CN111239036A - 一种干湿阈值可控的路基土温湿监控实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种干湿阈值可控的路基土温湿监控实验装置，包括实验罐体装置和温湿度监控装置；所述实验罐体装置包括底部设有透水孔板的罐体，所述透水孔板上、下方分别设有透水纱布层、透水石层；所述罐体外部连接有水泵，所述水泵的出水口与透水石层连通。针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种可以对路基土进行自动化监控的干湿循环过程，并对其干湿阈值进行具体的量化操作的监控装置。可对干湿循环过程中土体内部，竖直方向上的温度场、湿度场变化进行动态监控、测量。

Description

一种干湿阈值可控的路基土温湿监控实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及一种干湿阈值可控的路基土温湿监控实验装置及实验方法，属于路基路面工程技术领域。

背景技术

路基是道路的主要工程结构物，大部分的道路病害都与水有关，其中路基土的含水量对其强度及稳定性影响极大，是影响路基工程性质的主要因素。其中，路基土内部水分的干湿循环作用是影响路基稳定性的主要外界因素之一。

传统实验装置中，以人工操作的方法进行路基土的补水、蒸发过程。其干湿的阈值无法精准量化、操作的准确时间无法控制，不利于路基土干湿循环过程的准确模拟以及后续实验规律的总结。

对于使用单片机连接温湿度传感器的实验方法，当传感器空间距离相隔较近时，传感器之间往往会出现相互干扰的情况，影响读数的精度以及数据的可靠性。传统采用延迟电路以断开传感器接口正负极的方法，读数稳定性较差，且当单个传感器发生读数故障时，无法快速、直观地查找到对应的故障传感器。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种可以对路基土进行自动化监控的干湿循环过程，并对其干湿阈值进行具体的量化操作的监控装置。可对干湿循环过程中土体内部，竖直方向上的温度场、湿度场变化进行动态监控、测量。

技术方案：一种干湿阈值可控的路基土温湿监控实验装置，其特征在于，包括实验罐体装置和温湿度监控装置；所述实验罐体装置包括底部设有透水孔板的罐体，所述透水孔板上、下方分别设有透水纱布层、透水石层；所述罐体外部连接有水泵，所述水泵的出水口与透水石层连通；所述温湿度监控装置包括移动终端、监控开发板、测量开发板、监控湿度传感器、测量湿度传感器、测量温度传感器以及防爆灯；所述监控湿度传感器、测量湿度传感器以及测量温度传感器分别安装于所述罐体内，所述监控湿度传感器、防爆灯以及水泵分别与监控开发板信号连接，所述测量温度传感器、测量湿度传感器与测量开发板通信连接；所述监控开发板、测量开发板与所述移动终端通讯连接。

进一步的，所述湿度测量传感器、温度测量传感器均为2个，所述湿度测量传感器、温度测量传感器通过传感器信号接口控制电路与所述测量开发板通信连接。

进一步的，所述传感器信号接口控制电路包括电阻R1、电阻R2、保护电阻、续流二极管、PNP型三极管、线圈、环形铁芯以及LED发光二极管；所述电阻R1一端与测量开发板的DATA接口端连接，另一端与PNP型三极管相连；所述续流二极管与线圈以极性相反的方向并联在线圈的两端；所述LED发光二极管一端与线圈负极端相连，另一端与电源相连。

进一步的，所述环形铁芯的正下方设置有聚乙烯塑料板，所述聚乙烯塑料板上以同心圆方式均匀焊接一组外环端点和内端焊点，所述外环端点和内环端点一一对应，所述外环端点依次与所述测量开发板中用于与传感器交互的DATA、Analog接口相连；所述内环端点与所述测量湿度传感器、测量温度传感器的数值交互接点相连，在聚乙烯塑料板的内、外环端点同心圆心处，设有一个用于接通内外端点的滑动铁片，所述滑动铁片在线圈范围内在电磁感应的带动下进行顺时针滑动，当铁片在电磁感应下做单向滑动时，同时匹配一个传感器的信号输出端口和一个开发板的信号输出接口，并将其连通。

