一种自动化测量不同坡段土壤侵蚀的装置的制作方法

本发明涉及土壤侵蚀模拟装置领域，具体涉及一种自动化测量不同坡段土壤侵蚀的装置。

背景技术：

土壤侵蚀是当前全球面临的重大生态环境问题。中国是世界上土壤侵蚀最为严重的国家之一，根据第一次全国水利普查成果，中国现有土壤侵蚀总面积294.9万平方千米，占普查范围总面积的31.1％。土壤侵蚀可加剧土地退化，威胁粮食安全；同时，土壤侵蚀也可导致江河湖库淤积，诱发洪涝灾害，威胁人民生命及财产安全。因此，研究土壤侵蚀动力过程与机理，对土壤侵蚀防治具有重要的理论价值和现实意义。

土壤侵蚀模拟装置可有效模拟和定量分析其侵蚀过程及相关因素的作用机理。然而，目前常见的土壤侵蚀装置具有以下缺点：土壤侵蚀装置在覆土之后需较多的人力才能移动，其移动性较差；常忽略或难以测量室外自然降雨条件下的土壤侵蚀情况，造成土壤侵蚀装置在人工与自然降雨条件下的土壤侵蚀数据缺乏对比性；土壤侵蚀装置坡段级数过少，难以模拟和观测连续坡面(如间作群体种间行和种内行的连续坡面)的土壤侵蚀过程；土壤侵蚀装置的智能化程度较低，径流和泥沙量的取样和测定等操作需要在人工的监视及人力操作下完成，费时费力且存在较大误差，其数据精确度较低。

技术实现要素：

本发明为了解决上述技术问题，提供了一种自动化测量不同坡段土壤侵蚀的装置，该装置由以下结构组成：

一种自动化测量不同坡段土壤侵蚀的装置，其特征在于，包括：自动行走系统、土壤侵蚀模拟系统和遥控操作面板，自动行走系统包括底盘箱、行走轮和固定于底盘箱中的驱动电机、控制器、动力电池和自动驾驶仪，行走轮固定于底盘箱底部，行走轮包括底盘箱右侧的一对驱动轮和左侧的一对转向轮，驱动电机通过主动轴与驱动轮连接，主动轴通过传动轴与转向轮连接，转向轮上固定有舵机，自动驾驶仪与舵机连接，所述的控制器与动力电池连接，驱动电机和自动驾驶仪与控制器连接，底盘箱中还固定有电动千斤顶，电动千斤顶的支撑板固定于侵蚀槽的底部，电动千斤顶与控制器连接，底盘箱的两侧对称设有侧箱，侧箱顶部开口，侧箱内放置有收集桶和蓄水桶，收集桶上固定有桶盖，桶盖上固定有收集管、水位传感器和刻度识别传感器，收集管呈倒y字型，收集管的一个支管，也即a管与桶盖连接且其上设有电磁阀，电磁阀与控制器连接，a管外侧附有数据连接线，刻度识别传感器通过数据连接线与控制器连接，数据连接线可将刻度识别传感器识别的数据传输至控制器中，收集管的另一支管，也即b管与泄流管连接，泄流管上设有与控制器连接的电磁阀，泄流管伸出侧箱外部；收集桶的顶部固定有高压喷淋管，高压喷淋管伸入收集桶的内部且高压喷淋管的端部与高压喷头连接，高压喷淋管与水压增强泵连接，水压增强泵与自来水进水管连接，自来水进水管与水泵连接，水泵置于蓄水桶内，水泵、水压增强泵均与动力电池及控制器连接，收集桶底部固定有高精度电子秤，收集桶的底部设有排泄管，排泄管伸出侧箱外部，高压喷淋管和排泄管上设有电磁阀，电磁阀、水位传感器、刻度识别传感器和电子秤与控制器连接；

