专利名称：植物根系抗拉力学特性野外便携实验系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用电子测试技术对植物根系抗拉力学特性进行测试的实验系统，特别 涉及一种可在野外环境下对植物根系抗拉力学特性进行现场测试的便携式实验系统，属于电 子测试技术领域。
技术背景高原、山地地带的土壤侵蚀，地表水土流失、滑坡、泥石流等灾害是自然界中较为严重 的地质灾害现象。目前，国内外对植物根系固土作用机理进行了深入地研究，利用植被保护、 稳固斜坡已成为实施生态护坡工程的一种重要手段，其中，植物根系是改善土壤侵蚀环境的 一个重要因素，在稳定土壤结构、提高土壤抗冲击性、防治土壤侵蚀方面往往具有地上部分 所无法替代的作用。庞大的植被根系对土壤固持很关键，在有植被生长的斜坡上，如果浅层 土体发生滑坡，除了植被垂直根系的强大抗剪作用抵抗土体滑坡外，水平根系的轴向抗拉伸 作用也非常重要，此外，在土体滑坡时，垂直抗剪的根系通常也被从土壤中拔出拉断，而很 少被剪断，因此，对植被根系的轴向抗拉伸力学特性进行测试，包括测试其轴向抗拉强度、 轴向变形、应变、拉伸弹性模量等参数，是定量分析计算各类植被根系对土壤的固持作用， 为坡面保护和水土保持选择适当的植被类型的重要基础。然而，迄今为止，由于缺乏对植物 根系的抗拉伸力学特性进行测试的专门设备，人类对植物根系的抗拉伸力学特性的测试，大 多采用简单的工具如手钳或工程钳夹持根系两端，测试人员通过手持拉力计施加拉力将根系 拉断，在拉断瞬间人工观察记录最大拉力。 一方面，测试过程需多人操作、费时费力，且人 工观察记录最大拉力有较大误差，测量结果不准确，不能记录拉力与植物根系变形的对应关 系；另一方面，在加力过程中，缺乏可靠的加力装置，靠人手直接施加的拉力是有限的、不 稳定的，难以保证拉力沿着根系轴向缓慢均匀加载，还可能产生扭转力，不利于真实客观的 反映植物根系轴向抗拉伸的实际情况，不能保证测试结果的准确性，也不能满足大量根系测 试的需求。如果要利用其它材料已有的拉伸测试设备，如钢件的拉伸设备，由于这些设备都 是大型的专用设备，不能移动到野外现场，因此，难以在野外现场开展植物根系抗拉伸实验 测试，需将植物根系采集带回实验室进行测试，这种测试由于脱离植物生长的实际环境因而 价值大大降低。 一方面，采集回来的根系样本是有限的，没有在野外现场丰富，而且植物根 系从遥远的野外现场带回实验室，由于出土时间长，容易导致根系失水变干，抗拉伸力学特 性变化，测试结果不能反映其在土壤中的真实情况；另一方面，这些大型专用实验设备没有 针对根系的夹持装置，容易把根夹坏，降低实验成功率。因此开发一种能测试植被根系力学 特性的实验装置，特别是能在野外环境下现场测试植被根系力学特性的便携式实验系统有着极其迫切和重要的意义。 发明内容本发明的目的，在于针对植物根系固土护坡科学研究及实验测试的需要，提供一种结构 简单、使用和携带方便、能在野外植物生长现场对植物根系抗拉力学特性(包括抗拉强度、 变形、应变、拉伸弹性模量)进行准确测试的植物根系力学特性测试系统。本发明的目的是这样实现的本实验系统由机械装置、测试系统、笔记本电脑29及测试 记录软件30组成。所述机械装置包括由机架基座l、机架立柱2、 V字形导轨3、机架顶 部4、.