进一步的，所述外环端点和内环端点分别为12个，所述12个外环端点和12个内环端点以同心圆方式分布。

进一步的，所述罐体的外部设有聚氨酯保温层。

进一步的，所述监控开发板通过5V继电器模块与所述防爆灯通信连接。

进一步的，所述监控开发板、测量开发板均包含WiFi Bee-ESP8266 无线模块。

进一步的，所述测量开发板、监控开发板均为采用Intel公司Galileo开发板。

本发明还公开了一种干湿阈值可控的路基土温湿监控实验方法，适用于上述实验装置，其特征在于，包括以下几个步骤：

第一步，设置待实验土壤的干、湿阈值分别为a%、b%的含水率；

第二步，将经过阴干、去杂质、碾碎的土壤样本放入罐体内，启动监控开发板和监控湿度传感器，并开启蒸发装置硬质石英防爆灯进行蒸发烘干操作；

第三步，启动第一次干湿循环

当监控湿度传感器监测到土壤含水率低至设定干阈值a%时，监控开发板发出指令，打开补水装置微型水泵，同时关闭蒸发装置硬质石英防爆灯；

当监控湿度传感器监测到土壤含水率达到设定式阈值b%时，监控开发板发出指令，打开蒸发硬质石英防爆灯，同时关闭补水装置微型水泵，完成第一次干湿循环；

第四步，启动测量开发板，由测量开发板驱动测量湿度传感器、测量温度传感器开始运行测量。

有益效果：与现有技术相比，本发明实现了路基土干湿循环中干湿阈值的具体量化，以具体的含水率数值来反映路基土的干湿状态。开发板结合无线传输模块，实现了移动终端对试验装置的远程操作，可以结合移动终端的命令实现对路基土的动态、连续测量。装置包含的传感器信号接口控制电路，通过外部的硬件连接，将传感器运转的状态进一步可视化。同时，该电路实现了传感器的单独、依次运行，避免传感器数量过多、距离过近而产生的相互干扰的情况，并将传感器运行情况更加直观的展现给用户。增加了传感器读数的稳定性，当某一个传感器读数出现故障或者较大误差时，用户可以进行快速地传感器故障定位。

附图说明

图1为本发明实施例1中装置整体示意图。

图2为本发明装置罐体俯视半剖视图。

图3为本发明装置传感器接口控制电路示意图。

图4为本发明实施例中滑动铁片限位装置的结构示意图。

图5为本发明实施例中单向棘轮结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

如图1-3所示，本发明所述的一种干湿阈值可控的路基土温湿监控实验装置，至少包括监控开发板1、测量开发板2、监控湿度传感器3、2个测量湿度传感器4、2个测量温度传感器5、5V继电器模块13、传感器信号接口控制电路14、透水纱布6、透水孔板7、透水石8、聚氨酯保温外壳9、硬质石英防爆灯10、移动终端11以及微型水泵12。

所述实验罐体装置还包括罐体，所述透水纱布层、透水孔板、透水石层从上至下依次置于罐体内；所述罐体外部连接所述微型水泵，微型水泵的出水口与透水石层连通；水源经微型水泵抽入罐体内，其水流流速较快，直接进入土体内部会导致罐体内土壤的大量流失。透水石8由颗粒状石子、二氧化硅组成，对刚进入罐体内部的水流有着较好的缓冲作用，同时因其具有较好的透水性能，能够让水分及时通过，进入罐体。透水纱布6可以将罐体内湿润的土壤限制在罐体范围内，避免土壤的流失以及污染试验环境。聚氨酯9为圆柱体聚氨酯保温外壳，包裹在罐体四周，其目的是隔离环境温度对土体干湿循环过程的外界影响。所述各开发板与温湿度传感器、微型水泵、5V继电器模块、硬质石英防爆灯之间均采用防水跳线连接。本装置采用的湿度测量、监控电路的工作电压为5V、成本低、自动化程度高。湿度传感器可以根据需要，连接长度足够的防水跳线，预埋方便。通过控制程序实现的路基土干湿阈值定量可控，可根据试验结果或当地实际工程情况，精确模拟并监控路基土在干湿循环作用下水分迁移的情况。

监控开发板1、测量开发板2均为Intel公司生产的Galileo开发板；均连接了WiFiBee-ESP8266无线传输模块，在同一局域网内，移动终端11可对其进行远程操作；因为监控开发板2的工作电压为5v，与工作电压为220v交流电的硬质石英防爆灯10连接时，需要通过5V继电器模块13来控制用电器工作。监控湿度传感器、测量湿度传感器以及测量温度传感器分别安装于所述罐体内，所述监控湿度传感器、防爆灯以及微型水泵分别与监控开发板信号连接。为了避免传感器数量过多、距离过近而产生的相互干扰的情况，并将传感器运行情况更加直观的展现给用户，测量温度传感器、测量湿度传感器分别通过传感器接口控制电路与测量开发板通信连接。增加了传感器读数的稳定性，当某一个传感器读数出现故障或者较大误差时，用户可以进行快速地传感器故障定位；如图3所示：所述传感器信号接口控制电路包括电阻R1、电阻R2、保护电阻、续流二极管、PNP型三极管、线圈、环形铁芯以及LED发光二极管；所述电阻R1一端与测量开发板的DATA接口端连接，另一端与PNP型三极管相连；所述续流二极管与线圈以极性相反的方向并联在线圈的两端；所述LED发光二极管一端与线圈负极端相连，另一端与电源相连。

