全自动非饱和土土水特征曲线压力板仪的制作方法

本实用新型涉及土水特征曲线试验设备，特别涉及一种设置有全自动化气泡冲刷机构和蒸发补偿机构和自动调压机构和恒温恒湿机构、使得土水检测自动化程度高和试验数据精度高的非饱和土土水特征曲线压力板仪。

背景技术：

土壤水的基质势(或土壤水吸力)随土壤含水量而变化，其关系曲线称为土水特征曲线，其主要是指非饱和土中形成的基质吸力与土中含水率或者饱和度之间的关系曲线，体现了在基质吸力作用下土体的持水能力，通过土水特征曲线能够有效的确定非饱和土的抗剪强度、渗透特性、扩散特性、体应变等，故在非饱和土力学中占有重要的地位，对土水特征曲线的试验研究多采用土水特征曲线压力板仪。

目前，土水特征曲线压力板仪存在的不足有：

1、气泡冲刷结构不能实现全自动，操作麻烦，且现有气泡冲刷结构大都比较简单，冲刷不彻底；

2、由于非饱和土实验过程长，在一定的空气温度及湿度下，试验中的水液会出现一定的蒸发量，现有实验设备缺乏对蒸发量的考虑，从而影响试验数据的精度；

3、试样加压采用手动方式，而该类试验过程持续时间长，因此出现缓慢泻压、不能自动补充气压的问题；

4、现有设备缺乏恒温恒湿的试验条件控制，从而在较长的试验周期中，不同的温度和湿度条件会对土水的试验数据造成较大的误差。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决上述技术问题，提供全自动非饱和土土水特征曲线压力板仪，该压力板仪设置有全自动化气泡冲刷机构和蒸发补偿机构和自动调压机构和恒温恒湿机构，能大大提高土水特征曲线试验数据的采集精度，且试验数据更真实客观，同时自动化程度高、可控性好。

本实用新型的技术方案是:

全自动非饱和土土水特征曲线压力板仪，它包括控制柜、及设置于控制柜上的主体试验柜，所述主体试验柜内设置有压力室、压力室底座、轴向加压机构、围压加压机构，所述压力室设置于压力室底座上，所述压力室与压力室底座间还压设有陶土板，所述压力室底座上成型有凹槽，所述陶土板与压力室底座间形成底座储水腔，所述压力室用于压设试验土样，所述轴向加压机构设置有轴向加压器，通过所述轴向加压器对试验土样施加轴向压力，所述围压加压机构用于给压力室内部提供围压压力，土样中的水分在轴向压力和围压压力作用下通过具有阻气通水功能的陶土板排出，所述底座储水腔用于收集试验土样挤出的水分，通过冲刷机构循环后由水压传感器读取排水量；

所述控制柜内设置有微控制单元mcu嵌入式控制系统，所述轴向加压器、围压加压机构还分别包括开关装置，所述微控制单元mcu嵌入式控制系统与轴向加压器、围压加压机构的开关装置连接，通过微控制单元mcu嵌入式控制系统进行轴向加压器、围压加压机构的控制；

作为改进，所述压力板仪还设置有自动冲刷气泡机构，所述自动冲刷气泡机构设置有蠕动泵、冲刷用双层刻度量管，所述蠕动泵、冲刷用双层刻度量管与压力室底座的底座储水腔构成水液循环流动路径，通过蠕动泵驱动，通过冲刷用双层刻度量管排出气泡，对底座储水腔的挤出水分进行气泡冲刷，所述蠕动泵还包括开关装置，所述微控制单元mcu嵌入式控制系统与蠕动泵的开关装置连接，通过微控制单元mcu嵌入式控制系统进行蠕动泵的控制；

作为改进，所述压力板仪还设置有蒸发补偿机构，所述蒸发补偿机构与自动冲刷气泡机构共用蠕动泵，所述蒸发补偿机构设置有蒸发用双层刻度量管，所述蒸发用双层刻度量管、通过导管与蠕动泵构成水液循环流动路径，所述蒸发补偿机构的水液与自动冲刷气泡机构的水液同步循环流动；

作为改进，所述主体试验柜为一透明罩柜体，所述透明罩柜体内部的后壁上固定有电子恒温恒湿装置，所述电子恒温恒湿装置与微控制单元mcu嵌入式控制系统相连接，通过电脑软件自动控制透明罩柜体内的温度和湿度，所述压力板仪通过设置封闭的透明罩柜体、电子恒温恒湿装置实现试验过程处于恒定的温度和湿度条件，获得更准确的试验数据；