所述的土壤侵蚀模拟系统包括侵蚀箱，侵蚀箱与底盘箱铰接，侵蚀箱顶部开口，侵蚀箱的底板上铺设有一层角钢，角钢上方固定有渗流板，渗流板由不锈钢板和镀锌层组成，渗流板上开有贯通的渗流孔，渗流板的四周粘贴固定于侵蚀箱的箱壁上，渗流板将侵蚀箱分隔为上方的侵蚀室和下方的渗流收集室，渗流收集室的右面板底部设有渗流管接口，渗流管接口上连接有渗流管，渗流管与侧箱中的收集桶的收集管连接，侵蚀箱的前面板和后面板顶部开有带有刻度线的条形插槽，条形插槽上固定有径流拦截板，侵蚀箱的顶部的前后两侧固定有衔接板，衔接板的结合面上设有一排插块，侵蚀箱上开有插接槽，衔接板的插块插在插接槽中形成固定，衔接板上开有贯通的直插孔，直插孔上塞有孔塞，侵蚀箱的径流拦截板上固定有径流管，径流管穿过直插孔后与收集桶上的收集管连接，收集管呈倒y字型，侵蚀箱的右端固定有悬挑的梯形状径流拦截箱，径流拦截箱为顶板、底板和右侧的梯形围挡板组成的左侧开口的箱体结构，径流拦截箱的梯形围挡板上设有径流管接口，径流管接口上连接有径流管，径流管与侧箱中的收集桶的收集管连接；

所述的径流拦截板呈梯形并由两块斜板和一块水平连接板组成一体式结构，水平连接板上设有径流管接口，两块斜板的边侧固定有挂钩，挂钩插入侵蚀箱两侧的条状插槽中并可沿条状插槽滑动，挂钩通过弹性挤压柱固定于条状插槽的槽壁上，条状插槽的顶部和底部各设有一个刻度识别传感器，每个径流拦截板的挂钩处固定有刻度识别传感器，挂钩上的刻度识别传感器将识别的刻度值传输至控制器中，相邻的两个径流拦截板之间的刻度识别传感器之差为该坡段的侵蚀长度，侵蚀长度与侵蚀箱的宽度也即侵蚀宽度的乘积即为侵蚀面积，径流拦截板上的刻度识别传感器与径流收集桶内设置的水位传感器及电子秤一一对应；

所述的遥控操作面板包括壳体，壳体上设有显示屏和操作按钮，操作按钮包括数据读取按钮、电源开关按钮、行走调节按钮、坡段调节按钮、时间设定按钮、开始按钮、增加按钮、减小按钮和导航按键盘，遥控操作面板与底盘箱中的控制器无线通讯连接。

进一步的，所述的侵蚀槽的前面板和后面板上各开有3个插孔，条状插槽中可根据需求最多固定6个径流拦截板，径流拦截板上螺纹连接的径流管交替从衔接板上的插孔中伸出并分别与收集桶的收集管连接，两侧的侧箱中各设置有4个收集桶和1和蓄水桶，8个收集桶中的7个与径流管连接的为径流收集桶，另外1个固定与渗流管连接的为渗流收集桶。

进一步的，所述的径流拦截板的板高4cm，斜板之间的夹角为175°，径流拦截板选用透明的亚克力板制成。

进一步的，所述的渗流板为镀锌钢板，侵蚀箱与底盘箱通过活页连接，渗流板通过玻璃胶粘贴于侵蚀箱的内壁上。

进一步的，所述的遥控操作面板的壳体中内置有可编程处理器和无线发射模块，无线发射模块、显示屏和操作按钮与可编程微处理器连接，底盘箱中的控制器中设有无线接收模块和单片机，无线接收模块与单片机连接，遥控操作面板的无线发射模块与控制器的无线接收模块通过无线信号通讯连接。

本发明的有益效果：侵蚀面积智能识别、侵蚀数据，如径流量和泥沙量可直接读取，省时省力；同时，径流的收集时间由电磁阀精确控制，提高了试验精度；另外，整个装置移动可远程操作进行，方便移动至室外进行自然降雨下的土壤侵蚀试验，并与室内人工降雨下的土壤侵蚀试验进行对比；本装置侵蚀箱的坡度连续可调，操作方便；坡面分段级数多，且可根据需求设置，以观测不同坡段的土壤侵蚀情况，更重要的是，通过沿坡面至上而下地逐一拆除径流拦截板，有利于了解和掌握连续坡面发生土壤侵蚀的水力学过程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种自动化测量不同坡段土壤侵蚀的装置的整体结构示意图；

