CN203025501U - 一种野外辐射自动控制实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种野外辐射自动控制实验装置，包括：一个铝箔遮阳幕系统，与铝箔遮阳幕系统相连的遮阳幕系统控制装置，以及控制铝箔遮阳幕系统马达和遮阳幕系统控制装置马达的总控装置，还包括辐射测量装置，太阳能供电系统。本实用新型在完全模拟自然环境的条件下实现了对太阳辐射的自动控制，不影响装置内作物生长的其他自然环境条件，具有可拆卸、便携带、易组装和野外应用的特点。

Description

一种野外辐射自动控制实验装置

技术领域

本实用新型涉及农学或土壤生态学实验研究技术领域，特别涉及一种野外辐射自动控制实验装置。 

背景技术

不同光照条件下植物（农作物、植被）的生理生态响应，或者不同光照下土壤微生态系统（土壤微生物、土壤动物）的变化，或者不同光照条件下土壤中肥料的有效性或土壤中污染物的迁移转化等方面亟需开展相关的研究工作，这也是目前相关的学科领域（农学、环境科学等）研究的热点。 

在农学或土壤生态学实验研究工作中，关于太阳辐射控制的方法主要有两种。室内主要采用人工气候箱控制辐射强度，室外主要采用安装导轨的遮阳幕控制大棚内的光照强度。但是上述方法均有其局限性。室内人工气候箱虽然能够实现对辐射的精确控制，但由于所研究的作物或土壤位于室内，和室外的作物或土壤所处的自然环境条件（温度、湿度、风速和土壤水分等）有很大差别，因此室内和室外对于作物生理生态响应或者土壤微生态系统响应的研究结果会有很大差别。室外采用安装导轨的遮阳幕大棚虽然能够模拟自然环境条件，但是其难于控制一定百分比的辐射强度；而大棚造价高、不方便野外安装使用。 

因此，发明一种能够实现对野外辐射自动控制的实验装置对于推进目前相关领域的研究工作有十分重要的意义。而且该装置可以应用于相关领域对于作物生理学和土壤理化性质的研究。对于农学领域，可利用该装置研究当装置内辐射为自然辐射的不同百分比时，装置内作物的生理生态指标的响应及其同装置外接受正常光照的作物之间的差异，以至可以用其研究当自然光照减至正常水平的一定百分比时，装置内外作物的产量差异。同样对于植被生态学研究领域，可利用该装置研究太阳辐射降低为正常辐射的一定百分比时，作物、植被的生理生态的变化。对于土壤领域的研究，该装置可用于研究太阳辐射降低为 正常水平的一定百分比时，土壤中微生物群落和结构的变化，土壤中动物群落和结构的变化，土壤中肥料有效性的变化，土壤中污染物迁移转化过程的变化等，并利于就近和装置外的土壤展开对比研究。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种野外辐射自动控制实验装置，能够模拟完全的自然条件下的太阳辐射，并且不改变装置内土壤或作物生长的其他自然环境条件。 

