CN103477967A - 三维旋转地面实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三维旋转地面实验装置，包括内设有受控密闭舱、供水装置、环境控制装置和控制箱，所述受控密闭舱内置有一对竖直支撑架，所述支撑架之间设有旋转支架，所述旋转支架两侧中部通过横向转轴与支撑架相连接，所述旋转支架内通过纵向转轴连接有三维旋转载物台，所述旋转支架旋转中心线与三维旋转载物台旋转中心线相互垂直，所述三维旋转载物台内固定有光照装置和和生物培养盘，所述培养舱外部设有供水装置与温湿度、气体组分等环境控制装置。本发明生物培养舱同时绕两根相互垂直的旋转轴运动，实现了真正意义上的生物三维旋转培养，模拟仅存在于太空的微重力效应，且培养舱内设有循环营养液供水设备，可实现远程控制完成生物整个生育期或较长时期的栽培的地面实验装置。

Description

三维旋转地面实验装置
技术领域
本发明涉及一种三维旋转地面实验装置。
背景技术
微重力对生物系统的生长发育、遗传变异产生相当大的影响。微重力科学试验通常只能在空间实验室上进行，费用昂贵，机会难得，尤其是空间生物培养装置在上天时，应在地面进行大量的整机性能验证试验和生物培养适应性试验，以提高上天机型在轨试验的成功率。利用回转器模拟微重力效应是空间生物学的重要研究方法，但是，现有的回转装置大多数是挠着一根固定的水平轴进行旋转的，属单轴式，它模拟空间微重力的效应，有较大的局限性。无论是植物培养液，还是细胞培养液，都没有直接进入旋转容器，无法随时更换或补充培养液，很难完成生物整个生育期或较长时期的栽培。
发明内容
本发明对上述问题进行了改进，即本发明要解决的技术问题是提供一种可补充培养液，实现完成生物整个生育期或较长时期的栽培的地面实验装置。
本发明的具体实施方案是：一种三维旋转地面实验装置，包括内设有受控密闭舱、供水装置、环境控制装置和控制箱，所述受控密闭舱内置有一对竖直支撑架，所述支撑架之间设有旋转支架，所述旋转支架两侧中部通过横向转轴与支撑架相连接，所述旋转支架内通过纵向转轴连接有三维旋转载物台，所述旋转支架旋转中心线与三维旋转载物台旋转中心线相互垂直，所述支撑架上还设有使旋转支架转动的第一驱动装置，所述旋转支架内设有使三维旋转载物台转动的第二驱动装置，所述三维旋转载物台内固定有光照装置和生物培养盘，所述培养舱外部设有供水装置与温湿度装置。
进一步的，所述横向转轴、纵向转轴及旋转支架内嵌有中空输液管道，所述横向转轴、纵向转轴及旋转支架内嵌的输液管道相互连通，所述旋转支架左右两侧的支撑架上分别设有与横向转轴内中空输液管道相连通的旋转进水接口和旋转出水接口，所述纵向转轴内的输液管道穿过三维旋转载物台腔体与三维旋转载物台内腔的生物培养盘相连通。
进一步的，所述供水装置位于培养舱外部下方，所述供水装置包括一培养液贮罐，所述培养液贮罐联通有出液管与回液管，所述回液管与支撑架上的出水口相连通，所述出液管与支撑架上的进水口相连通，所述出液管设有水消毒器、及精滤阀，所述出液管还设有驱动水流动的蠕动泵，所述培养液贮罐还设有用于过滤回液管营养液的水过滤器。
进一步的，所述第一驱动装置为公转调速电机，所述第二驱动装置为自转调速电机，所述横向转轴与纵向转轴上设有集电环。
进一步的，所述三维旋转载物台内位于旋转支架旋转中心线一侧的内壁上设置有LED灯板，所述三维旋转载物台设有控制LED灯板启闭机调光的光源驱动板和无级调光板。
进一步的，所述温湿度控制装置由设置于培养舱外部下方的压缩机、压缩机冷凝器、电加热器、加湿器、循环风扇、油水分离器、贮液罐及水泵组成。
