацией, обеспечивающей возможность измерения приложенной со стороны грунта нагрузки по мере перемещения зонда вперед через грунт (110) вдоль оси (32) действия силы.
23. Измерительный зонд по п.22, в котором нижний конец включает в себя первый датчик (54) силы, реагирующий на нормальную нагрузку, приложенную параллельно оси действия силы на дистальной головке зонда, и второй датчик (52) силы, реагирующий на напряжение при сдвиге, приложенное к наружной поверхности зонда за головкой.
24. Измерительный зонд по п.1, в котором корпус (30) имеет прочность на продольный изгиб, достаточную для того, чтобы выдерживать без опоры нагрузку, составляющую по меньшей мере 2 т (18 кН), приложенную вдоль оси (32) действия силы.
25. Измерительный зонд по п.1, в котором корпусу (104) придана форма, позволяющая расщеплять грунт (110) при перемещении корпуса в боковом направлении через грунт.
26. Измерительный зонд по п.1, в котором средство (44) восприятия содержит реагирующую на свет интегральную схему.
27. Способ измерения спектральной характеристики грунта, содержит следующие этапы: перемещение зонда (21, 100) по п.1 через подповерхностный слой грунта (110);
освещение грунта на месте светом на первой длине волны через окно (38) в боковой поверхности зонда;
измерение интенсивности света, отраженного грунтом обратно к зонду в ответ на освещение светом на первой длине волны; затем, после прекращения освещения светом на первой длине волны, освещение грунта на месте светом на второй длине волны через окно; и
измерение интенсивности света, отраженного грунтом обратно к зонду в ответ на освещение светом
- 7 -
008368
на второй длине волны.
28. Способ по п.27, в котором каждая из первой и второй длин волн соответствует разному, одному из красного, зеленого и синего видимых цветов.
29. Способ по п.28, дополнительно включающий в себя получение числового R-G-B (красного-зеленого-синего) представления цвета грунта.
30. Способ по п.27, дополнительно включающий в себя, после измерения интенсивности света, отраженного грунтом (110) обратно к зонду (21) в ответ на освещение светом на второй длине волны:
освещение грунта на месте светом на третьей длине волны через окно (38); и
измерение интенсивности света, отраженного грунтом обратно к зонду в ответ на освещение светом на третьей длине волны.
28 Л Л19 Г26
-J ^-114
V -
110
~^17
Фиг. 1
Фиг. 2
- 8 -
008368
008368
I-включение (_питания
включить только красный светоизлучающий диод и зарегистрировать количество отраженного света
включить только зеленый светоизлучающий диод и зарегистрировать количество отраженного света
включить только синий светоизлучающий диод и зарегистрировать количество отраженного света
зарегистриоовать глубину погружения зонда и выходной сигнал от датчикоЕ! деформации (тензодатчиков)
проверить напряжение аккумуляторной батареи, выдать звуковой предупредительный сигнал, если напряжение аккумуляторной батареи низкое
передать данные
Фиг. 6
Фиг. 7
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2/6
- 10 -