CN102853986A

CN102853986A - 土壤风蚀沙化监测集沙仪

Info

Publication number: CN102853986A
Application number: CN2012103138936A
Authority: CN
Inventors: 林剑辉; 李宁; 郭波; 孙超
Original assignee: Beijing Forestry University
Current assignee: Beijing Forestry University
Priority date: 2012-08-29
Filing date: 2012-08-29
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2032-08-29
Also published as: CN102853986B

Abstract

本发明涉及土壤风蚀监测技术领域，公开了一种土壤沙化监测集沙仪，该集沙仪包括支架、风沙通道、集沙筒、电机、控制器和称重传感器；集沙筒的一端和电机同轴连接，另一端以可转动的方式安装在所述支架上，集沙筒的筒壁上开有集沙口；风沙通道的两端分别设有风沙进口和风沙出口，风沙通道的风沙出口端安装在支架上，其风沙出口抵在所述集沙筒的筒壁上；称重传感器安装在支架上位于集沙筒的下方；控制器分别与称重传感器和电机连接，控制器采集称重传感器的沙量数据并进行数据处理后向电机发送控制信号，以控制电机驱动集沙筒转动进行装沙或卸沙。本发明可保证集沙筒实时、连续地收集沙子，实现低能耗地自动卸沙和收集沙子。

Description

土壤风蚀沙化监测集沙仪

技术领域

本发明涉及土壤风蚀监测技术领域，特别是涉及一种土壤风蚀沙化监测集沙仪。

背景技术

在21世纪的世界十大环境问题中，土地荒漠化是最严重的问题，而造成土地荒漠化最主要的原因则是土壤风蚀。土壤风蚀是指一定速度的气流作用于松散的土壤，造成土壤表层颗粒的位移、搬运以及堆积等，从而导致土壤结构的破坏，土壤中物质的丢失等。土壤风蚀问题由来已久，在世界范围内广泛分布，据统计，每年全球有9亿多人要受到土壤风蚀的危害，全球面积的四分之一要受到沙漠化的威胁，由此造成的经济损失高达420多亿美元。我国北方地区处于亚洲的中部，受温带大陆性气候影响严重，干旱少雨，雨水季节分布不均，多集中于夏季，是土壤风蚀的高发地带，受土壤风蚀影响的土地面积占我国国土面积的一半以上。土壤风蚀给我国国民经济造成了巨大损失。土壤风蚀的危害主要表现在两个方面：一是使农牧区的土质严重退化，造成农牧区严重减产；二是使环境恶化，对人们正常的生活造成严重，如造成多起严重的铁路事故，造成航班的延误。

要减小土壤风蚀的危害，首先就是要得到土壤风蚀的规律。土壤风蚀沙化数据的采集一直摆在研究此问题的突出位置。集沙仪是探究野外和室内风洞观测风沙流结构特征、土壤风蚀和沙化程度以及沙丘移动运动等风沙运动规律时所需的仪器，是用于测量风沙流结构和风沙流中输沙量的科学研究仪器。因此，集沙仪是研究土壤风蚀规律的重要工具，对减小土壤风蚀的危害有着极其重要的意义。

为了方便而且准确地得到有关土壤风蚀的数据，就需要一台切实可靠的集沙仪，而集沙仪的关键部位便是集沙机构。因此，设计一种简单可靠的集沙机构对风蚀研究有极其重要的意义。

现有的集沙仪主要有现有的集沙仪主要有旋风分离式、多口方口式、翻斗式等。目前的集沙仪主要存在以下不足：1、旋风分离式，翻斗式等的集沙仪通常用于单点（层）测量，不易做成纵向剖面多层测量的结构，不适用测量输沙量和风沙流结构；2、数据测量主要依靠人力完成，且不能实现连续采集数据；3、不能在沙子达到一定质量时进行报警以及自动卸沙。因此，现有集沙仪无法适应当前的信息化需求。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何提供一种低能耗、自动的连续采集土壤风蚀沙化数据的集沙仪。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种土壤沙化监测集沙仪，所述集沙仪包括支架、风沙通道、集沙筒、电机、控制器和称重传感器；所述集沙筒的一端和电机同轴连接，另一端以可转动的方式安装在所述支架上，所述集沙筒的筒壁上开有集沙口；所述风沙通道的两端分别设有风沙进口和风沙出口，所述风沙通道的风沙出口端安装在支架上，其风沙出口抵在所述集沙筒的筒壁上；所述称重传感器安装在支架上位于集沙筒的下方；所述控制器分别与称重传感器和电机连接，所述控制器采集所述称重传感器的沙量数据并进行数据处理后向电机发送控制信号，以控制电机驱动集沙筒转动进行装沙或卸沙。

