طراحی، ساخت و ارزیابی یک حسگر ترکیبی صوتی- نیرویی به منظور اندازه گیری بلادرنگ مقاومت مکانیکی خاک

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 سانتی‎متر 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.