如图3所示的传感器接口控制电路中，在其线圈范围内，包含了24个可焊接端点，包括12个外环端点以及12个内环端点。内环与外环的各12个焊点以两个同心圆的形式分布。在环形磁铁正下方，放置一厚度为3mm聚乙烯塑料板，24个焊接点在聚乙烯板上的指定位置，进行焊接。其中12个外环端点依次与测量开发板2中用于与传感器交互的DATA、Analog接口相连，12个内环端点与测量湿度传感器4、测量温度传感器5的数值交互接点相连，开发板的GND接口通过面包板进行数量拓展后，依次与传感器的接地接口相连。

在聚乙烯塑料板的内、外环端点同心圆心处，设有一个用于接通内外端点的滑动铁片，所述滑动铁片只能在线圈范围内在电磁感应的带动下进行顺时针滑动。即该单向滑动铁片一次匹配一个传感器的信号输出端口和一个开发板的信号输出接口，并将其连通。只有滑动铁片将对应的传感器、开发板端点连通后，相应的传感器才会开始运行。

如图4-5所示，本实施例还包括滑动铁片限位装置，所述限位装置为单向棘轮15，所述单向棘轮包括带有内棘牙16的外圈固定齿轮17和内圈转动轮18，内圈转动轮18上设有弹簧钢片19，所述弹性钢片前端置于所述内棘牙内，滑动铁片通过焊接于内圈转动轮上的连杆15固定安装于所述单向棘轮的内圈转动轮18上方。滑动铁片于连杆顶部固定焊接。因此，滑动铁片的旋转方向与下部齿轮中的内圈滑动齿轮的滑动方向相一致且只能顺时针转动。

当开发板DATA端被输出为低电平的时候，PNP三极管导通，电流通过线圈时环形磁铁将产生磁场，推动上部滑动铁片运动。当滑动铁片转动方向为顺时针时，此时弹簧钢片19可顺着内棘牙16的方向滑动。万一磁场力对滑动铁片的转动方向不受控制导致当滑动铁片有逆时针旋转的趋势时，下部棘轮就会把它抱死，会对内部滑动齿轮起到制动作用，从而阻止了上部滑动铁片的逆时针旋转。

本发明实施例还公开了上述装置的实现干湿阈值可控的实验方法，主要包括以下几个步骤：

第一步，设置待实验土壤的干、湿阈值分别为a%、b%的含水率；

第二步，将经过阴干、去杂质、碾碎的土壤样本放入罐体内，启动监控开发板和监控湿度传感器，并开启蒸发装置硬质石英防爆灯进行蒸发烘干操作；

第三步，启动第一次干湿循环

当监控湿度传感器监测到土壤含水率低至设定干阈值a%时，监控开发板发出指令，打开补水装置微型水泵，同时关闭蒸发装置硬质石英防爆灯；

当监控湿度传感器监测到土壤含水率达到设定式阈值b%时，监控开发板发出指令，打开蒸发硬质石英防爆灯，同时关闭补水装置微型水泵，完成第一次干湿循环；

第四步，启动测量开发板，由测量开发板驱动测量湿度传感器、测量温度传感器开始运行测量。当开发板DATA端被输出为低电平的时候，PNP三极管导通，电流通过线圈。环形铁芯因为电流的通过将在环形范围内产生磁场，从而推动单向滑动铁片顺时针滑动，通过控制线圈的通电时长，使得滑动铁片依次经过12个传感器的信号传输端口以及对应的开发板的信号输出接口。用户使用时可以在线圈上对12个传感器方位角进行标注，通过滑动铁片的位置，对传感器运行情况进行观察。

