基于生態環境監測的土壤剖面采樣器的設計制作

郝杰　李富祥

摘要：針對于現有土壤剖面樣品采樣器存在的不足，設計一種適用于土壤生態環境監測的剖面采樣器，該采樣器具有普適性、便攜、體積小的特點。

關鍵詞：生態環境;土壤剖面;采樣器

土壤是人類生活和生產最基本、最廣泛、最重要的自然資源，屬于地球上陸地生態系統的重要組成部分。在進行生態環境研究的時候，土壤是重要的環境要素，需要對土壤的理化性質進行分析，土壤表層樣品反映了當前環境屬性，而土壤剖面樣品除能反映當前的理化性質以外，還能夠反映出物質的遷移轉化過程，也是土壤研究的一個重要方面，要研究土壤剖面就需要對其進行取樣。相對于表層土壤樣品采集比較容易而言，土壤的剖面樣品采集相對困難，現有的采樣裝置如土鉆等在對泥土進行采樣時，一般均是用采集裝置將泥土從地下挖出，但是這種方式會使地面表層的泥土和地面底層的泥土混在一起，使得在對泥土采集后還需對泥土進行后期分揀和切割，增加了處理的工作量，同時現有的采集裝置無法進行收展，進而在對裝置進行攜帶或運輸時十分地不方便。基于上述問題，結合前期項目的研究經驗以及已有的工作基礎，研發一種便于攜帶和運輸，使用方便，適用于生態環境監測的土壤剖面采樣器。

1.設計理念

（1）普適性：適用于土壤生態環境有關的絕大部分指標的土壤剖面監測取樣;

（2）便攜：體積小、可收展、便于運輸;

（3）易操作：操作簡單、易學、上手快。

2.總體設計

設計的土壤剖面采樣器見圖1，主要包括立柱、固定組件、驅動組件和取樣組件，立柱一側上端開設有限位槽，限位槽內滑動連接有限位塊，限位塊上固定連接有升降塊;本設計通過設置的壓柱、螺紋座、取土管和驅動電機，可在裝置使用時通過驅動組件帶動升降塊向下移動將取土管和滑蓋壓入土中，使土壤進入取土管中，然后再通過驅動組件將取土管和滑蓋拉出，同時設置的三角留土凸塊可將泥土留在取土管內，取土管和滑蓋拔出后可通過螺紋座和螺紋連接頭將取土管拆下，拆下后將滑蓋從滑板槽內拉出，進而可對取土管內的泥土進行取樣，進而避免了泥土散亂混在一起的情況，使得對泥土的取樣更加地精準方便，見圖1。立柱（1）、限位槽（2）、固定座（3）、升降塊（4）、壓柱（5）、螺紋桿（6）、安裝座（7）、螺紋座（8）、滑蓋（9）、取土管（10）、驅動電機（11）、限位槽（12）、限位滑塊（13）、連桿（14）、支撐板（15）、轉動座（16）、固定釬（17）、螺紋連接頭（18）、圓孔板（20）、滑板槽（19）、限位塊（21）。

（1）固定組件的設計：

土壤剖面樣品采集時需要將采樣器最大限度地固定住，單靠人力可能產生傾斜，不好掌握平衡，因此研究過程中在立柱底部設計了三個支撐板（15），支撐板可折疊，使于攜帶，支撐板上設計有固定纖（17），支撐板打開后固定纖插入地表起到支撐與固定作用，為了保證土壤剖面樣品是垂直采取的，在立柱上設置類似測量儀器上所帶的水平氣泡，利用水平氣泡保證樣品采集的準確性。

（2）驅動組件的設計：

在固定組件上安裝可拆卸的驅動組件，驅動組件擬設置壓柱（5）、螺紋座（8）和驅動電機（11）。在裝置使用時通過驅動組件帶動升降塊向下移動，將升降塊上固定的取土組件壓入土中，達到采樣深度后再通過驅動組件將取土組件拉出。

（3）取土組件的設計：

在驅動組件上通過螺紋連接的方式安裝取土組件，取土組件擬設計成由取土管（10）和滑蓋（9）組成，取土后，可將取土組件旋下，提拉滑蓋打開取土管，取土管內帶有刻度，可直接按刻度取相應深度的土壤樣品。

3.具體設計

參閱圖1，在本設計中，包括立柱（1）、固定組件、驅動組件和取樣組件，立柱（1）一側上端開設有限位槽（2），限位槽（2）內滑動連接有限位塊（21），限位塊（21）上固定連接有升降塊（4）;

固定組件置于立柱（1）的下端位置，用于對立柱（1）進行固定;

驅動組件置于立柱（1）上端靠近限位槽（2）的位置，用于驅動升降塊（4）進行上下移動;