图2是所述的底盘箱与侧箱的装配结构示意图；

图3是所述的底盘箱的结构示意图；

图4是所述的侵蚀箱的结构示意图；

图5是所述的侵蚀箱的各部件结构示意图；

图6是所述的径流拦截板的结构示意图；

图7是所述的刻度识别传感器的布置结构图；

图8是所述的遥控操作面板的外观结构示意图；

图9是所述的遥控操作面板的控制原理示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-自动行走系统，2-土壤侵蚀模拟系统，3-收集桶，4-径流拦截板，5-遥控操作面板，6-电动千斤顶，11-底盘箱，12-侧箱，13-自动驾驶仪，14-控制器，15-动力电池，16-驱动电机,17-驱动轮，18-转向轮，21-侵蚀箱，22-角钢，23-渗流板，24-衔接板，31-桶盖，32-收集管，321-a管，322-b管，33-泄流管，34-电磁阀，35-水位传感器，36-电子秤，37-蓄水桶，38-水泵，39-自来水进水管，41-斜板，42-径流管接口，43-挂钩，431-弹性挤压柱，44-径流管，51-壳体，61-支撑板，111-门板，112-把手，171-主动轴，181-舵机，201-渗流收集室，202-侵蚀室，211-径流拦截箱，212-条状插槽，213-径流管接口，214-渗流管接口，215-插接槽，231-不锈钢板，232-镀锌层，233-渗流孔，241-直插孔，242-孔塞，243-插块，391-水压增强泵，392-高压喷淋管，393-排泄管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1-8所示，一种自动化测量不同坡段土壤侵蚀的装置，包括自动行走系统1、土壤侵蚀模拟系统2和遥控操作面板5，自动行走系统包括底盘箱、行走轮和固定于底盘箱11中的驱动电机16、控制器14、动力电池15和自动驾驶仪13，行走轮17固定于底盘箱底部，行走轮包括底盘箱右侧的一对驱动轮17和左侧的一对转向轮18，驱动电机16通过主动轴171与驱动轮17连接，主动轴171通过传动轴与转向轮18连接，转向轮上固定有舵机181，自动驾驶仪13与舵机181连接，所述的控制器14与动力电池15连接，驱动电机16和自动驾驶仪13与控制器14连接，底盘箱11中还固定有电动千斤顶6，电动千斤顶6的支撑板61固定于侵蚀槽21的底部，电动千斤顶6与控制器14连接，底盘箱11的两侧对称设有侧箱12，侧箱12顶部开口，侧箱12内放置有收集桶3和蓄水桶37，收集桶3上固定有桶盖31，桶盖31上固定有收集管32、水位传感器35和刻度识别传感器，收集管32呈倒y字型，收集管32的一个支管也即a管321与桶盖连接且其上设有电磁阀34，电磁阀34与控制器14连接，b管与泄流管33连接，泄流管33伸出侧箱12外部；收集桶3的顶部固定有高压喷淋管392，高压喷淋管392伸入收集桶3的内部且高压喷淋管392的端部与高压喷头连接，高压喷淋管392与水压增强泵391连接，水压增强泵391与自来水进水管39连接，自来水进水管39与水泵38连接，水泵38置于蓄水桶37内，水泵38、水压增强泵391均与动力电池15及控制器14连接，收集桶3底部固定有高精度电子秤36，收集桶3的底部设有排泄管393，排泄管393伸出侧箱12外部，高压喷淋管392和排泄管393上设有电磁阀34，电磁阀34、水位传感器35和电子秤36与控制器连接；

所述的土壤侵蚀模拟系统包括侵蚀箱21，侵蚀箱21与底盘箱11铰接，侵蚀箱21顶部开口，侵蚀箱21的底板上铺设有一层角钢22，角钢22上方固定有渗流板23，渗流板23由不锈钢板231和镀锌层232组成，渗流板23上开有贯通的渗流孔233，渗流板23的四周粘贴固定于侵蚀箱21的箱壁上，渗流板23将侵蚀箱21分隔为上方的侵蚀室202和下方的渗流收集室201，渗流收集室201的右面板底部设有渗流管接口214，渗流管接口214上连接有渗流管，渗流管与侧箱中的收集桶3的收集管32连接，侵蚀箱21的前面板和后面板顶部开有条状插槽212，条状插槽212上固定有径流拦截板4，侵蚀箱21的顶部的前后两侧固定有衔接板24，衔接板24的结合面上设有一排插块243，侵蚀箱21上开有插接槽215，衔接板24的插块243插在插接槽215中形成固定，衔接板24上开有贯通的直插孔241，直插孔241上固定有孔塞242，侵蚀箱21的径流拦截板上固定有径流管44，径流管44穿过直插孔241后与收集桶上的收集管32连接，侵蚀箱21的右端固定有悬挑的梯形状径流拦截箱211，径流拦截箱211为顶板、底板和右侧的梯形围挡板组成的左侧开口的箱体结构，径流拦截箱211的梯形围挡板上设有径流管接口214，径流管接口214上连接有径流管44，径流管44与侧箱中的收集桶的收集管32连接；