作为改进，所述轴向加压器、围压加压机构分别通过导气管连接有一自动调压阀，并通过所述自动调压阀分别经过导气管与外部气源连接，所述自动调压阀包括开关装置，所述自动调压阀的开关装置分别与微控制单元mcu嵌入式控制系统相连接，通过微控制单元mcu嵌入式控制系统进行自动调压阀的控制，进而控制轴向加压器、围压加压机构的压力大小；

作为改进，所述控制柜的前端设置有触摸式工控计算机，所述微控制单元mcu嵌入式控制系统与触摸式工控计算机连接，通过触摸式工控计算机进行所述压力板仪的控制操作。

进一步，所述轴向加压机构包括反力框架，所述轴向加压器包括固定于反力框架底部的轴向加载气缸、及轴向加载气缸上的活塞杆，所述活塞杆连接有升降平台，所述压力室底座设置于升降平台上，所述反力框架的上部设置有轴向压缩连杆、位移传感器，所述轴向压缩连杆向下穿过压力室上部，下端依次连接轴向荷载传感器、球头，并通过上压板、透水石压设于试验土样上，所述轴向压缩连杆与压力室间设置有密封结构，所述围压加压机构通过导气管连接于压力室侧壁并与压力室导通，试验时，将试验土样压设于压力室中，所述轴向加压器通过轴向压缩连杆对试验土样施加轴向压力，同时，所述围压加压机构对压力室内部施加围压压力，试验土样中挤出的水分通过陶土板渗透至底座储水腔；

进一步，所述自动冲刷气泡机构包括蠕动泵结构、冲刷用双层刻度量管、量管储水底座，所述蠕动泵结构包括第一进水端、第一出水端、蠕动泵，通过蠕动泵驱动水液从第一进水端向第一出水端流动，所述冲刷用双层刻度量管固定于量管储水底座上，所述冲刷用双层刻度量管包括同一轴心线上设置的第一量管内管、第一量管外管，所述第一量管外管的上端高于第一量管内管的上端，所述第一量管外管的上端设置有密封盖，所述密封盖上设置有多个气孔，所述量管储水底座包括进水孔、储水腔，所述进水孔的一端与第一量管内管的下端连通，另一端通过第三导管与压力室底座的底座储水腔连通，所述量管储水底座的储水腔一端与第一量管外管的下端连通，另一端通过第一导管与蠕动泵结构的第一进水端连通，所述蠕动泵结构的第一出水端与压力室底座的底座储水腔通过第二导管连通；

所述蒸发补偿机构包括量管过水底座、及固定于量管过水底座上的蒸发用双层刻度量管，上述蠕动泵结构还包括第二进水端、第二出水端，所述蒸发补偿机构与所述自动冲刷气泡机构共用上述蠕动泵，通过蠕动泵驱动水液从第二进水端向第二出水端流动，所述蒸发用双层刻度量管包括同一轴心线上设置的第二量管内管、第二量管外管，所述第二量管外管的上端高于第二量管内管的上端，所述第二量管外管的上端设置有密封盖，所述密封盖上设置有多个气孔，所述量管过水底座包括进水孔、过水腔，所述进水孔的一端与第二量管内管的下端连通，另一端通过第四导管与蠕动泵结构的第二出水端连通，所述过水腔一端与第二量管外管的下端连通，另一端通过第五导管与蠕动泵结构的第二进水端连通；

进一步，所述量管储水底座、量管过水底座分别设置有水压传感器，所述水压传感器与微控制单元mcu嵌入式控制系统连接，通过微控制单元mcu嵌入式控制系统分别获取量管储水底座、量管过水底座的水液变化量。