其中，所述集沙筒的筒壁由纱网包裹的筒架构成。

其中，所述纱网的细度为450~550目。

其中，所述电机采用步进电机。

其中，所述风沙通道设置为楔形，所述风沙出口的横截面积大于风沙进口的横截面积。

其中，所述集沙筒与支架连接的一端设有反转控制机构，所述反转控制机构用于限制集沙筒转动的角度。

其中，所述反转控制机构包括卡榫和限位柱体，所述限位柱体固定在所述集沙筒的底板上，所述卡榫固定在所述支架上，所述卡榫为朝向风沙方向的开口L形，当集沙筒转动时可带动限位柱体在卡榫内转动；当集沙筒装沙时，所述限位柱体抵在卡榫的竖段；当集沙筒卸沙时，所述限位柱体抵在卡榫的横段。

其中，所述集沙仪还包括导沙板，所述导沙板固定在所述支架上并位于所述称重传感器的下方，所述导沙板水平倾斜20~60°。

其中，所述控制器包括信号调理模块、数据采集模块和控制模块；所述信号调理模块用于接收称重传感器的信号并对信号进行调理，并将调理后的数据信号发送到数据采集模块；所述数据采集模块用于保存信号调理模块发送的称重传感器的数据信号，并将该数据信号发送给控制模块；所述控制模块根据数据采集模块发送的数据信号对电机进行控制。

其中，所述控制器还包括数据传输模块和上位机，所述数据采集模块将其保存的数据信号通过数据传输模块传输到上位机，上位机处理成控制信号后又通过数据传输模块将控制信号分别传输给控制模块和数据采集模块。

（三）有益效果

上述技术方案提供的一种土壤沙化监测集沙仪，其结构简单，成本较低，制造工艺简单，当称重传感器测量到沙子达到预设的重量时，控制器控制电机使得集沙筒迅速及时地转动到设定的角度，使得集沙筒的集沙口方向朝下，将收集到的沙子全部由集沙口倒出，并及时复位，使得集沙口重新朝向风沙通道的风沙出口，保证集沙筒实时、连续地收集沙子，实现低能耗地自动卸沙和收集沙子；进一步地，集沙筒的筒壁由纱网包裹的筒架构成，纱网可以允许风顺利地通过，而将小颗粒的沙子拦下，从而降低了风对沙量的影响，提高了测量的准确性；更进一步地，该集沙仪可以全自动测量风沙纵向剖面分层能，实现对输沙量的连续自动采集。

附图说明

图1是本发明集沙仪的侧视图；

图2是本发明集沙仪的后视图；

图3是本发明的控制原理图；

图4是本发明反转控制机构的结构示意图；

图5是本发明多个集沙仪纵向分布图。

其中，1、集沙筒；2、风沙通道；3、电机；4、联轴器；5、电机架；6、集沙筒轴承；7、称重传感器；8、支架；9、支撑横梁；10、导沙板；11、反转控制机构；111、卡榫；112、限位柱体；12、控制器；13、数据采集模块；14、数据传输模块；15、上位机；16、控制模块；17、信号调理模块；18、机架；19、推力轴承组；20、底座；21、蓄电池；22、集沙仪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1和图2，本发明一种土壤沙化监测集沙仪，集沙仪包括支架8、风沙通道2、集沙筒1、电机3、控制器12和称重传感器7；集沙筒1的一端和电机3同轴连接，另一端以可转动的方式安装在支架8上；集沙筒1的筒壁上开有集沙口；风沙通道2的两端分别设有风沙进口和风沙出口，风沙通道2的风沙出口端安装在支架8上，其风沙出口抵在集沙筒1的筒壁上；称重传感器7安装在支架8上位于集沙筒1的下方；控制器12分别与称重传感器7和电机3连接，控制器12采集称重传感器7的沙量数据并进行数据处理后向电机3发送控制信号，以控制电机3驱动集沙筒1转动进行装沙或卸沙。支架8上还设有支撑横梁9，用于支撑称重传感器7。电机3通过电机架5安装在支架8上。