所述的径流拦截板4呈梯形并由两块斜板41和一块水平连接板组成一体式结构，水平连接板上设有径流管接口42，斜板41的边侧固定有与水平连接板平行的挂钩43，挂钩43插入侵蚀箱21两侧的条状插槽212中并可沿条状插槽212滑动，挂钩43通过弹性挤压柱431固定于条状插槽212的槽壁上，条状插槽212的顶部和底部各设有一个长刻度识别传感器，每个径流拦截板的挂钩处固定有刻度识别传感器，挂钩43上的刻度识别传感器将识别的刻度值传输至控制器中，相邻的两个径流拦截板之间的刻度识别传感器之差为该坡段的侵蚀长度，侵蚀长度与侵蚀箱的宽度也即侵蚀宽度的乘积即为侵蚀面积，径流拦截板4上的刻度识别传感器与径流收集桶内设置的水位传感器及电子秤一一对应；

所述的遥控操作面板5包括壳体51，壳体51上设有显示屏和操作按钮，操作按钮包括数据读取按钮、电源开关按钮、行走调节按钮、坡段调节按钮、时间设定按钮、开始按钮、增加按钮、减小按钮和导航按键盘，遥控操作面板5与底盘箱中的控制器无线通讯连接。

其中，所述的侵蚀槽21的前面板和后面板上各开有3个直插孔，条状插槽中可根据需求最多固定6个径流拦截板4，径流拦截板4上螺纹连接的径流管44交替从衔接板24上的直插孔241中伸出并分别与收集桶3的收集管连接，两侧的侧箱12中各设置有4个收集桶3和1和蓄水桶，8个收集桶3中的7个与径流管44连接的为径流收集桶，1个与渗流管固定连接的为渗流收集桶。

其中，所述的径流拦截板4的板高4cm，斜板41之间的夹角为175°，径流拦截板4选用透明的亚克力板制成。

其中，所述的渗流板23为镀锌钢板，侵蚀箱21与底盘箱11通过活页连接，渗流板23通过玻璃胶粘贴于侵蚀箱21的内壁上。

其中，所述的遥控操作面板5的壳体51中内置有可编程处理器和无线发射模块，无线发射模块、显示屏和操作按钮与可编程微处理器连接，底盘箱中的控制器14中设有无线接收模块和单片机，无线接收模块与单片机连接，遥控操作面板5的无线发射模块与控制器14的无线接收模块通过无线信号通讯连接。

本装置的一个具体应用为：将侵蚀箱21的侵蚀室202中填满土壤，土壤高度略小于侵蚀箱的的高度，然后按玉米单作、马铃薯单作和玉米马铃薯间作将玉米和马铃薯分别种植于侵蚀室中，玉米单作和马铃薯单作的行距均为60cm，株距分别为20cm和30cm，玉米马铃薯间作(2:2行比模式)的种内行和种间行行距均为40cm，其株距与单作株距相同，待作物生长至马铃薯开花期和玉米抽雄期，将径流拦截板4的挂钩43插入侵蚀箱21的条形凹槽212中，然后根据单作与间作的行距再结合条形凹槽自带的刻度线进行调节，最后将挂钩43固定于侵蚀箱21的条形凹槽212中即可将单作玉米和单作马铃薯的种内行，间作玉米马铃薯的种内行和种间行于土壤表层分隔为若干坡段，相邻的两个坡段之间被径流拦截板4隔成相互独立的侵蚀区域。

当需要进行室内人工模拟降雨条件下的土壤侵蚀试验时，操作遥控操作面板5上的驱动电机16和自动驾驶仪13操作按钮，控制器14在接收信号指令后分别向驱动电机16和自动驾驶仪13输出控制指令，驱动电机16通过主动轴171和传动轴控制驱动轮17和转向轮18运动，而自动驾驶仪13将控制舵机18发生转向以实现转动轮18的转向，通过调节遥控操作面板5使本装置移动至人工模拟降雨区，当需要进行室外自然降雨条件下的土壤侵蚀试验时，通过调节遥控操作面板5使本装置移动至室外自然降雨待测区即可，整个移动过程简单、方便，无需大量的人力投入。