当开发板DATA端被输出为低电平的时候，PNP三极管导通，电流通过线圈时，电路中监测控制电路运行状态的LED发光三极管将会亮起，用户可以此判断线圈范围内的通电情况。在线圈以及环形磁铁接入电路后，需要在旁边要并联一个续流二极管，二极管接入时的极性和线圈标注的相反，目的是让线圈内部驱动的电流，在断开瞬间产生的很高的自感电压激发的电流流过二极管，而不经过其他电路以损坏（击穿）电路中的其他元件。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种干湿阈值可控的路基土温湿监控实验装置，其特征在于，包括实验罐体装置和温湿度监控装置；所述实验罐体装置包括底部设有透水孔板的罐体，所述透水孔板上、下方分别设有透水纱布层、透水石层；所述罐体外部连接有水泵，所述水泵的出水口与透水石层连通；

所述温湿度监控装置包括移动终端、监控开发板、测量开发板、监控湿度传感器、测量湿度传感器、测量温度传感器以及防爆灯；所述监控湿度传感器、测量湿度传感器以及测量温度传感器分别安装于所述罐体内，所述监控湿度传感器、防爆灯以及水泵分别与监控开发板信号连接，所述测量温度传感器、测量湿度传感器与测量开发板通信连接；

所述监控开发板、测量开发板与所述移动终端通讯连接。

2.根据权利要求1所述的干湿阈值可控的路基土温湿监控实验装置，其特征在于，所述湿度测量传感器、温度测量传感器均为2个，所述湿度测量传感器、温度测量传感器通过传感器信号接口控制电路与所述测量开发板通信连接。

3.根据权利要求2所述的干湿阈值可控的路基土温湿监控实验装置，其特征在于，所述传感器信号接口控制电路包括电阻R1、电阻R2、保护电阻、续流二极管、PNP型三极管、线圈、环形铁芯以及LED发光二极管；所述电阻R1一端与测量开发板的DATA接口端连接，另一端与PNP型三极管相连；所述续流二极管与线圈以极性相反的方向并联在线圈的两端；所述LED发光二极管一端与线圈负极端相连，另一端与电源相连。

4.根据权利要求3所述的干湿阈值可控的路基土温湿监控实验装置，其特征在于，所述环形铁芯的正下方设置有聚乙烯塑料板，所述聚乙烯塑料板上以同心圆方式均匀焊接一组外环端点和内端焊点，所述外环端点和内环端点一一对应，所述外环端点依次与所述测量开发板中用于与传感器交互的DATA、Analog接口相连；所述内环端点与所述测量湿度传感器、测量温度传感器的数值交互接点相连，在聚乙烯塑料板的内、外环端点同心圆心处，设有一个用于接通内外端点的滑动铁片，所述滑动铁片在线圈范围内在电磁感应的带动下进行顺时针滑动，，当滑动铁片在电磁感应下做单向滑动时，同时匹配一个传感器的信号输出端口和一个开发板的信号输出接口，并将其连通。

5.根据权利要求4所述的干湿阈值可控的路基土温湿监控实验装置，其特征在于，所述外环端点和内环端点分别为12个，所述12个外环端点和12个内环端点以同心圆方式分布。

6.根据权利要求5所述的干湿阈值可控的路基土温湿监控实验装置，其特征在于，所述罐体的外部设有聚氨酯保温层。

7.根据权利要求6所述的干湿阈值可控的路基土温湿监控实验装置，其特征在于，所述监控开发板通过5V继电器模块与所述防爆灯通信连接。

8.根据权利要求7所述的干湿阈值可控的路基土温湿监控实验装置，其特征在于，所述监控开发板、测量开发板均包含WiFi Bee-ESP8266 无线模块。

9.根据权利要求8所述的干湿阈值可控的路基土温湿监控实验装置，其特征在于，所述测量开发板、监控开发板均为采用Intel公司Galileo开发板。

10.一种干湿阈值可控的路基土温湿监控实验方法，适用于上述实验装置，其特征在于，包括以下几个步骤：

第一步，设置待实验土壤的干、湿阈值分别为a%、b%的含水率；

第二步，将经过阴干、去杂质、碾碎之后的土壤样本放入罐体内，启动监控开发板和监控湿度传感器，并开启蒸发装置硬质石英防爆灯进行蒸发烘干操作；

第三步，启动第一次干湿循环

当监控湿度传感器监测到土壤含水率低至设定干阈值a%时，监控开发板发出指令，打开补水装置微型水泵，同时关闭蒸发装置硬质石英防爆灯；

当监控湿度传感器监测到土壤含水率达到设定式阈值b%时，监控开发板发出指令，打开蒸发硬质石英防爆灯，同时关闭补水装置微型水泵，完成第一次干湿循环；

第四步，启动测量开发板，由测量开发板驱动测量湿度传感器、测量温度传感器开始运行测量。

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