其中，集沙筒1的筒壁由纱网包裹的筒架构成。该纱网的细度为450~550目，优选为500目。纱网的作用在于使得集沙筒1在盛沙的同时起到良好的透气性。

电机3与集沙筒1的转轴通过联轴器4和集沙筒轴承6连接，该联轴器4是与电机3及集沙筒1的转轴相配套的联轴器，其扭矩在要求范围之内，为集沙筒1传递电机3提供的扭矩；由于控制集沙筒1转动与停止的电机3输出的运动和集沙筒1的运动都是转动，两者之间只需要一个联轴器4即可连接，省去了转化运动形式的结构，从而使得集沙筒1的运动更加可靠，降低了故障率，提高了集沙筒1的集沙工作稳定性。电机3采用步进电机，其功耗较低，扭矩符合要求，使集沙筒1的转停以及转动的角度更加准确。

风沙通道2设置为楔形，风沙出口的横截面积大于风沙进口的横截面积，风沙进口的横截面宽高比为2:1，风沙出口和风沙进口的截面积比为2:1，经过优化的尺寸可将风沙进入的数值和速度等参数控制到最佳。从风沙通道2的风沙进口进来的风一方面在从风沙进口到风沙出口横截面积逐渐加宽的楔形结构中，风速逐渐减小，大部分沙粒在重力作用下落在集沙筒1中；纱网可以允许风顺利地通过，而将小颗粒的沙子拦下，从而降低了风对沙量的影响，提高了测量的准确性。在楔形风沙通道2的配合下，整个集沙仪的收集沙子以及称重部分受到风的影响会更小，测量结果会更加准确。且风沙通道2和集沙筒1的接触部分采用密封条进行密封，避免了较小颗粒的沙子被风吹走。

如图4，集沙筒1与支架8连接的一端设有反转控制机构11，该反转控制机构11用于限制集沙筒1转动的角度。该反转控制机构11包括卡榫111和限位柱体112，限位柱体112固定在集沙筒1的底板上，卡榫111固定在支架8上，卡榫111为朝向风沙方向开口的L形，当集沙筒1转动时可带动限位柱体112在卡榫111内转动；当集沙筒1装沙时，限位柱体112抵在卡榫111的竖段；当集沙筒1卸沙时，限位柱体112抵在卡榫111的横段。其中，卡榫111为支架8的一部分。

如图3，控制器12包括信号调理模块17、数据采集模块13和控制模块16；信号调理模块17用于接收称重传感器7的信号并对信号进行调理，并将调理后的数据信号发送到数据采集模块13；数据采集模块13用于保存信号调理模块17发送的称重传感器7的数据信号，并将该数据信号发送给控制模块16；控制模块16根据数据采集模块13发送的数据信号对电机3进行控制。该控制器12还包括数据传输模块14和上位机15，数据采集模块13将其保存的数据信号通过数据传输模块14传输到上位机15，上位机15处理成控制信号后又通过数据传输模块14将控制信号分别传输给控制模块16和数据采集模块13，上位机15将控制信号传输给控制模块16以控制电机3的转动，上位机15将控制信号传输给数据采集模块13以控制称重传感器7采样的间隔。

如图5，其中，本实施例的集沙仪22是可拆卸式的，集沙仪22可通过支撑横梁9固定在机架18上，该机架18通过推力轴承组19安装于底座20上。机架18上可设有一个或多个集沙仪22，该多个集沙仪22交错地设置风沙纵向剖面的高度上，同一面相邻的两个集沙仪的纵向间距为一个集沙仪22的高度。整个集沙仪22的供电电源可以采用直流电源或者蓄电池21，该蓄电池21可以安装在底座20的底部。

再如图2，该集沙仪还包括导沙板10，该导沙板10固定在支架8上并位于称重传感器7的下方，导沙板10水平倾斜20~60°，优选为30°。集沙筒1卸出的沙子沿导沙板10下滑，可避免较高的集沙仪滑下的沙子对较低的集沙仪工作的影响。

上述技术方案所提供的一种土壤沙化监测集沙仪的工作步骤为：

S1、控制器12按设定的时间间隔，每一个时间间隔控制称重传感器7测量集沙筒1中的沙量，并将数据进行存储，此时限位柱体112抵在卡榫111的竖段，集沙筒1处于装沙状态；

