本发明属于环境监测的技术领域，涉及降雨采样装置，特别是一种雨水智能化监测采样装置。
背景技术：
降水对我们赖以生存的环境带来的影响极大，对多种类型水如：地表径流水、地面积水、洞穴滴水、洞穴泉水、湖泊及水库等有着密切联系，对降水的样品采集认识和分析有助于多个领域的研究和应用。可分析降水同位素和降水水化学，可用于农业、林业、大气科学、水资源和环境学科研究。由于野外复杂的地形环境，非常需要一种适用于野外智能化的结构轻便、耗电低、性能稳定的降水自动监测样品采集装置，同时对相关信息做详细记录。
参考目前的取样装置，存在如下问题：
1、参考专利201310220616.5，存在以下问题：（1）体积过大，重量过重，不方便运输和移动，采用24个电磁阀控制24个样品瓶的给水，由于电磁阀内部有线圈和磁铁，所以有体积大，重量重的特点。24个样品瓶就需要24个电磁阀，其重量可想而知。而且采用环形放置1000ml样品瓶，样品盘直径至少需要75-80cm，加上外壳，体积更大，不方便在野外移动和运输；（2）没有考虑对样品瓶的固定装置，环形放置的结构必须考虑对样品瓶的固定装置，否则，稍有晃动，样品瓶会脱离原来位置，影响定位和采样。
2、参考专利201610889446.3存在如下问题：（1）它的动力装置由于采用样品盘转动，必定选用大功率电机，耗电大，不适用于野外环境；(2)该装置体积大，结构复杂，不方便用于野外环境中灵活调整观测点；（3）该装置供电采用交流电220v，不适用于野外环境。
3、参考专利201620821967.0存在的问题：（1）空间利用率不够高效：样品瓶环形放置，环形的中间部分空间没有充分利用，必然带来体积大，而收集样品总数却有限，仅12瓶，圆盘直径需要50厘米以上。（2）样品瓶环形放置需要精确的固定装置，这样才能保证动力装置精确定位取样，同时保证运输过程的稳定性。
综上所述，现有技术存在以下问题：
①大多数采样装置的动力部分重量重，功耗大，结构复杂，不利于野外长时间工作和灵活移动：一种是用电磁阀控制采样，则多个样品瓶需要多个电磁阀。电磁阀内部都有线圈和磁铁，必然存在重量重，体积大，功耗大。另外一种是用样品盘转动来完成自动采样，随着采集水样品的增加，样品盘重量加重，必然功耗大，不利于保证野外长时间工作。有的采用220v供电，完全不能在野外灵活使用。
②大多数结构是样品瓶环形放置，空间利用率不够高效：样品瓶环形放置，环形的中间部分空间没有充分利用，必然带来体积大，而收集样品瓶数却不多。
③样品瓶环形放置结构，必须要设置样品瓶固定装置，增加了结构的复杂性和体积：样品瓶环形放置需要给采样瓶设置精确的固定装置，这样才能保证动力装置精确定位、取样，同时保证运输过程的稳定性。固定装置将给样品区结构增加复杂性、成本和体积。
④没有考虑分体结构和方便携带问题：整机没有考虑方便的分体和组装，以至于体积大，重量重，不方便搬运和移动，尤其是地形复杂的环境。
⑤控制盒的输入设置采用按键和液晶显示屏，使控制盒体积增大，操作设置的时候有时难免会带入水分影响到控制电路板的功能安全性。
技术实现要素：
本发明目的在于针对现有技术中存在问题，提供一种降雨量实时准确监测和记录装置，并以此作为降雨样品采集的开关条件，实现智能化降雨样品自动采集并记录样品相关信息。该装置具有取样精度高、耗电低、空间利用高效体积小，特别适用于野外环境长时间智能工作和搬动方便。
本发明的技术方案是：装置为分离组装的翻斗式雨量传感器、中间箱体和样品盒三部分，中间箱体的顶盖上放置翻斗式雨量传感器，中间箱体下端装分水盘，分水盘上方装圆周向均布小漏斗的漏斗圆盘，漏斗圆盘中心装电机，电机轴上安装水样暂存器和定位盘，水样暂存器带有延伸至小漏斗上方的给水导管，定位盘上有与小漏斗对应的均布的通光缝，在通光缝的上、下方设置有光敏对管，中间箱体下端与矩形内腔的样品盒连接，样品盒的内腔长宽尺寸与装满后的样品瓶叠加尺寸相同，翻斗式雨量传感器、电机和光敏对管与单片机接口相连，翻斗式雨量传感器的出水口接水样暂存器，分水盘上的小漏斗分别对应连接样品盒中的样品瓶。