基座调平螺钉15组成的固定机架，其中，所述机架顶部4中心有一通孔；由两外侧装 有导向轮的升降台12、挂钩IO、牵引螺杆7、牵引基座5组成的垂直导向牵引机构，其中， 所述牵引基座5由轴承支撑座21、圆锥滚子轴承22、转轮23构成，所述转轮23中心轴线方 向开有内螺纹通孔；由具有相同的结构的上夹持机构11和下夹持机构13组成的根系夹持机 构，上、下夹持机构由左右两块相同且夹持面相向的U型夹持块16、 17及夹紧螺拴18、封 闭螺栓19组成；所述测试系统由左、右红外测距传感器24、 25、拉力传感器9、拉力变送器 26、数据采集卡28、传感器电源模块27构成。其位置和连接关系为机架立柱2下端通过下端连接螺栓14固定在机架基座1上，其上 端通过上端连接螺栓8与机架顶部4固定连接，三者固定连接为一体，基座调平螺钉15设于 基座底面，两根V字形导轨3平行且相对地装于机架立柱2内侧；装于升降台12两外侧的 导向轮20，可以在机架立柱2内侧的V字导轨3的轨道内上下滚动，升降台12上端的钢索 通过挂钩10与拉力传感器9的下端连接，拉力传感器9的上端连接牵引螺杆7，牵引基座5 的轴承支撑座21用固定螺栓6安装固定在机架顶部4的中心位置，并通过过盈配合与圆锥滚 子轴承22的内圈连接，转轮23下端通过过盈配合与圆锥滚子轴承22的外圈连接；牵引螺杆 7从转轮23中心螺孔穿过，与螺孔构成螺母螺杆连接副；上夹持机构11安装在垂直导向牵 引机构的升降台12上，下夹持机构13安装在固定机架的机架基座1上，上、下夹持机构的 左右两个U型夹持块16、 17夹持面相向安装，两个U型夹持块16、 17间用夹紧螺栓18连 接，U型夹持块16、 17开口端有封闭螺栓19;左、右红外测距传感器24和25以牵引螺杆7 为中心在机架顶部4的底面左右对称布置；拉力变送器26的输入端与拉力传感器9的信号输 出端连接，其输出端及左、右红外测距传感器24和25与数据采集卡28输入端连接，数据采 集卡28输出端与笔记本电脑29连接，测试记录软件30装在笔记本电脑29内。传感器电源 模块27为传感器提供直流电源。本系统机械装置的各部分可以拆分为各个部件或单件，以方便携带和减小空间尺寸；转 轮上端加工为螺母形状，便于用扳手转动。本发明植物根系抗拉力学特性野外便携实验系统的使用方法和工作原理是本实验系统 在欲测植物根系的地方支架起来以后,利用基座调平螺钉将固定机架调整至V字导轨与水平面垂直，以保障升降台通过学习其两侧的导向轮沿机架立柱内侧v字形导轨的轨道垂直上下升降。将待测植物的根系刨出后，将一根根系的两个点位分别夹于上夹持机构11和下夹持机 构13上，并拧紧夹紧螺栓以夹紧夹持块间的植物根系，用扳手沿顺时针方向轻轻转动转轮 23上方的螺母驱动牵引螺杆7向上产生轴向移动，从而带动升降台12沿立柱内侧的V字形 导轨3滚动实现垂直上升，直至根系刚被拉直，用游标卡尺测量根系中间位置的直径，用直 尺测量根系在上、下两夹持点间的长度得到根系拉伸前的长度。继续用扳手转动转轮23上方 的螺母，使升降台12继续上升，上、下夹持机构之间产生拉力对根系进行拉伸。由于牵引基 座中轴承支撑座、圆锥滚子轴承、转轮三部分的结构设计，加之升降台两侧导向轮受到机架 立柱内侧V字形轨道的导向作用，保证了转动转轮对根系进行拉伸时，即使拉力很大的情况 下，牵引螺杆能保持垂直升降，所测根系只受轴向拉力的作用，而不会随着转轮转动造成根 系在拉伸的过程中被扭转破坏。测试系统由红外测距传感器、拉力传感器、拉力变送器、数 据采集卡、传感器电源模块构成。由于固定机架及垂直导向牵引机构的刚度远远大于植物根 系，在对植物根系拉伸的过程中，用红外测距传感器测量升降台到机架顶部底端的垂直距离 变化即可得到植物被拉升的变形量，为了避免升降台在水平方向上有轻微的倾斜，以牵引螺 栓为中心在机架顶部的底面左右对称布置两个红外测距传感器，用两个红外测距传感器测得 的距离变化平均值作为植物根系拉伸变形量。