S2、当集沙筒1中的沙量达到设定值时，控制器12控制电机3转动，电机3带动集沙筒1转动到设定的角度，集沙筒1内所有沙子全部从集沙口流出，此时限位柱体112抵在卡榫111的横段，集沙筒1处于卸沙状态；

S3、控制器12控制电机3反转到设定的角度，电机3带动集沙筒1转动到相应的角度，集沙筒1复位，此时限位柱体112重新抵在卡榫111的竖段，集沙筒1重新处于装沙状态。

由上述实施例可以看出，该土壤沙化监测集沙仪结构简单，成本较低，制造工艺简单，当称重传感器7测量到沙子达到预设的重量时，控制器12控制电机3使得集沙筒1迅速及时地转动到设定的角度，使得集沙筒1的集沙口方向朝下，将收集到的沙子全部由集沙口倒出，并及时复位，使得集沙口重新朝向风沙通道2的风沙出口，保证集沙筒1实时地收集沙子，实现低能耗地自动卸沙和收集沙子；且该集沙仪可以全自动测量风沙纵向剖面分层能，实现对输沙量的连续自动采集，对于风蚀防治的研究有着重要的意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种土壤沙化监测集沙仪，其特征在于，所述集沙仪包括支架、风沙通道、集沙筒、电机、控制器和称重传感器；所述集沙筒的一端和电机同轴连接，另一端以可转动的方式安装在所述支架上，所述集沙筒的筒壁上开有集沙口；所述风沙通道的两端分别设有风沙进口和风沙出口，所述风沙通道的风沙出口端安装在支架上，其风沙出口抵在所述集沙筒的筒壁上；所述称重传感器安装在支架上位于集沙筒的下方；所述控制器分别与称重传感器和电机连接，所述控制器采集所述称重传感器的沙量数据并进行数据处理后向电机发送控制信号，以控制电机驱动集沙筒转动进行装沙或卸沙。

2.如权利要求1所述的土壤沙化监测集沙仪，其特征在于，所述集沙筒的筒壁由纱网包裹的筒架构成。

3.如权利要求2所述的土壤沙化监测集沙仪，其特征在于，所述纱网的细度为450~550目。

4.如权利要求1所述的土壤沙化监测集沙仪，其特征在于，所述电机采用步进电机。

5.如权利要求1所述的土壤沙化监测集沙仪，其特征在于，所述风沙通道设置为楔形，所述风沙出口的横截面积大于风沙进口的横截面积。

6.如权利要求1所述的土壤沙化监测集沙仪，其特征在于，所述集沙筒与支架连接的一端设有反转控制机构，所述反转控制机构用于限制集沙筒转动的角度。

7.如权利要求6所述的土壤沙化监测集沙仪，其特征在于，所述反转控制机构包括卡榫和限位柱体，所述限位柱体固定在所述集沙筒的底板上，所述卡榫固定在所述支架上，所述卡榫为朝向风沙方向开口的L形，当集沙筒转动时可带动限位柱体在卡榫内转动；当集沙筒装沙时，所述限位柱体抵在卡榫的竖段；当集沙筒卸沙时，所述限位柱体抵在卡榫的横段。

8.如权利要求1所述的土壤沙化监测集沙仪，其特征在于，所述集沙仪还包括导沙板，所述导沙板固定在所述支架上并位于所述称重传感器的下方，所述导沙板水平倾斜20~60°。

9.如权利要求1所述的土壤沙化监测集沙仪，其特征在于，所述控制器包括信号调理模块、数据采集模块和控制模块；

所述信号调理模块用于接收称重传感器的信号并对信号进行调理，并将调理后的数据信号发送到数据采集模块；

所述数据采集模块用于保存信号调理模块发送的称重传感器的数据信号，并将该数据信号发送给控制模块；

所述控制模块根据数据采集模块发送的数据信号对电机进行控制。

10.如权利要求9所述的土壤沙化监测集沙仪，其特征在于，所述控制器还包括数据传输模块和上位机，所述数据采集模块将其保存的数据信号通过数据传输模块传输到上位机，上位机处理成控制信号后又通过数据传输模块将控制信号分别传输给控制模块和数据采集模块。