中间箱体上端与顶盖的组装连接采用蝶形螺钉，中间箱体下端的两条对边通过蝴蝶螺钉与分水盘连接，中间箱体下端的另外两条对边通过蝴蝶螺钉与样品盒连接，分水盘与上方的漏斗圆盘采用3根以上等长的两端带有螺纹的支柱连接。
在电机停止状态，定位盘上的通光缝重合于漏斗圆盘中心与小漏斗中心的连线，光敏对管通过支架正好装在该中心连线之上。
样品盒的内腔为正方形，内腔边长为5个样品瓶的直径之和。
小漏斗与样品瓶之间用乳胶软管通过分水盘连接起来，中间箱体的顶盖中部用不锈钢圆管无缝焊接一向上突起的水样输入口，翻斗式雨量传感器的降雨出水管通过该水样输入口引到水样暂存器。
电机采用6v直流减速电机，电机轴通过联轴器将电机轴与上方的水样暂存器和定位盘的轴连接成一体，所述定位盘上的通光缝为1mm宽的狭缝；；本装置的电控器件都设置了防水封装，单片机的控制盒采用防水密封盒，从而能够适用于各种野外环境。
在电机停止状态，给水导管向下正对定位盘上的任意一条通光缝，或者给水导管在定位盘上的垂直向下投影线与任意一条通光缝重合，给水导管出水口的中心向下正对一个小漏斗的圆心。
本装置首先能够实现对降雨量的自动监测。通过翻斗雨量计精确监测和记录降雨量，获取降雨和雨停信息，并记录降雨发生对应的时间值。
依据监测的参数情况，作为采集样品的开关，实现样品的自动采集：具体的开关参数可以预先设置好，之后的采样过程由单片机全程控制智能完成。预先设置包括：一、大雨模式：大雨季节时，设置大雨模式，设置取样的间隔时间为1～3天，时间到并且雨停作为一组样品，此时需要换瓶。在此期间，一瓶的量装够，能够自动换瓶。例如：一瓶的量设置为翻斗雨量计的60斗，通过对雨量的监测，能够获取翻斗数，计数达到后自动换到下一瓶。二、小雨季节时：设置为小雨模式，设置一组样品取样时间通常为10～30天，在此期间收集雨水达到换瓶量自动换瓶。由此可见，降雨样品的收集离不开雨量传感器，它能够提供开始降雨和雨停信息以及定时定量的样品采集。
采样换瓶的动力部分定位精确、省电且结构简单。换瓶定位功能是利用光敏对管感应定位盘上的通光缝，25个通光缝与漏斗圆盘边沿的25个小漏斗相对应，25个小漏斗分别连接到下方25个样品瓶。需要换瓶时，通光缝随电机转动，当下一个通光缝转到光敏管正下方时，会被光敏管感应到并将信号传到单片机，单片机控制电机立刻停转。此时在某个通光缝正上方的给水管一定对准了下一个小漏斗及样品瓶。由此可看出，该定位装置结构简单，定位准确。电机采用6v直流减速电机，驱动慢速转动即可,耗电不大。动力装置转动过程中，没有任何缠绕，转动装置通过水样暂存器与进水管分离，性能稳定。
设计矩阵放置样品瓶结构，空间利用率高，稳固性好，可以省去固定装置。转动装置下方为分水区和样品瓶区，样品区设计为5瓶*5瓶的矩阵放置，瓶与瓶的圆周之间刚好相切，不留缝隙，放置于正方形不锈钢盒中，这样的结构空间利用率高，非常稳固，完全可以省去固定装置。只需要在样品区之上增加分水区，将转动装置给水管流出的水通过25个小漏斗和乳胶软管引入到25个样品瓶中，以此实现样品瓶的矩阵放置。
取样装置可以方便分体和组装，有利于各种地形的携带和搬移。有的野外地形行走比较困难，比如洞穴环境、汽车无法行走的山地或泥地环境等。该取样装置可以方便分解为四部分，其中包括：顶盖之上的传感器部分、中间箱体部分、样品盒部分及单片机控制盒部分，它们都是通过蝶形螺钉固定连接，不需要任何工具就能方便地分体和组装，有利于携带。