取樣組件置于升降塊（4）上，用于對泥土進行取樣;立柱（1）上還設有用于為驅動電機（11）供電的蓄電池。

固定組件包括限位槽（12）和支撐板（15），三個支撐板（15）均轉動連接在立柱（1）遠離限位槽（2）的三個面下端，立柱（1）位于支撐板（15）上方的位置均開設有限位槽（12），限位槽（12）內均滑動連接有限位滑塊（13），支撐板（15）上端面均固定連接有轉動座（16），轉動座（16）和限位滑塊（13）之間均設有連桿（14），連桿（14）兩端均為轉動連接，支撐板（15）下端面均固定連接有固定釬（17）;本設計通過在立柱（1）底部設置的支撐板（15）、固定釬（17）、連桿（14）、限位槽（2），可在裝置使用時將支撐板（15）放下，然后將固定釬（17）插入中進行固定，當裝置使用完成后可通過連桿（14）將支撐板（15）收起，進而可減少裝置的占用面積，使得裝置的攜帶更加的便捷方便。

驅動組件包括固定座（3）和安裝座（7），固定座（3）固定連接在立柱（1）上位于限位槽（12）上端的位置，安裝座（7）固定連接在立柱（1）上位于限位槽（12）下端的位置，固定座（3）與安裝座（7）之間轉動連接有螺紋桿（6），螺紋桿（6）與升降塊（4）螺紋連接，立柱（1）上位于安裝座（7）下方的位置還固定連接有用于驅動螺紋桿（6）進行轉動的驅動電機（11）;取樣組件包括壓柱（5）、滑蓋（9）和取土管（10），壓柱（5）固定連接在升降塊（4）下端面，壓柱（5）與安裝座（7）滑動連接，安裝座（7）下端固定連接有螺紋座（8），取土管（10）上端固定連接有螺紋連接頭（18），螺紋連接頭（18）與螺紋座（8）螺紋連接，取土管（10）一側還開設有滑板槽（19），滑蓋（9）上端固定連接有圓孔板（20），滑蓋（9）滑動連接在滑板槽（19）內，取土管（10）內部兩側壁上均固定連接有若干個三角留土凸塊（22）;取土管（10）和滑蓋（9）下端均開設有開土刃;本設計通過設置的壓柱（5）、螺紋座（8）、取土管（10）和驅動電機（11），可在裝置使用時通過驅動組件帶動升降塊（4）向下移動將取土管（10）和滑蓋（9）壓入土中，然后再通過驅動組件再將取土管（10）和滑蓋（9）拉出，同時設置的三角留土凸塊（22）可將泥土留在取土管（10）內，取土管（10）和滑蓋（9）拔出后可通過螺紋座（8）和螺紋連接頭（18）將取土管（10）拆下，拆下后將滑蓋（9）從滑板槽（19）內拉出，進而可對取土管（10）內的泥土進行取樣，進而避免了泥土散亂混在一起的情況，使得對泥土的取樣更加的精準方便。

4.工作原理

本土壤采樣器在使用時，通過翻轉支撐板（15）將支撐板（15）放下，并通過支撐板（15）上的固定釬（17）進行固定，然后通過驅動電機（11）帶動螺紋桿（6）進行旋轉，螺紋桿（6）轉動帶動升降塊（4）向下移動，將取土管（10）和滑蓋（9）壓入土中，壓入完成后通過驅動電機（11）翻轉帶動升降塊（4）向上移動將取土管（10）和滑蓋（9）拔出，設置的三角留土凸塊（22）可將泥土留在取土管（10）內，取土管（10）和滑蓋（9）拔出后可通過螺紋座（8）和螺紋連接頭（18）將取土管（10）拆下，拆下后將滑蓋（9）從滑板槽（19）內拉出，進而可對取土管（10）內的泥土進行取樣，從而避免了泥土散亂混在一起的情況，使得對泥土的取樣更加的精準方便，完成采樣后通過將取土管（10）內的泥土清理出來，將滑蓋（9）插入滑板槽（19）內，然后將螺紋連接頭（18）擰入螺紋座（8）內，直至螺紋座（8）將圓孔板（20）壓緊即可，當裝置使用完成后，可通過連桿（14）將支撐板（15）收起，進而可減少裝置的占用面積，使得裝置的攜帶更加的便捷方便。

參考文獻：

[1]莫迪.車載土壤采樣裝置控制系統的設計與實現[D].上海交通大學，2014.

[2]楊佺.土壤快速采集裝置研究[D].南京信息工程大學，2011.

[3]張凱，劉成良.車載液壓振動式土壤采集裝置研究[J].南京信息工程大學學報（自然科學版），2010，2（4）：297-301.

注：遼東學院2021年度本科大學生國家級創新創業訓練計劃項目資助。

通訊作者：李富祥