便携式数字圆锥指数仪设计

　　越野车辆在进行设计时，地面通过性是其一项重要指标。 一般来说，土壤的可行驶性受车重、行走机构类型、发动机功率、传动型式及地隙等因素的影响。 只要土壤的圆锥指数等于或大于车辆圆锥指数，车辆就能在这种土壤上行驶。

　　圆锥仪的研制工作不断发展，从手动贯入到机动贯入，从目测读数到电测记录，出现了多种多样的圆锥仪。 美国研制成功了空投圆锥仪，德国正准备利用卫星测定土壤的 CI 值。 中国最初都是采用先从现场采样再在室内进行试验的方法。20 世纪 70 年代初，中国农机部门研制了 SR-2 型土壤贯入仪。 南京工程兵学院分别于 1981 年和 1984 年研制出工兵圆锥仪 I 型和Ⅱ型。 这两种仪器质量轻、结构可靠、使用方便，但仍采用目测读数的方式。 1996 年，罗锡文等研制了一种以电动机为贯入动力，用微型计算机(IBMPC/XT)控制、记录和处理数据的机械式电测圆锥仪，可保证贯入速度均匀，减少对测量精度的影响，该仪器可用于室内土槽、野外土壤的测试，但携带不方便，不便于野外测量。

　　本文采用超声波反射法及应力测定法设计测试系统， 通过测得探头插入深度及探头所受应力来测定圆锥指数， 为车辆地面通过性判断提供技术条件。

　　1 系统工作原理及总体设计

　　早在 40 年代初，美国陆军工程兵水道试验站(WES)将构成土壤阻力和推力特性的力学性质汇集为一个量，叫做“圆锥指数”(CI)。 圆锥指数即圆锥贯入阻力，便携式圆锥指数测试系统采用超声波反射法和应力测定法的测量原理测量土壤圆锥指数， 超声波反射法是根据测量超声波从发出到接收的时间差来测定位移，从而间接得出探头的插入深度。 应力测量法是通过应变片形变测出探头所受应力。 因此，探头插入深度的测量及探头所受应力的测量是圆锥指数测试仪中的两个重要方面。

　　发射的超声波遇到障碍物时就会发生反射， 反射波可由接收器接收， 这样只要测出超声波从发送点到反射回来的时间间隔△t，然后根据公式(1)即可求出超声波从发射处到障碍物之间的距离。

　　应力的测量是通过应变片的形变来实现， 通过电阻桥将形变引起的电阻变化量转化为电压量(如图 2 所示)，经过信号调

　　理电路后送入 A/D 芯片，最后通过单片机处理。测 试 系 统 采 用 C8051F040单片机为硬件平台，C8051F 系列单片机是美国 Cygnal 公司开发的全集成混合信号型单片机，它的内核与 8051 完全兼容，指令执行速度大大提高， 使用交叉开关的 方 式 分 配 I/O 口 ， 采 用 基 于JTAG 口的在线系统调试方式，片内集成 8 通道 12 位 A/D。系统还需具备以下功能： ①记录测试地点;②记录测试时间;③最大测试记录数达到 9999 条;④测试数据能通过串口导出;⑤具备显示、按键功能。 系统的总体设计框图如图 3 所示。