本装置由上位机设置，取代按键和显示屏，使体积进一步缩小：取样的工作方式需要设置，其中包括：大小雨模式、取样间隔时间和换瓶量（多少ml）。此外，不论是降雨量监测或样品采集，都需要记录详细的发生时间，所以需要时间校对准确。以上设置采用上位机设置方法，通过笔记本和单片机之间的串口通信软件设置，这样可以省去多个按键和显示屏，由笔记本电脑取代完成，还可以在出发之前就设置好。这样做，可以使控制部分体积减小，更加适用于野外环境。
主要优点：
1、动力装置精度高，功耗低，轻便，有利于野外灵活调整观测点，长时间不需要人干预地智能化自动工作。
2、引入分水器，实现样品瓶矩阵放置结构，使样品瓶由环形放置变为集中放置，空间利用率大幅提高，使体积有较大缩小。
3、样品区矩阵放置设计，可以省去样品瓶固定装置，结构简单，使体积进一步缩小。
4、取样装置可以方便分体和组装，分体为四部分，有利于各种地形的携带和搬移。
5、本装置采用上位机输入设置，取代按键和显示屏，使单片机控制盒体积进一步缩小。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的定位盘结构示意图。
图3为本发明的漏斗圆盘结构示意图。
图中：1翻斗式雨量传感器、2水样输入口、3顶盖、4水样暂存器、5给水导管、6光敏对管、7定位盘、7.1通光缝、8小漏斗、9漏斗圆盘、10电机、11支柱、12中间箱体、13分水管、14分水盘、15样品瓶、16样品盒、17支脚、18传感器导线、19降雨出水管、20联轴器、21乳胶软管、22蝶形螺钉、23单片机控制盒、24固定圆盘。
具体实施方式
本装置主要分为五部分：（如图1）传感器部分，自动采样动力部分，分水区部分，样品盒部分和单片机控制盒部分。为适用于各种野外地形环境，整个装置包括螺钉都选用耐腐蚀的304不锈钢材料及其0.7mm厚的不锈钢板，由不锈钢切割机精准切割加工而成。本机械装置适用于野外环境，牢固耐用，方便拆解和携带。以下以降雨量监测和雨水自动采集为例，说明具体实施方式。
雨量传感器部分：在图1中最上面，为购买的成品翻斗式雨量传感器1，该传感器用于传感降雨量，应用中采用0.2ml精度，对于该取样装置，雨量传感器可以是不同精度或者其它种类传感器。翻斗式雨量传感器1的最上方为降水接水口，下方为传感器导线18，与单片机控制盒23相连接，将降雨量电信号输入到控制盒中传感器的相应接口，实现降雨量的监测。翻斗式雨量传感器1下方为降雨出水管19，它通过水样输入口2进入到水样暂存器4中。翻斗式雨量传感器1通过不锈钢螺钉固定在中间箱体12上端的顶盖3上。该顶盖设计成正方形，其四个边缘采用弧形，避免了尖锐直角产生刺伤的危险性。
电机转动部分：水样输入口2为适当半径的不锈钢圆管，此圆管通过无缝的焊接，连接到顶盖3中心开出的圆形孔的边缘，目的是防止滴落到顶盖3上的外来水流入取样装置，确保采集水样不被污染。漏斗圆盘9的边缘将其圆周25等分，并经过均分计算，焊接固定有25个不锈钢小漏斗8，其中每一个小漏斗都连接乳胶软管21，将降雨样品送入下方的某一个对应样品瓶15中。在漏斗圆盘9圆心下方固定有减速直流电机10，电机10上的导线与单片机控制盒23中单片机接口相连，可以由单片机控制，实现转动和停止转动的功能，以此实现自动换瓶定位功能。电机10的轴通过一个联轴器20将电机轴和其上方的转子部件轴连接起来，实现电机带动上方的转子部件同步转动。联轴器20上方的转子部件包括水样暂存器4、给水导管5和换瓶定位盘7。其中水样暂存器4和下方的轴及固定圆盘24作为车床加工的整体部件。水样暂存器4中间为掏空圆锥形的空心圆柱，在锥形底部开出一个小孔焊接给水导管5，所以该金属给水导管5也能随电机10转动，并将水样送入每一个小漏斗8，进而流入样品瓶15，所以给水导管5其长度设计为向下出水口正对不锈钢小漏斗8中心。水样暂存器4既能获取暂存水样，又能接口降雨出水管19，使之与电机10的转动部分分开，不会随之转动而产生缠绕。水样暂存器4的下方轴上由车床加工出一个固定圆盘24，直径为10mm，用于焊接固定光敏定位盘7。