进一步，所述自动调压阀包括减速电机、连接件、调压阀、固定杆、精密导轨，所述减速电机设置有开关装置，所述精密导轨竖直设置于固定杆上，所述调压阀固定设置于固定杆上，所述减速电机滑动设置于精密导轨上，所述调压阀包括调压阀拧紧转轴，所述减速电机包括输出轴，所述减速电机的输出轴通过连接件与调压阀拧紧转轴连接，减速电机正转时，带动调压阀拧紧转轴拧紧调压阀，使得调压阀的压力增加，同时调压阀拧紧转轴带动减速电机沿着精密导轨向下移动，减速电机反转时，由减速电机的输出轴带动调压阀拧紧转轴拧松调压阀，同时调压阀拧紧转轴带动减速电机沿着精密导轨向上移动，使得自动调控阀的压力减小，且所述调压阀设置有压力传感器，所述压力传感器与微控制单元mcu嵌入式控制系统连接，当调压阀的压力值变小时，由微控制单元mcu嵌入式控制系统启动减速电机正转加大压力，当调压阀的压力值变大时，由微控制单元mcu嵌入式控制系统启动减速电机反转减小压力，从而将自动调压阀的压力值控制为一恒定值。

冲刷过程：

打开冲刷用双层刻度量管上的密封盖，从顶部将无气水灌入冲刷用双层刻度量管内，将第一量管内管灌满，将第一量管外管的水位灌到初始水位值，盖上密封盖，通过微控制单元mcu嵌入式控制系统启动冲刷，系统将自动启动蠕动泵，无气水依次通过第一量管外管、储水腔、第一导管，并由第一进水端流入蠕动泵，由蠕动泵驱动，无气水依次通过第一出水端、第二导管进入压力室底座的底座储水腔，并由无气水带动底座储水腔中的挤出水液一起通过第三导管流出，并通过量管储水底座的进水孔进入第一量管内管，第一量管内管的水液逐渐增加并满溢出，满溢时的水液向下进入第一量管外管，水液中的气泡向上通过密封盖的气孔排出，第一量管外管中的水液依此过程继续循环，直至冲刷用双层刻度量管内再无气泡排出后停止冲刷。

试验开始后，不要再改变自动冲刷气泡机构中的水液量，保持初始水液量不变，在试验过程中，可根据需要随时冲刷系统，因为第一量管内管中的水量永远是满的，第一量管外管的水量增加即试验过程中试验土样所有挤出的含水量。

所述密封盖用于密封冲刷用双层刻度量管内的水和减少蒸发。

蒸发补偿原理：

蒸发补偿机构与自动冲刷气泡机构同步开启，即在冲刷过程开始的同时，打开蒸发用双层刻度量管的第二量管外管上端的密封盖，灌入无气水，将第二量管内管灌满，将第二量管外管的水位灌到初始水位值，再盖好密封盖减少水份蒸发，与蒸发补偿机构同理，通过微控制单元mcu嵌入式控制系统同步启动蒸发补偿机构的水液循环流动，所述蒸发补偿机构的水液循环流动为内部循环流动，由于蒸发补偿机构与自动冲刷气泡机构量管内的水液运行速度一样，同步循环流动，相同时间段，蒸发补偿机构中的水液蒸发量与自动冲刷气泡机构中的水液蒸发量相同，所述蒸发补偿机构中的水液蒸发量由蒸发补偿机构中的水液量差获得，通过对自动冲刷气泡机构补充该水液蒸发量，得到自动冲刷气泡机构中准确的水液量。

本实用新型全自动非饱和土土水特征曲线压力板仪,其有益效果有：

1、采用全自动化气泡冲刷机构，循环冲刷气泡，消除气泡更彻底，使得试验数据更准确；

2、采用蒸发补偿来消除试验过程中的蒸发误差，试验数据更准确真实；

3、采用水压计自动采集水量数据，能消除人眼读数误差；

4、采用自动调压机构，来确保较长试验过程中的压力值恒定，且在断电或其他外在因素突然干扰时，自动调压机构能维持压力值不变；

5、采用恒温恒湿罩设机构，能避免温度和湿度变化对土水试验数据造成的误差。

6、试验过程基本采用自动化模式，操作简便，数据采集精度高。

附图说明

图1，为本实用新型全自动非饱和土土水特征曲线压力板仪的立体图；

图2，为图1所示实施例的的蒸发补偿机构与自动冲刷气泡机构的立体图；

图3，为图1所示实施例的局部结构图一；

图4，为图1所示实施例的的自动调压阀的立体图；

图5，为图1所示实施例的气路图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步说明：

实施例：

全自动非饱和土土水特征曲线压力板仪，它包括控制柜1、及设置于控制柜上的主体试验柜12，所述主体试验柜内设置有压力室3、压力室底座4、轴向加压机构5、围压加压机构2，所述压力室3设置于压力室底座4上，所述压力室与压力室底座间还压设有陶土板42，所述压力室底座上成型有凹槽，所述陶土板与压力室底座间形成底座储水腔41，所述压力室用于压设试验土样43，所述轴向加压机构5设置有轴向加压器，通过所述轴向加压器对试验土样施加轴向压力，所述围压加压机构用于给压力室内部提供围压压力，土样中的水分在轴向压力和围压压力作用下通过具有阻气通水功能的陶土板排出，所述底座储水腔用于收集试验土样挤出的水分，通过冲刷机构循环后由水压传感器读取排水量；

