原狀土入滲性能自動檢測裝置設計

賈維兵，楊啟良，劉小剛，武振中，邢浩男(昆明理工大學 現代農業工程學院，昆明 650500)

0 引 言

入滲是降雨或灌溉水由地表進入土壤的物理過程[1,2]，量化土壤入滲性能對于理解和描述水文模型具有重要的意義[3]。土壤入滲率的測量一直受到國內外學者的廣泛關注。Green和Ampt[4]、Kostiakov[5]、Horton[6]、Philip[7-9]等分別在入滲測量定量研究的基礎上，通過理論分析分別提出了著名的Green-Ampt、Kostiakov、Horton及Philip入滲模型。圓盤(負壓)入滲儀是在負壓下進行入滲的裝置，用來測量非飽和導水率和土壤導水參數[10]。水滲入土壤的速率低于地表自由積水入滲。產生這種現象的原因是，圓盤入滲儀維持一定的負壓向地表供水，因此產生的導水率一般略低于飽和導水率。所以一般情況下，用雙環法或單環入滲儀確定土壤的飽和導水率[11]。

環式入滲儀由于入滲模型概念清晰，計算簡單，設備成本相對較低，可以方便地進行野外策略，目前應用最為普遍，同時也是最為經典的測量方法[1，12]，為了提高環式入滲儀的測量精度及操作方便性，學者致力于對環式入滲儀進行改進。王文焰[13]等與PrieKsat[14]等分別提出了雙環法的改進裝置和自動測量系統，在傳統雙環法的基礎上增加了馬氏瓶、傳感器、伽瑪射線儀等，從而可完成自動測量，縮短測量時間并提高測量精度。王富慶等[15]應用自動控制技術，采用高精度的液位繼電器、電磁閥和數據采集器等組成智能化環式土壤入滲特性測量系統，提高了測量自動化程度。Milla與Kish[16]采用紅外傳感器及單片機進一步提高了環式入滲儀測量自動化及操作便捷性進行改進。

考慮到原狀土壤的質地、容重、初始含水量、有機質含量等時空分布很不均勻，導致雙環入滲過程中，濕潤鋒的遷移并不是理想的在同一個水平面內，而是呈不規則的分布。本人前期進行了室內土柱的入滲能力自動檢測裝置的研制，該裝置能夠自動檢測土壤的累計入滲量和土柱不同位置土壤水分含量的連續變化，基于此，本文采用頻域反射法傳感器，在單環水平面上不同位置檢測濕潤鋒的遷移規律，并利用單片機驅動裝置，改變傳感器的位置來檢測入滲過程中不同位置的土壤含水量，來進一步提高雙環入滲儀的測量精度。

1 設計方案

1.1 結構設計

本文研發的原狀土入滲性能自動檢測裝置，包括底座1，支座2，齒條3，伺服電機4，探頭進出齒輪5，探頭進出滑軌6，限位支座7，探頭進出滑塊8，水平旋轉齒輪9， 步進電機10， 水平旋轉滑塊11， 水平旋轉滑軌12， 水平旋轉齒輪13， 導桿14，螺桿15，傳感器16，上支座17，螺桿電機18，如圖1所示。

圖1 裝置的總體圖

如圖1所示，本發明土柱入滲性能檢測裝置包括底座1、水平旋轉調節機構、進出土柱調節機構、高度調節機構，水平旋轉調節機構設置在底座1上，進出土柱調節機構設置在水平旋轉調節機構上，高度調節機構設置在進出土柱調節機構上。

其中所述水平旋轉調節機構包括水平旋轉齒輪9、步進電機10、水平旋轉滑塊11、水平旋轉滑軌12、水平旋轉齒輪13，水平旋轉滑軌12、水平旋轉齒輪13固定在底座1上，水平旋轉滑軌12位于水平旋轉齒輪13內側，水平旋轉滑塊11設置在水平旋轉滑軌12上并與其相配合，步進電機10安裝在水平旋轉滑塊11的一側，步進電機10與水平旋轉齒輪9連接并驅動其運動，水平旋轉齒輪9與水平旋轉齒輪13相配合。

進出土柱調節機構包括支座2、齒條3、伺服電機4、探頭進出齒輪5、探頭進出滑軌6、限位支座7、探頭進出滑塊8，支座2安裝在水平旋轉滑塊11上，支座2上設置有齒條3、限位支座7和探頭進出滑軌6，限位支座7設置在探頭進出滑軌6的兩端，探頭進出齒輪5設置在齒條3一側并與其相配合，探頭進出齒輪5與伺服電機4連接并由其驅動，伺服電機4與探頭進出滑塊8連接，探頭進出滑塊8設置在探頭進出滑軌6上并與其相配合。

高度調節機構包括導桿14、螺桿15、傳感器16、上支座17、螺桿電機18，導桿14的兩端分別安裝在探頭進出滑塊8和上支座17上，螺桿15兩端分別通過軸承安裝在探頭進出滑塊8和上支座17上，傳感器16套裝在導桿14和螺桿15上，螺桿15穿過上支座17與螺桿電機18相連。水平旋轉滑軌12為兩側設有半圓形水平旋轉滑軌槽的環狀軌道，水平旋轉滑塊11內側設有半圓形水平旋轉滑塊槽，水平旋轉滑塊槽與水平旋轉滑軌槽通過滾珠相配合。

所述探頭進出滑軌6兩側設有半圓形的探頭進出滑軌槽，探頭進出滑塊8內側的半圓形探頭進出滑塊槽與探頭進出滑軌槽通過滾珠相配合，探頭進出滑塊8兩側設有限位開關，限位開關與限位支座相配合。