自动换瓶定位功能：该装置能够根据降雨量监测的情况，通过单片机设置取样条件。当取样条件达到，将能实现样自动换瓶定位给水功能；如图2，换瓶的定位盘7是在一片不锈钢圆盘上由不锈钢切割机精确地切出25条圆心角分布均匀的沿着半径方向的1mm宽的狭缝（即通光缝7.1），该定位盘以圆心为中心做圆孔，利用该圆孔穿过水样暂存器4下方的轴焊接到固定圆盘24上，与部件水样暂存器4同轴心固定在一起，需要特别注意的是焊接之前要精确的对准位置，保证其中一条通光缝7.1正好处于给水导管5的正下方或者是与给水导管5在正下方定位盘7上的投影线相重合。见图1，一对光敏对管6装在l型的固定架上再连接于漏斗圆盘9，光敏对管器件具有感知遮光和通光特性，其上的导线与单片机控制盒23相连用于传输感应信号，配合定位盘7实现准确换瓶定位功能。光敏对管6的发射接收管分别位于定位盘7边缘的上方和下方，能够感知到通光缝7.1定位槽的透光特性，同时不影响定位盘7的转动。光敏对管6及固定架在漏斗圆盘9上的固定位置有要求，应该保证光敏对管6之间垂直向下的中心射线相交于漏斗圆盘9的圆心与不锈钢小漏斗8圆心的连线上。当启动电机10转动时，定位盘7及其狭缝也会随电机10转动，当下一条狭缝刚好转到光敏对管6正下方时，并能够被感知到，此时通知单片机的控制电路控制电机10立刻停止转动，此刻的对应位置应该是一条通光缝7.1正对光敏对管6，由于光敏对管6与小漏斗8中心在漏斗圆盘9的同一半径线上，所以该狭缝也指向一个小漏斗8中心。那么，所有均分的25条狭缝就分别指向25个均分的小漏斗8中心，与一条通光缝7.1相对应的给水导管5一定指向其中一个小漏斗8的正中心。由此可知，当每一次启动电机10转动，光敏对管6都能检测到相邻的下一条通光缝7.1并立刻停下，此刻的给水导管5一定也对准了下一个相邻小漏斗8正中心，以此实现精确的相邻换瓶定位功能。
考虑到减少耗电，每次切换样品瓶15时有如下逻辑动作：考虑到单片机控制指令为微秒级，对取样装置的部件来说控制反应极快，足以满足要求。首先启动电机10转动，电机10带动定位盘7同时转动，之后开启光敏对管6的发光管，同时检测接收管是否收到对管发出的红外光，如果转动中光敏对管6没有碰到通光缝7.1定位槽，红外光将被完全遮挡，使对管接收管接收不到红外光，此时电机10将继续转动；如果转动中光敏对管6对到了下一个通光缝7.1狭缝槽，对管的接收管将能收到红外光，该透光信号将传输到单片机控制电路盒23。由于单片机控制速度为微秒级，并能控制电机10立刻停止转动；此刻的给水导管5一定也对准了下一个相邻小漏斗8正中心，以此实现取水样品的换瓶功能。同时关闭光敏对管6和电机10的电源，用于降低功耗，由此完成一次定位换瓶功能。
样品箱功能：样品盒16为不锈钢材料制成的有底无盖的正方形箱体，里面可以呈矩阵形式摆放5x5个圆形样品瓶15，样品盒16的长宽尺寸依据所选样品瓶15的外径，其高度略高于样品瓶15的高度。将样品瓶15集中摆放的设计有以下优点：一、方便野外携带：该样品盒可以方便坼分，在野外工作时不需要工具，直接转动蝶形螺钉22即可将样品盒与取样机分开，方便携带。例如：进入山洞时、爬山时。二、方便获取样品：分离之后，非常方便获取样品，同时为下一次取样更换空的样品瓶。三、体积小：矩阵式摆放比圆形摆放空间利用率更高，有利于缩小体积，作为野外设备，方便运输和携带。四、方便固定：传统的圆形摆放还需要考虑样品瓶固定装置，而矩阵式方形摆放就无需考虑固定装置也能相互固定且非常稳固。样品瓶15为白色专用样品瓶，考虑到某些水样品需要与光线隔离，样品瓶要选黑色。但该取样机工作时，样品瓶是放置于样品箱里，已经做到与光线隔离。所以取用白色瓶有利于水样分析时方便看到水样液面高低。一些水样品需要与空气隔离，可以在空的样品瓶15中放入一层石蜡油，这样就能保护水样，隔离空气。