所述控制柜1内设置有微控制单元mcu嵌入式控制系统，所述轴向加压器、围压加压机构还分别包括开关装置，所述微控制单元mcu嵌入式控制系统与轴向加压器、围压加压机构的开关装置连接，通过微控制单元mcu嵌入式控制系统进行轴向加压器、围压加压机构的控制；

所述压力板仪还设置有自动冲刷气泡机构6，所述自动冲刷气泡机构6设置有蠕动泵61、冲刷用双层刻度量管62，所述蠕动泵61、冲刷用双层刻度量管62与压力室底座的底座储水腔41构成水液循环流动路径，通过蠕动泵驱动，通过冲刷用双层刻度量管排出气泡，对底座储水腔的挤出水分进行气泡冲刷，所述蠕动泵还包括开关装置，所述微控制单元mcu嵌入式控制系统与蠕动泵的开关装置连接，通过微控制单元mcu嵌入式控制系统进行蠕动泵的控制；

所述压力板仪还设置有蒸发补偿机构9，所述蒸发补偿机构与自动冲刷气泡机构共用蠕动泵，所述蒸发补偿机构设置有蒸发用双层刻度量管91，所述蒸发用双层刻度量管、通过导管与蠕动泵构成水液循环流动路径，所述蒸发补偿机构的水液与自动冲刷气泡机构的水液同步循环流动；

所述主体试验柜12为一透明罩柜体，所述透明罩柜体内部的后壁上固定有电子恒温恒湿装置8，所述电子恒温恒湿装置与微控制单元mcu嵌入式控制系统相连接，通过电脑软件自动控制透明罩柜体内的温度和湿度，所述压力板仪通过设置封闭的透明罩柜体、电子恒温恒湿装置实现试验过程处于恒定的温度和湿度条件，获得更准确的试验数据；

如图5，所述轴向加压器、围压加压机构分别通过导气管连接有一自动调压阀7，并通过所述自动调压阀分别经过导气管与外部气源71连接，所述自动调压阀包括开关装置，所述自动调压阀的开关装置分别与微控制单元mcu嵌入式控制系统相连接，通过微控制单元mcu嵌入式控制系统进行自动调压阀的控制，进而控制轴向加压器、围压加压机构的压力大小，图5中，77a为干燥过滤器，77b为调压阀，77c为压力表，77d为电磁换向阀；

所述控制柜1的前端设置有触摸式工控计算机11，所述微控制单元mcu嵌入式控制系统与触摸式工控计算机连接，通过触摸式工控计算机进行所述压力板仪的控制操作。

所述轴向加压机构5包括反力框架51，所述轴向加压器包括固定于反力框架底部的轴向加载气缸52、及轴向加载气缸上的活塞杆53，所述活塞杆连接有升降平台54，所述压力室底座4设置于升降平台54上，所述反力框架51的上部设置有轴向压缩连杆55、位移传感器56，所述轴向压缩连杆向下穿过压力室上部，下端依次连接轴向荷载传感器57a、球头57b，并通过上压板57c、透水石57d压设于试验土样上，所述轴向压缩连杆与压力室间设置有密封结构，所述围压加压机构2通过导气管连接于压力室侧壁并与压力室导通，试验时，将试验土样压设于压力室中，所述轴向加压器通过轴向压缩连杆对试验土样施加轴向压力，同时，所述围压加压机构对压力室内部施加围压压力，试验土样中挤出的水分通过陶土板渗透至底座储水腔；