为解决上述技术问题，本实用新型提供技术方案如下： 

一种野外辐射自动控制实验装置，包括： 

一个铝箔遮阳幕系统：具有铝箔遮阳幕和控制铝箔遮阳幕的开闭程度的第一马达， 

与铝箔遮阳幕系统相连的遮阳幕系统控制装置：具有支撑铝箔遮阳幕的支撑立杆和使铝箔遮阳幕转动的第二马达， 

用于控制铝箔遮阳幕系统的第一马达和遮阳幕系统控制装置的第二马达的总控装置。 

上述的野外辐射自动控制实验装置，其中： 

所述铝箔遮阳幕的卷帘采用铝塑合成材料。 

上述的野外辐射自动控制实验装置，其中，所述遮阳幕系统控制装置的支撑立杆采用套合的可伸缩的铝合金立杆。 

上述的野外辐射自动控制实验装置，其中，所述总控装置中包括： 

用于向铝箔遮阳幕系统的第一马达和遮阳幕系统控制装置的第二马达传递信号的单片机控制器。 

上述的野外辐射自动控制实验装置，其中，还包括： 

与总控装置连接，用于测量实验田块处的太阳辐射强度的辐射测量装置。 

上述的野外辐射自动控制实验装置，其中，还包括： 

与总控装置和遮阳幕系统控制装置相连，用于保证所述装置正常运行进行供电的太阳能供电系统。 

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型能够模拟完全的 自然条件下的太阳辐射，并且不改变装置内土壤或作物生长的其他自然环境条件。对于农学领域或生态学领域，可利用该装置研究当装置内辐射为自然辐射的一定百分比时，装置内作物或植被的生理生态指标响应及其同装置外接受正常辐射的作物或植被之间的差异，从而可用于作物生理特性研究。对于土壤领域的研究，该装置可用于研究当自然辐射降低为正常水平的一定百分比时，土壤中微生物群落和结构的变化，土壤中动物群落和结构的变化，土壤中肥料有效性的变化，土壤中污染物迁移转化过程的变化等，并利于就近和装置外的土壤展开对比研究。 

附图说明

图1为遮阳幕系统控制装置结构示意图： 

图中；1—实验田块；2—支撑立杆；3—第二马达；4—遮阳幕系统中心轴；5—二通铝合金连接件；6—三通铝合金连接件；7—环箍。 

图2为辐射测量装置示意图： 

图中；8—TBQ-2总辐射表；9—可伸缩三角支架；10—数据电缆。 

图3为总控装置示意图： 

图中；11—单片机控制器；12—辐射记录器；13—太阳能控制器；14—遮阳幕系统控制装置马达开关；15—铝箔遮阳幕系统马达开关；16—总电源开关。 

图4A为铝箔遮阳幕系统结构的剖面图：图中；17—第一马达；19—弹簧机构。 

图4B为铝箔遮阳幕系统结构的俯视图：图中；18—导轨；20—带塑料保护套的钢丝绳；21—卷帘。 

图5为太阳能供电系统结构示意图： 

图中；22—太阳能电池板；23—太阳能电池板支架；24—蓄电池(组)；25—电缆线。 

图6为野外遮阳幕系统控制装置系统流程图。 

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具 体实施例对本实用新型进行详细描述。 

本实用新型提供一种野外辐射自动控制实验装置，该装置适合野外无人值守的工作站使用，可用于室外作物干旱生理响应机制、不同辐射水平下土壤耕层微生物生态、不同辐射强度下土壤中肥料有效性、不同辐射水平下土壤中污染物迁移转化过程的研究。 

请参考图1、图2、图3、图4A、图4B、图5和图6，本实用新型一种野外辐射自动控制实验装置。包括： 

一个铝箔遮阳幕系统：具有铝箔遮阳幕和控制铝箔遮阳幕的开闭程度的第一马达17（图4A）， 

与铝箔遮阳幕系统相连的遮阳幕系统控制装置（图1）：具有支撑铝箔遮阳幕的支撑立杆2和使铝箔遮阳幕转动的第二马达3， 

用于控制铝箔遮阳幕系统的第一马达17（图4A）和遮阳幕系统控制装置（图1）的第二马达3的总控装置（图3）。 

支撑立杆2用于支撑铝箔遮阳幕，总控装置（图3）控制铝箔遮阳幕系统的第一马达17（图4A），进而控制铝箔遮阳幕的开闭程度，使其阴影面积可以笼罩整个实验田块1；通过总控装置（图3）控制遮阳幕系统控制装置（图1）的第二马达3，可以使铝箔遮阳幕转动，用以保证铝箔遮阳幕与太阳光线垂直，这样能够模拟完全的自然条件下的太阳辐射，并且不改变装置内土壤或作物生长的其他自然环境条件，从而为实验研究提供外在条件。 