1.2 技術特點

本裝置的優點是：①該裝置能夠自動檢測入滲過程中不同位置不同時間原狀土壤水分的動態變化，同時也能夠檢測該過程中其他的物理參數(溫度、電導率、pH等)；②檢測的過程中可以自動快速地獲取大量的檢測數據，與人工方法相比，不僅降低了科研人員的勞動強度，更降低了檢測數據的誤差；③該裝置安裝簡單，可操作性強，適合相關高校和科研院所進行室外原狀土入滲過程相關參數的快速檢測。

2 硬件電路及軟件

2.1 硬件電路

該裝置的電路包括頻域反射法傳感器、伺服電機、步進電機和螺桿電機，同時為了方便觀察檢測得到的數值，裝置采用數碼管實時顯示檢測得到的數值，所以選用Arduino mega 2560開發板，arduino mega 2560單片機是采用USB接口的核心電路板，處理器核心是ATmega2560，具有54路數字輸入輸出，適合需要大量IO接口的設計。頻域反射法傳感器檢測得到的模擬信號直接與arduino mega 2560的IO接口相連，IO接口將模擬信號轉換成數字信號，以便單片機處理數據。

圖2 裝置硬件電路連接關系圖

伺服電機、步進電機和螺桿電機，是通過脈沖信號進行控制，配合電機驅動器TB6600，通過arduino mega 2560單片機IO接口輸出一定頻率的脈沖信號進行控制。電機的轉動方向也是通過單片機IO口輸出高低電平來改變。檢測得到的實時數據通過數碼管動態顯示。

2.2 軟 件

系統控制程序是在arduino 1.0.5軟件中用C語言開發，編譯仿真后下載到arduino mega 2560自帶的flash中，上電后按下運行按鈕即可運行。

3 工作原理

在開始檢測時，在arduino mega 2560開發板的控制下，啟動步進電機，步進電機輸出軸旋轉帶動與其相連的水平旋轉齒輪Ⅰ，水平旋轉齒輪Ⅰ與水平旋轉齒輪Ⅱ相配合，水平旋轉齒輪Ⅱ固定不動，則水平旋轉齒輪Ⅰ運動，同時水平旋轉齒輪Ⅰ通過步進電機與水平旋轉滑塊相連，水平旋轉齒輪Ⅰ的運動帶動與其相連的水平旋轉滑塊的運動，同時水平旋轉滑塊與水平旋轉滑軌相配合，所以水平旋轉滑塊會沿著水平旋轉滑軌做圓周運動，傳感器通過導桿和螺桿安裝在支座上，支座安裝在水平旋轉滑塊上，所以水平旋轉滑塊的圓周運動也帶動傳感器在水平面內做圓周運動，傳感器在水平面內旋轉，直到傳感器探頭與待測的原狀土壤位置對齊后停止轉動。

然后驅動螺桿電機，螺桿電機輸出軸開始轉動，螺桿電機輸出軸轉動帶動與其相連的螺桿在水平面內的旋轉，導桿固定不動，傳感器一側與導桿相配合，另一側與螺桿螺旋副配合，所以螺桿在水平面內的旋轉帶動傳感器沿著螺桿的軸線方向運動，使傳感器運動到要求的位置。此時，傳感器開始檢測原狀土的入滲過程濕潤鋒的運移，檢測是連續的過程，檢測到的數據傳輸給上位機進行處理和分析。檢測一定的時間后，開始檢測土柱的相關指標，開發板驅動伺服電機，伺服電機開始工作，伺服電機輸出軸轉動帶動與其相連的探頭進出齒輪旋轉，探頭進出齒輪與齒條相配合，齒條固定在支座上，所以探頭進出齒輪沿著齒條做直線運動，同時探頭進出齒輪與探頭進出滑塊相連，探頭進出滑塊會隨著探頭進出齒輪做直線運動，但是探頭進出滑塊與探頭進出滑軌相配合，齒條探頭進出滑軌平行，所以探頭進出滑塊會沿著齒條和探頭進出滑軌做直線運動，導桿和螺桿安裝在探頭進出滑上，傳感器安裝在導桿和螺桿上，所以探頭進出滑塊的直線運動帶動導桿和螺桿在水平面內的直線運動，從而帶動和傳感器在水平面內的直線運動，使傳感器的探頭進入到土柱內部，在探頭進出滑軌的兩側設置了限位支座，當傳感器的探頭進入到土柱一定深度時，探頭進出滑塊上的限位開關與限位支座接觸，使限位開關停止工作，傳感器探頭進入土柱的過程停止，傳感器的探頭開始檢測土柱中的相關物理參數，檢測到的參數傳輸給上位機進行分析處理，等一段時間完成檢測后，驅動器驅動伺服電機，使伺服電機相對于剛才反轉，這時，傳感器探頭從土柱中出來，完成一個過程的檢測，為了防止保護裝置，探頭進出滑軌的另一側也設置了限位支座和限位開關。

4 結 語

原狀土入滲性能自動檢測裝置已取得國家授權專利(實用新型專利：2015206255273，發明專利：2015105105790)，它是對目前雙環入滲儀的進一步改進，該裝置不僅能夠測量室外原狀土的滲透速度，而且能夠連續自動測量入滲過程中濕潤鋒的遷移規律和不同時空的土壤的含水量。通過該裝置的使用，使科研人員從人工方法檢測脫離出來，不僅提高了試驗的檢測精度，而且提高了科研人員的工作效率，為研究原狀土的入滲過程中濕潤鋒的運移規律和水分遷移提供技術支持。

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