进一步的，所述密封箱内还设有控制密封箱内气体组分的气体调控装置，所述气体调控装置包括CO2钢瓶、控制气阀、内循环风扇及气泵。
进一步的，所述三维旋转载物台内设有高精度摄像头与WIFI上网卡，所述培养箱内壁设有WIFI路由器，所述密封箱内设有CO2传感器与气压传感器，所述培养液贮罐内设有温度传感器。
进一步的，所述密封箱内设有控制箱，所述控制箱内设有电源、主控板和继电器板，所述WIFI路由器、温湿度装置，光照装置、供水装置及传感器与控制箱内的主控板电连接。
进一步的，所述密封箱箱体设有触摸屏和触摸开关面板，所述触摸开关面板与主控板箱连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明空间生物培养舱绕两根相互垂直的旋转轴运动，模拟仅存在于太空的微重力效应，实现了真正意义上的生物三维旋转培养。横向转轴与纵向转轴有各自独立的动力系统，且旋转参数可以在线设置和自动控制，本发明可以应用于上天机型的模拟试验和载荷试运行，为提高上天机型的成功率打下基础；同时也为研究模拟微重力环境对生物的影响提供设备。
（2）现有旋转实验装置无法随时更换或补充培养液，很难完成生物整个生育期或较长时期的栽培，本发明通过在横向转轴、纵向转轴及旋转支架内嵌有中空输液管道，所述横向转轴、纵向转轴及旋转支架内嵌的输液管道相互连通，所述纵向转轴内的输液管道与三维旋转载物台内腔相连通，培养舱外部下方设立培养液贮罐，培养液贮罐将营养液通过供给回路实现对培养生物的持续供给，保证了生物在整个生育期都能持续获取养分，从而能够长时间观察生育期较长植物在微重力环境下的生产过程。
综上，该装置还建立植物三维旋转受控培养舱，对舱内环境因子和生物生长因子进行调控，在地面实现生物模拟微重力状态下的全生育期或较长时间的培养，这样，生物栽培空间从原来的试管、三角瓶、组培瓶、培养皿等小容器发展到尺寸足够大的受控密闭舱；植物生长周期从原来局限于组培苗或幼苗期发展到“从种子到种子”的全生育期；动物培养期间从很短时间发展到较长时间；生物培养条件从原来的试验前给定的培养基发展到可以按需添加或更换的培养液，而且植物全生育期生长所需的环境因子和生长因子均可以在线任意设定和智能控制。特别是对于植物的光合特性测定，做到活体、实时、在线，并从群体、个体、细胞和分子水平研究植物光合效率，试验数据也可以作为天地试验对比的基础，为自循环CELSS系统中动植物的物质循环和能量供应效率提供理论依据。
附图说明
图1为本发明三维旋转地面实验装置的结构示意图。
图2为本发明营养液循环路线示意图。
     图中：1-受控密闭舱，3-支撑架，4-旋转支架，5-三维旋转载物台，9-百叶窗，10-滚轮，11-压缩机，12-压缩机冷凝器，13-气泵，14-油水分离器，15-水泵，16-CO2钢瓶，17-贮液罐，18-触摸屏，19-触摸开关面板，31-旋转进水接口，32-旋转出水接口，41-公转调速电机，42-集电环，43-横向转轴，51-自转调速电机，52-集电环，53-纵向转轴，54-光源驱动板，55-无级调光板，56-WIFI中继器，57-WIFI上网卡，58 -载物台主控板，61-出液管，62-回液管，63-水过滤器，611-水消毒器，612-精滤阀，613-蠕动泵，80-控制箱，81-主控板，82-继电器板，83-WIFI路由器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，本发明的具体实施方案是：一种三维旋转地面实验装置，包括内设有受控密闭舱1、供水装置、环境控制装置和控制箱80，所述受控密闭舱内置有一对竖直支撑架3，所述支撑架3之间设有旋转支架4，所述旋转支架4两侧中部通过横向转轴43与支撑架3相连接，所述旋转支架4内通过纵向转轴53连接有三维旋转载物台5，所述旋转支架4旋转中心线与三维旋转载物台5旋转中心线相互垂直，所述支撑架3上还设有使旋转支架4转动的第一驱动装置，所述旋转支架4内设有使三维旋转载物台5转动的第二驱动装置，所述三维旋转载物台5内固定有光照装置和生物培养盘，所述培养舱外部设有供水装置与温湿度装置。