当本装置进入人工模拟降雨区内或自然降雨待测区，操作遥控操作面板5并按下电动千斤顶6的操作按钮，遥控操作面板5的无线发射模块发射出无线电波，控制器14的无线接收模块接收无线电波后，控制器14驱动电动千斤顶6上升或者下降，使侵蚀箱21顶起形成不同坡度(如5°、10°、15°)，从而进行不同坡度下玉米马铃薯不同种内行或(和)种间行的土壤侵蚀试验；

在人工模拟降雨或自然降雨条件下进行试验时，通过遥控操作面板5设定径流的收集时间，启动开始按钮，收集管a管电磁阀打开，收集管b管电磁阀关闭，玉米马铃薯不同种内行或(和)种间行产生的径流(包括泥沙)将从固定于径流拦截板4上的径流管44流入至收集桶3中，当设定的收集时间到达后，控制器14将驱动收集管a管电磁阀34关闭，收集管b管电磁阀打开，多余的径流(包括泥沙)将从收集管32的另一条支管流入泄流管33中并被排出箱体之外；当径流收集结束后，操控遥控操作面板5上的数据读取按钮，通过读取过径流收集桶中的水位传感器与高精度电子秤数据，然后结合壳体中内置的可编程处理器直接显示土壤侵蚀数据(径流量:lmin^-110m^-2；泥沙量：gmin^-110m^-2)。

土壤表面在发生径流的同时，部分雨水在土壤孔隙中运动将形成渗流，在渗流收集时间(与径流收集时间相等)范围内，渗流从侵蚀室202中达到渗流板23处并穿过渗流孔233后汇集于渗流收集室201中，渗流从渗流管接口214流入收集管a管中并最终收集于收集桶3中，当设定的收集时间到达后，控制器14将驱动收集管a管电磁阀34关闭，收集管b管电磁阀打开，多余的渗流将从收集管32的另一条支管流入泄流管33中并被排出箱体之外，当渗流收集结束后，操控遥控操作面板5上的数据读取按钮，通过读取过水位传感器数据，然后结合壳体中内置的可编程处理器直接显示渗流数据(渗流量:lmin^-110m^-2)。

数据读取完成后，通过内置程序，控制器启动收集桶的径流和渗流的排泄及清洗程序，开始时打开收集桶桶底一侧的排泄管电磁阀进行径流与渗流的排泄，然后启动蓄水桶的水泵，水泵将自来水泵入自来水管，然后进入水压增强器，同时打开高压喷淋管电磁阀，水在高压作用下经高压喷头喷出，用于清洗收集桶桶内的残留泥沙量，清洗结束后，蓄水桶的水泵和水压增强器停止工作，高压喷淋管电磁阀关闭，待收集桶内残留的水排尽后，收集桶桶底一侧的排泄管电磁阀关闭。

当完成玉米马铃薯不同种内行或(和)种间行各个独立的侵蚀区域的土壤侵蚀试验后，将径流拦截从上自下逐一拆除，玉米马铃薯单作种植则形成两个、三个、四个、五个或更多的玉米(或马铃薯)种内行的连续坡面，玉米马铃薯间作则形成玉米(或马铃薯)种内行--玉米马铃薯种间行、玉米(或马铃薯)种内行--玉米马铃薯种间行--马铃薯(或玉米)种内行、玉米(或马铃薯)种内行--玉米马铃薯种间行--马铃薯(或玉米)种内行--玉米马铃薯种间行、玉米(或马铃薯)种内行--玉米马铃薯种间行--马铃薯(或玉米)种内行--玉米马铃薯种间行--玉米(或马铃薯)种内行......或更多的连续坡面。

然后操作遥控操作面板5并按下电动千斤顶6的操作按钮，遥控操作面板5的无线发射模块发射出无线电波，控制器14的无线接收模块接收无线电波后，控制器14驱动电动千斤顶6上升或者下降，使侵蚀箱21顶起形成不同坡度(如5°、10°、15°)，从而进行不同坡度下玉米马铃薯单作群体和间作群体不同种内行或(和)种内行玉种间行连续坡面的土壤侵蚀试验。

试验完成后的收集桶的清洗以及其他试验过程均同上。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。