数据采集卡采用12位多通道的A/D转换器， 传感器电源模块由可充电的小型蓄电池组成，为传感器提供直流电源。测试记录软件QTC300 是自行开发的软件，安装在笔记本电脑上，记录实验过程中根系受到的拉力和根系变形量， 并提示测量人员通过对话框输入根系直径、根系拉伸前的长度，然后自动计算得到根系的抗 拉强度、应变和拉伸弹性模量，其计算方法是(1)用根系拉伸过程中的最大拉力除以根系 截面积得到根系的抗拉强度，根系截面积可由根系直径计算得到；(2)用根系最大变形量除 以根系拉伸前的长度即可得到根系的最大应变；(3)用根系的抗拉强度除以根系的最大应变 即可估算出根系的拉伸弹性模量。本发明的有益效果是由于本实验系统结构简单且可分拆组装，故可方便的携带到野外 开展植物根系抗拉力学特性参数现场测试实验，保证了测试样本的丰富和测试的完整性，避 免了将植物根系采集回实验室后由于脱离其生长的土壤时间长，造成根系抗拉强度发生变化 从而产生测试偏差的不利后果，并可实时记录实验结果，因而能准确地反映野外植物根系的 实际力学状况；且由于牵引基座中轴承支撑座、圆锥滚子轴承、转轮三部分的结构设计，大 大减小了转动转轮对根系施加轴向拉伸力时的摩擦阻力，从而减小了牵引螺杆跟随转轮转动 的运动趋势；加之升降台两侧导向轮受到机架立柱内侧V字形轨道的导向作用，保证了转动转轮对根系进行拉伸时，即使拉力很大的情况下，牵引螺杆能保持垂直升降，所测根系只受 轴向拉力的作用，而不会随着转轮转动造成根系在拉伸的过程中被扭转破坏，由于可通过转 轮均匀稳定的对植物根系沿轴向进行拉伸加载，为测试植物根系抗拉强度的较准确数值提供 了保证，提高了植物根系抗拉强度测试实验的可靠性。由于本系统操作简单，配置有计算机 测试系统，可对实验结果进行实时记录，并通过计算机自动计算得到根系抗拉强度、应变、 拉伸弹性模量等参数，大大减轻了实验强度和工作量，便于对大量根系的力学特性进行快速 实验测试。
图1是本发明机械装置的结构图；图2是图1中上、下夹持机构11、 13的结构图；图3是图1中标记12升降台的结构图；图4是图1中标记5牵引基座的结构图；图5是图1中标记4的A向局部图，标明红外测距传感器的安放位置； 图6是测试系统的连接框图。图中各标记为1、机架基座，2、机架立柱，3、 V字形导轨，4、机架顶部，5、牵引基 座，6、固定螺栓，7、牵引螺杆，8、上端连接螺栓，9、拉力传感器，10、挂钩，11、上夹 持机构，12、升降台，13、下夹持机构，14、下端连接螺栓，15、基座调平螺钉，16、 17、 夹持机构U型夹持块，18、夹持机构夹紧螺栓，19、封闭螺栓，20、导向轮，21、轴承支撑 座，22、圆锥滚子轴承，23、转轮，24、 25、红外测距传感器，26、拉力变送器，27、传感 器电源模块，28、数据采集卡，29、笔记本电脑，30、测试记录软件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。