第一驱动装置为公转调速电机41，所述第二驱动装置为自转调速电机51，所述横向转轴与纵向转轴上设有集电环42（52）。电机电源由集电环42（52）两级传递到达，由中继器分配。
所述横向转轴43、纵向转轴53及旋转支架4内嵌有中空输液管道，所述横向转轴43、纵向转轴53及旋转支架4内嵌的输液管道相互连通，所述旋转支架左右两侧的支撑架上分别设有与横向转轴内中空输液管道相连通的旋转进水接口31和旋转出水接口32，所述纵向转轴53内的输液管道穿过三维旋转载物台5的腔体与三维旋转载物台内腔的生物培养盘相连通。所述供水装置位于培养舱外部下方，所述供水装置包括一培养液贮罐6，所述培养液贮罐6联通有出液管61与回液管62，所述回液管62与支撑架3上的旋转出水接口32相连通，所述出液管61与支撑架3上的旋转进水接口31相连通，所述出液管设有水消毒器611、及精滤阀612，所述出液管还设有驱动水流动的蠕动泵613，所述培养液贮罐6还设有用于过滤回液管营养液的水过滤器63。
供水装置作为本实验装置的重点组成部分，如图2所示为本发明优选的供水循环路线，该循环路线中左端横向转轴43与上端纵向转轴53通过旋转支架4内嵌的中空输液管道连通，右端横向43转轴与下端纵向转轴53经旋转支架4内嵌的输液管道相互连通，旋转框内的输液管道分为两个部分，不相互连通，以避免使用后的营养液与经过精滤阀612过滤后的营养液相混合。该供水设备的营养液循环流程如下：培养液贮罐6内的营养液在蠕动泵613的驱动下依次经过精滤阀612、水消毒器611、出液管61、进水口31、旋转支架4内嵌中空输液管道、纵向转轴53内的输液管道、三维旋转载物台5内腔供给植物；回流时，与进液方向相对应的纵向转轴53内输液管道、旋转支架4内嵌中空输液管道、出水口32、回液管62、水过滤器63完成营养液供给循环。
光照装置：所述三维旋转载物台5内位于旋转支架旋转中心线一侧的内壁上设置有LED灯板，所述三维旋转载物台5外壁上设有控制LED灯板启闭机调光的光源驱动板54和无级调光板55。
温湿度控制装置：所述温湿度控制装置由设置于培养舱外部下方的压缩机11、压缩机冷凝器12、电加热器、加湿器、循环风扇、油水分离器14、水泵15及贮液罐17组成。
气体调控装置：所述密封箱内还设有控制密封箱1内气体组分的气体调控装置，所述气体调控装置包括CO2钢瓶16、控制气阀、内循环风扇及气泵13。
所述三维旋转载物台内设有高精度摄像头、WIFI中继器56、WIFI上网卡57，所述第二框架5内还设有光照度传感器；培养舱2内壁设有WIFI路由器83，所述密封箱1内设有CO2传感器与气压传感器，所述培养液贮罐6内设有温度传感器64。所述密封箱内设有控制箱80，所述控制箱内设有电源、主控板81和继电器板82，所述的WIFI路由器83、温湿度装置，光照装置、供水装置及传感器与控制箱内的主控板81电连接。
固定在三维旋转载物台上的空间飞行试验装置采用LED灯作为植物光合作用主动辐射光源，通过载物台主控板58、驱动控制板54、无级LED调光板55和LED灯板组成，调光范围0-100%无级平滑调整。三维旋转载物台上还安装双路高精度摄像头，通过WIFI上网卡57、WIFI路由器83无线传输发送至PC上，使用专用软件显示并存储记录以实现远程控制。