下面就对上述实施例中的各个模块构成做详细介绍。 

在实际研究工作中，各模块构成可能有许多方案，本实用新型采取的为优选方案。 

请参考，在铝箔遮阳幕系统中，铝箔遮阳幕由许多结构部件组成，其中导轨18（图4B）为卷帘21（图4B）移动的轨道；弹簧机构19（图4A）为连接部件，确保卷帘21（图4B）拉伸的幅度；带塑料保护套的钢丝绳20（图4B）用来牵引卷帘21（图4B）；卷帘21（图4B）的作用是在工作过程中打开一定程度，保证阴影面积可以笼罩整个实验田块1。卷帘材料由具有一定韧性和遮阳率的贴塑铝箔构成。根据实验要求，可以通过改变铝箔材料的不同组合来达到不同的辐射强度控制百分比（如0％、20%、40%、60％、80%、100%等） 照射到装置内的实验田块1，如一层材料遮光率为20%，如果要控制40%的辐射强度，就需要采用两层遮光率为20%的材料，以此类推。第一马达17（图4A）的主要作用是控制铝合金遮阳幕开闭程度。 

与铝箔遮阳幕系统相连的遮阳幕系统控制装置（图1），其主要功能是对铝箔遮阳幕系统起支撑控制作用，并使太阳入射光线垂直铝箔遮阳幕表面。在选定好实验田块1以后，安装遮阳幕系统控制装置（图1）的部件，其中，包括支撑铝箔遮阳幕的支撑立杆2，支撑立杆2均采用套合的可伸缩的铝合金立杆，具有可调节高度的功能。遮阳幕系统中心轴4起支撑铝箔遮阳幕的作用；二通铝合金连接件5为遮阳幕系统控制装置（图1）连接部件；三通铝合金连接件6也为遮阳幕系统控制装置（图1）连接部件；这样的连接件，便于拆卸，方便携带，特别适合野外安装使用。环箍7的作用是当支撑立杆伸开后，利用环箍7套合在支撑立杆2上，并用螺丝拧紧固定。第二马达3的功能为使铝箔遮阳幕转动，而且该装置主体支撑框架为可伸缩铝合金框架结构，无其他任何遮蔽物，可以使装置内植物或作物、土壤与外部自然环境条件保持一致。 

总控装置（图3）为整个野外辐射自动控制实验装置的核心控制中枢，其中单片机控制器11的主要功能为向铝箔遮阳幕系统的第一马达17（图4A）和遮阳幕系统控制装置（图1）的第二马达3传递信号，它为总控装置（图3）结构部件，并且为预先编好程序的处理器，可以通过观测地点的经纬度、观测时间等参量求解太阳高度角和方位角，实现对太阳的实时跟踪，并保持入射太阳光线能垂直照射到铝箔遮阳幕表面。根据预先设定的观测时间，控制铝箔遮阳幕的开闭程度，以保证铝箔遮阳幕的阴影面积可以笼罩整个实验田块。总控装置（图3）还包括如下几个结构部件；辐射记录器12用于记录和显示实验田块1的辐射强度；太阳能控制器13作用是控制整个实验装置的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用；遮阳幕系统控制装置马达开关14为遮阳幕系统控制装置（图1）的第二马达3启动的开关；铝箔遮阳幕系统马达开关15为铝箔遮阳幕系统的第一马达17（图4A）启动的开关；总电源开关16用于启动总控装置（图3）。 

此外，为了实时测量实验田块1的太阳辐射强度，选用辐射测量装置（图2），其中TBQ-2总辐射表8为实时测量实验田块1的太阳辐射强度的装置， 该总辐射表8用来测量光谱范围为0.3—3μm的太阳总辐射，也可用来测量入射到斜面上的太阳辐射，如感应面向下可测量反射辐射，如加遮光环可测量散射辐射。因此，它可广泛应用于太阳能利用、气象、农业、建筑材料老化及大气污染等部门做太阳辐射能量的测量。辐射测量装置（图2）还包括；与TBQ-2总辐射表8相连可伸缩三角支架9；与总控装置上（图3）的辐射记录器12相连并且传递太阳辐射强度数据的数据电缆10。该总辐射表8的使用方式为安装位置要保证感应面以上应没有任何障碍物的地方，然后将辐射表电缆插头正对北方，调整好水平位置，将其固定在可收缩不锈钢支撑立杆侧面的可伸缩三角支架9上，再将总辐射表数据电缆10与辐射记录器12相连接，即可进行观测。 