实施例参见图l、 2、 3、 4、 5、 6，实验测试前，首先将为方便携带已拆卸的实验系统 机械装置各部分重新组装，机架立柱2下端通过下端连接螺栓14固定在机架基座1上，其上 端通过上端连接螺栓8与机架顶部4固定连接，三者固定连接为一体，用基座底面调平螺钉 15调整机架的水平，牵引基座5的轴承支撑座21用固定螺栓6安装固定在机架顶部4中心 位置，轴承支撑座21通过过盈配合与圆锥滚子轴承22内圈连接，转轮23下端通过过盈配合 与圆锥滚子轴承22外圈连接，转轮23中心轴线方向开有通孔，通孔内壁加工有内螺纹，外 部在转轮上端加工为螺母形状，便于用扳手转动，牵引螺杆7从转轮23中心螺孔穿过，与螺孔形成螺母螺杆连接副，螺孔转动将带动牵引螺杆7产生轴向移动，使用较小的力转动转轮 23就可获得较大的轴向力。上夹持机构11安装在升降台12上，下夹持机构13安装在机架 基座1上。升降台上的钢丝钩在挂钩10上，挂钩10与拉力传感器9下端相连，拉力传感器 9上端与牵引螺杆7相连。连接好测试系统、笔记本电脑。
待测植物根系的上下两端分别从上、下夹持机构的两个U型夹持块16、 17的中间穿过， 分别拧紧夹紧螺栓18即可夹持住植物根系的上下两端，为了防止U型夹持块16、 17从升降 台或基座上脱落，并减小U型夹持块16、 17在受力过程中产生变形，U型夹持块16、 17开 口端有封闭螺栓19。首先，用扳手沿顺时针方向轻轻转动转轮23上方的螺母驱动牵引螺杆7 向上产生轴向移动，从而带动升降台12沿立柱内侧的V字形导轨3滚动实现垂直上升，直 至根系刚刚被拉直，用游标卡尺测量根系中间位置的直径，用直尺测量根系在上、下两夹持 点间的长度得到根系拉伸前的长度。继续用扳手转动转轮23上方的螺母，使升降台12继续 垂直上升，并启动测试记录软件30开始记录数据。由于此时植物根系的下端被下夹持机构 13固定在机架基座1上，而且根系已经被拉直，当升降台12向上移动时，上夹持机构ll与 下夹持机构13间产生拉力对根系进行拉伸，直至根系被拉断。由于牵引基座5中轴承支撑座 21、圆锥滚子轴承22、转轮23三部分的结构设计，加之升降台12两侧导向轮受到机架立柱 2内侧V字形导轨3的导向作用，保证了转动转轮23对根系进行拉伸时，即使拉力很大的情 况下，牵引螺杆7能保持垂直升降，而不会随着转轮23转动造成根系在拉伸的过程中被扭转 破坏。测试过程中，用拉力传感器9测量根系受到的轴向拉力，用红外测距传感器24和25 测量植物根系受拉过程中的变形量。参见图6，拉力变送器26的输入端与拉力传感器9的信 号输出端连接，对拉力传感器9输出信号进行放大处理，拉力变送器26的输出端及左、右红 外测距传感器24和25连接到数据采集卡28，数据采集卡28采用12位多通道的A/D转换器, 数据采集卡28对模拟量的拉力传感器9信号及左、右红外测距传感器24、 25信号进行数字 化采样后传输到便携式笔记本电脑29，并通过自行开发的QTC300测试记录软件30对信号 进行分析和储存记录，自动计算得到根系的抗拉强度、应变和拉伸弹性模量。传感器电源模 块27由可充电的小型蓄电池组成，为传感器提供直流电源。每一次根系拉伸测试完成后，用 扳手沿逆时针方向转动转轮23上方的螺母驱动牵引螺杆7向下产生轴向移动，从而带动升降 台12沿立柱内侧的V字形导轨3滚动，垂直下降到初始位置，即可进行下一根系的力学特 性测量。所有根系测量实验完成后，为方便携带，可将垂直导向牵引机构、根系夹持机构从 固定机架上拆卸下来，然后将固定机架拆卸，分解为各个小部件分别携带，减小空间尺寸。
权利要求