所述密封箱1箱体设有触摸屏18和触摸开关面板19，所述触摸开关面板19与主控板箱连接。所述培养舱2及舱门为双层不锈钢板内夹保温隔热材料，密封箱1箱体下部表面还设有可实现通风的百叶窗9，为了便于移动密封箱底部设有滚轮10。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种三维旋转地面实验装置，其特征在于，包括内设有受控密闭舱、供水装置、环境控制设备和控制箱，所述受控密闭舱内置有一对竖直支撑架，所述支撑架之间设有旋转支架，所述旋转支架两侧中部通过横向转轴与支撑架相连接，所述旋转支架内通过纵向转轴连接有三维旋转载物台，所述旋转支架旋转中心线与三维旋转载物台旋转中心线相互垂直，所述支撑架上还设有使旋转支架转动的第一驱动装置，所述旋转支架内设有使三维旋转载物台转动的第二驱动装置，所述三维旋转载物台内固定有光照装置和生物培养盘，所述培养舱外部设有供水装置与温湿度装置。
2.根据权利要求1所述的一种三维旋转地面实验装置，其特征在于，所述横向转轴、纵向转轴及旋转支架内嵌有中空输液管道，所述横向转轴、纵向转轴及旋转支架内嵌的输液管道相互连通，所述旋转支架左右两侧的支撑架上分别设有与横向转轴内中空输液管道相连通的旋转进水接口和旋转出水接口，所述纵向转轴内的输液管道穿过三维旋转载物台腔体与三维旋转载物台内腔的生物培养盘相连通。
3.根据权利要求2所述的一种三维旋转地面实验装置，其特征在于，所述供水装置位于培养舱外部下方，所述供水装置包括一培养液贮罐，所述培养液贮罐联通有出液管与回液管，所述回液管与支撑架上的出水口相连通，所述出液管与支撑架上的进水口相连通，所述出液管设有水消毒器、及精滤阀，所述出液管还设有驱动水流动的蠕动泵，所述培养液贮罐还设有用于过滤回液管营养液的水过滤器。
4.根据权利要求1所述的一种三维旋转地面实验装置，其特征在于，所述第一驱动装置为公转调速电机，所述第二驱动装置为自转调速电机，所述横向转轴与纵向转轴上设有集电环。
5.根据权利要求1所述的一种三维旋转地面实验装置，其特征在于，所述三维旋转载物台内位于旋转支架旋转中心线一侧的内壁上设置有LED灯板，所述三维旋转载物台设有控制LED灯板启闭机调光的光源驱动板和无级调光板。
6.根据权利要求1所述的一种三维旋转地面实验装置，其特征在于，所述温湿度控制装置由设置于培养舱外部下方的压缩机、压缩机冷凝器、电加热器、加湿器、循环风扇、油水分离器、贮液罐及水泵组成。
7.根据权利要求1所述的一种三维旋转地面实验装置，其特征在于，所述密封箱内还设有控制密封箱内气体组分的气体调控装置，所述气体调控装置包括CO2钢瓶、控制气阀、内循环风扇及气泵。
8.根据权利要求1所述的一种三维旋转地面实验装置，其特征在于，所述三维旋转载物台内设有高精度摄像头与WIFI上网卡，所述培养箱内壁设有WIFI路由器，所述密封箱内设有CO2传感器与气压传感器，所述培养液贮罐内设有温度传感器。
9.根据权利要求8所述的一种三维旋转地面实验装置，其特征在于，所述密封箱内设有控制箱，所述控制箱内设有电源、主控板和继电器板，所述WIFI路由器、温湿度装置，光照装置、供水装置及传感器与控制箱内的主控板电连接。
10.根据权利要求9所述的一种三维旋转地面实验装置，其特征在于，所述密封箱箱体设有触摸屏和触摸开关面板，所述触摸开关面板与主控板箱连接。
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