此外，太阳能供电系统（图5）与总控装置（图3）和遮阳幕系统控制装置（图1）相连，其功能为保证所述装置正常运行进行供电。太阳能供电系统（图5）比干电池等作为动力来源，具有持续供电性，适合野外研究使用。其中，太阳能电池板22用于吸收转化太阳能；太阳能电池板支架23用于支撑太阳能电池板22；蓄电池24作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。蓄电池24采用目前广泛使用的铅酸免维护蓄电池或胶体蓄电池，因其具有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点，适合于性能可靠的太阳能供电系统（图5），特别是野外无人值守的工作站；电缆线25用于连接太阳能控制器13和太阳能电池板22。太阳能供电系统（图5）进行供电，以保证野外遮阳幕系统控制装置在野外无固定电源的情况下正常运行。根据设备需要（如使用110V和220V交流电时），还可配置逆变器来使用。该太阳能供电系统（图5）简易、安装携带方便，可以连续工作3个阴雨日。 

具体的操作方式是：当设置好实验地点的经纬度坐标、观测时间等相关参数，打开总控装置（图3）上的总电源开关16和马达开关14，15。 

当观测开始时，单片机控制器11控制遮阳幕系统控制装置（图1）上的第二马达3，使铝箔遮阳幕系统能够实时追踪太阳位置，保证太阳入射光线垂直铝箔遮阳幕表面。而且单片机控制器11根据预先设定的观测时间，输出信号给铝箔遮阳幕系统的第一马达17（图4A），实时控制铝箔遮阳幕的开闭程 度，以保证铝箔遮阳幕的阴影面积可以笼罩整个实验田块1。 

当观测结束，根据单片机控制器11上的控制键，则单片机控制器11向遮阳幕系统控制装置（图1）上的第二马达3和铝箔遮阳幕系统的第一马达17（图4A）发出指令，装置恢复原始观测状态。第二天再重新开启电源进行相同的观测。 

综上所述，本实用新型具有以下优点：本实用新型在完全模拟自然环境的条件下实现了对辐射的自动控制。该装置仅对太阳辐射进行自动控制，不影响装置内作物生长的其他自然环境条件。具有可拆卸、便携带、易组装和野外应用的特点。可用于不同辐射水平下作物、植被的生理生态响应研究，或者土壤微生态系统的变化研究。配合自动气象站、自记雨量站等自动观测仪器，可用于长期的野外研究工作。 

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。 

Claims (6)

1.一种野外辐射自动控制实验装置，其特征在于，包括：

一个铝箔遮阳幕系统：具有铝箔遮阳幕和控制铝箔遮阳幕的开闭程度的第一马达，

与铝箔遮阳幕系统相连的遮阳幕系统控制装置：具有支撑铝箔遮阳幕的支撑立杆和使铝箔遮阳幕转动的第二马达，

用于控制铝箔遮阳幕系统的第一马达和遮阳幕系统控制装置的第二马达的总控装置。

2.根据权利要求1所述的野外辐射自动控制实验装置，其特征在于：

所述铝箔遮阳幕的卷帘采用铝塑合成材料。

3.根据权利要求1所述的野外辐射自动控制实验装置，其特征在于，所述遮阳幕系统控制装置的支撑立杆采用套合的可伸缩的铝合金立杆。

4.根据权利要求1所述的野外辐射自动控制实验装置，其特征在于，所述总控装置中包括：

用于向铝箔遮阳幕系统的第一马达和遮阳幕系统控制装置的第二马达传递信号的单片机控制器。

5.根据权利要求1所述的野外辐射自动控制实验装置，其特征在于，还包括：

与总控装置连接，用于测量实验田块处的太阳辐射强度的辐射测量装置。

6.根据权利要求1所述的野外辐射自动控制实验装置，其特征在于，还包括：

与总控装置和遮阳幕系统控制装置相连，用于保证所述装置正常运行进行供电的太阳能供电系统。

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