分水层功能：在漏斗圆盘9之下和分水盘14之上为分水区，主要完成将流入25个小漏斗8的水样分别引流分配到下面25个样品瓶15中。本方案采用了两端带丝牙的铝制空心支柱11，共有4根，四根支柱11由螺帽固定在漏斗圆盘9和分水盘14之间，目的是起到支撑漏斗圆盘9，并使上下层相互固定且产生所需的间隔距离。每一个分水管13对准一个样品瓶口的正中心位置，通过在分水盘14上对应位置打圆孔，将25根分水管13分别对穿圆孔点焊即可固定。固定后的分水管13通过乳胶软管21与上层的对应小漏斗8出水口连接，使得不锈钢小漏斗8的样品水样能够顺利进入某一个样品瓶15中。由此，25个矩阵排列的样品瓶15将对应25个矩阵排列的焊接固定对准瓶口中心位置的分水管13。漏斗圆盘9与分水盘14之间的高度由铝管支柱11的高度控制产生，取决于乳胶软管21的上下连接位置。由于上方小漏斗8是圆形排列，下方分流管13是矩阵排列，乳胶软管21的上下连接有的会有一定距离的偏移，不可能都垂直向下。如果分水层高度不够，乳胶软管21便会产生大的弯折阻碍水的流通，所以分水层的高度应该满足乳胶软管21上下连接后不会产生阻断的弯折，里面的水流保持畅通。通过调整铝管支柱11的安装长度即可实现。中间箱体12为无顶无底的方形箱体，箱体的上下各有四条90度的折边，用于上下连接固定，同时支撑住顶盖3，8条90度的折边的边缘由直角形状调整为圆弧形，减少尖锐直角形状可能产生刺伤的危险性。折边的连接固定都采用蝶形螺钉22，非常方便在野外拆卸。中间箱体12和上方的顶盖3通过4条折边由蝶形螺钉22固定连接。中间箱体12和下方的连接分为两种形式和用途，一种是中间箱体12相对的两条折边通过蝶形螺钉22连接分水盘14，使得14分水盘之上的部分与中间箱体12连成一个整体。考虑到野外方便携带，可以整体和样品盒16分开。样品盒16与中间箱体一样有相同的弧形倒角的折边，但只有相对的两条折边，这两条折边用于和中间箱体12另外两条相对的折边用蝶形螺钉22相连接，作用在于将样品盒16与之上的中间箱体12两部分整体连接起来。而去掉样品盒16的另外两条折边，作用在于利用这两条边的位置，只连接分水盘14和中间箱12，不连接样品盒16。所以样品盒的4条边，两条没有折边，另外两条有折边用于中间箱12和样品盒16的连接。最终使得中间箱和样品盒即能自成整体又能彼此连接。样品盒16下方焊接有四个支脚17，如果样品盒16做一下防水处理，支脚17也可以不要。
工作方式的设置：该取样装置能够根据需要设置取样条件，自动判断实现取样记录功能。其中包括：（一）大雨季节：设置为大雨模式，设置取样的间隔时间为1-2天，时间到且雨停为一组样品采样结束条件应该换瓶。在此期间每一瓶按设置量装够，自动换瓶。例如设置一瓶的量为翻斗雨量传感器的30斗或60斗，它们都在单片机的监控中，设置好之后，将自动采样并做详细记录，包括：样品瓶号、取样时间和样品数量对应的斗数。（二）小雨季节：设置为小雨模式，设置取样的间隔时间为10-30天，时间到且雨停为一组样品采样结束应该换瓶。在此期间每一瓶装够设置量，自动换瓶并做详细记录，包括：样品瓶号、取样时间和样品数量对应的斗数。不论是降雨量监测或样品采集，都需要记录详细的发生时间，所以需要时间校对准确。以上设置采用上位机设置方法，通过笔记本和单片机之间的串口通信软件设置，这样可以省去多个按键和显示屏，由笔记本电脑取代完成，还可以在出发之前就设置好。这样做，可以使控制部分体积减小，更加适用于野外环境。
取样装置可以方便分体和组装，有利于各种地形的携带和搬移：针对有的野外地形汽车也无法行驶，该取样装置可以方便分解为四部分，其中包括：顶盖3之上的传感器部分、中间箱体部分12、样品盒16部分及单片机控制盒部分，它们都是通过蝶形螺钉22固定连接，不需要任何工具就能方便地分体和组装，有利于携带方便。