1、植物根系抗拉力学特性野外便携实验系统，其特征在于本系统由机械装置、测试系统、笔记本电脑(29)及测试记录软件(30)组成；所述机械装置包括由机架基座(1)、机架立柱(2)、V字形导轨(3)、机架顶部(4)、基座调平螺钉(15)组成的固定机架，其中，所述机架顶部(4)中心有一通孔；由两外侧装有导向轮的升降台(12)、挂钩(10)、牵引螺杆7、牵引基座5组成的垂直导向牵引机构，其中，所述牵引基座5由轴承支撑座(21)、圆锥滚子轴承(22)、转轮(23)构成，所述转轮(23)中心轴线方向开有内螺纹通孔；由具有相同的结构的上夹持机构(11)和下夹持机构(13)组成的根系夹持机构，夹持机构由左右两块相同且夹持面相向的U型夹持块(16)、(17)及夹紧螺拴(18)、封闭螺栓(19)组成；所述测试系统由左、右红外测距传感器(24)、(25)、拉力传感器(9)、拉力变送器(26)、数据采集卡(28)、传感器电源模块(27)构成；其位置和连接关系为机架立柱(2)下端通过下端连接螺栓(14)固定在机架基座(1)上，其上端通过上端连接螺栓(8)与机架顶部(4)固定连接，三者固定连接为一体，基座调平螺钉(15)设于基座底面，两根V字形导轨(3)平行且相对地装于机架立柱(2)内侧；装于升降台(12)两外侧的导向轮(20)，可以在机架立柱(2)内侧的V字导轨(3)的轨道内上下滚动，升降台(12)上端的钢索通过挂钩(10)与拉力传感器(9)的下端连接，拉力传感器(9)的上端连接牵引螺杆(7)，牵引基座5的轴承支撑座(21)用固定螺栓(6)安装固定在机架顶部(4)的中心位置，并通过过盈配合与圆锥滚子轴承(22)的内圈连接，转轮(23)下端通过过盈配合与圆锥滚子轴承(22)的外圈连接；牵引螺杆(7)从转轮(23)中心螺孔穿过，与螺孔构成螺母螺杆连接副；上夹持机构(11)安装在垂直导向牵引机构的升降台(12)上，下夹持机构(13)安装在固定机架的机架基座(1)上，上、下夹持机构的左右两个U型夹持块(16)、(17)夹持面相向安装，两个U型夹持块(16)、(17)间用夹紧螺栓(18)连接，U型夹持块(16)、(17)开口端有封闭螺栓(19)；左、右红外测距传感器(24)和(25)以牵引螺杆(7)为中心在机架顶部(4)的底面左右对称布置；拉力变送器(26)的输入端与拉力传感器(9)的信号输出端连接，其输出端及左、右红外测距传感器(24)和(25)与数据采集卡(28)输入端连接，数据采集卡(28)输出端与笔记本电脑(29)连接，测试记录软件(30)装在电脑(29)内，传感器电源模块(27)为传感器提供直流电源。
2、 根据权利要求1所述的植物根系抗拉力学特性野外便携实验系统，其特征在于本系 统机械装置的各部分可以拆分为各个部件或单件。
3、 根据权利要求1所述的植物根系抗拉力学特性野外便携实验系统，其特征在于转轮 上端加工为螺母形状。
全文摘要
本发明植物根系抗拉力学特性野外便携实验系统由机械装置、测试系统、笔记本电脑及测试记录软件组成，其中机械装置包括固定机架、垂直导向牵引机构、根系夹持机构；测试系统包括左、右红外测距传感器、拉力传感器、拉力变送器、数据采集卡、传感器电源模块，植物的根系可用根系夹持机构的上、下夹持机构夹持，将上夹持机构上提时，可由测试系统测出根系受到的拉力和变形，并将其传输到便携式笔记本电脑，并通过测试记录软件对信号进行分析和储存记录。本系统机械装置的各部分可以拆分为各个部件或单件，方便携带和减小空间尺寸，可方便地运送到需要进行根系抗拉力学特性测试的现场，对植物根系的抗拉强度、变形、应变及拉伸弹性模量进行测试。
文档编号G01N3/08GK101603899SQ20091009472
公开日2009年12月16日 申请日期2009年7月14日 优先权日2009年7月14日
发明者张云伟, 朱惠斌, 岩 王 申请人:昆明理工大学