进一步，所述自动冲刷气泡机构6包括蠕动泵结构、冲刷用双层刻度量管62、量管储水底座63，所述蠕动泵结构包括第一进水端、第一出水端、蠕动泵61，通过蠕动泵驱动水液从第一进水端向第一出水端流动，所述冲刷用双层刻度量管62固定于量管储水底座63上，所述冲刷用双层刻度量管62包括同一轴心线上设置的第一量管内管62a、第一量管外管62b，所述第一量管外管的上端高于第一量管内管的上端，所述第一量管外管的上端设置有密封盖64，所述密封盖上设置有多个气孔，所述量管储水底座包括进水孔、储水腔，所述进水孔的一端与第一量管内管的下端连通，另一端通过第三导管65与压力室底座的底座储水腔41连通，所述量管储水底座的储水腔一端与第一量管外管的下端连通，另一端通过第一导管66与蠕动泵结构的第一进水端连通，所述蠕动泵结构的第一出水端与压力室底座的底座储水腔通过第二导管67连通；

所述蒸发补偿机构9包括量管过水底座92、及固定于量管过水底座上的蒸发用双层刻度量管91，上述蠕动泵结构还包括第二进水端、第二出水端，所述蒸发补偿机构与所述自动冲刷气泡机构共用上述蠕动泵，通过蠕动泵驱动水液从第二进水端向第二出水端流动，所述蒸发用双层刻度量管91包括同一轴心线上设置的第二量管内管91a、第二量管外管91b，所述第二量管外管的上端高于第二量管内管的上端，所述第二量管外管的上端设置有密封盖93，所述密封盖上设置有多个气孔，所述量管过水底座包括进水孔、过水腔，所述进水孔的一端与第二量管内管的下端连通，另一端通过第四导管94与蠕动泵结构的第二出水端连通，所述过水腔一端与第二量管外管的下端连通，另一端通过第五导管95与蠕动泵结构的第二进水端连通；

所述量管储水底座、量管过水底座分别设置有水压传感器96，所述水压传感器与微控制单元mcu嵌入式控制系统连接，通过微控制单元mcu嵌入式控制系统分别获取量管储水底座、量管过水底座的水液变化量。

所述自动调压阀7包括减速电机72、连接件73、调压阀74、固定杆75、精密导轨76，所述减速电机设置有开关装置，所述精密导轨竖直设置于固定杆上，所述调压阀固定设置于固定杆上，所述减速电机滑动设置于精密导轨上，所述调压阀74包括调压阀拧紧转轴74a，所述减速电机包括输出轴，所述减速电机的输出轴通过连接件与调压阀拧紧转轴连接，减速电机正转时，带动调压阀拧紧转轴拧紧调压阀，使得调压阀的压力增加，同时调压阀拧紧转轴带动减速电机沿着精密导轨向下移动，减速电机反转时，由减速电机的输出轴带动调压阀拧紧转轴拧松调压阀，同时调压阀拧紧转轴带动减速电机沿着精密导轨向上移动，使得自动调控阀的压力减小，且所述调压阀设置有压力传感器，所述压力传感器与微控制单元mcu嵌入式控制系统连接，当调压阀的压力值变小时，由微控制单元mcu嵌入式控制系统启动减速电机正转加大压力，当调压阀的压力值变大时，由微控制单元mcu嵌入式控制系统启动减速电机反转减小压力，从而将自动调压阀的压力值控制为一恒定值。

冲刷过程：

打开冲刷用双层刻度量管上的密封盖，从顶部将无气水灌入冲刷用双层刻度量管内，将第一量管内管灌满，将第一量管外管的水位灌到初始水位值，盖上密封盖，通过微控制单元mcu嵌入式控制系统启动冲刷，系统将自动启动蠕动泵，无气水依次通过第一量管外管、储水腔、第一导管，并由第一进水端流入蠕动泵，由蠕动泵驱动，无气水依次通过第一出水端、第二导管进入压力室底座的底座储水腔，并由无气水带动底座储水腔中的挤出水液一起通过第三导管流出，并通过量管储水底座的进水孔进入第一量管内管，第一量管内管的水液逐渐增加并满溢出，满溢时的水液向下进入第一量管外管，水液中的气泡向上通过密封盖的气孔排出，第一量管外管中的水液依此过程继续循环，直至冲刷用双层刻度量管内再无气泡排出后停止冲刷。

试验开始后，不要再改变自动冲刷气泡机构中的水液量，保持初始水液量不变，在试验过程中，可根据需要随时冲刷系统，因为第一量管内管中的水量永远是满的，第一量管外管的水量增加即试验过程中试验土样所有挤出的含水量。

所述密封盖用于密封冲刷用双层刻度量管内的水和减少蒸发。

蒸发补偿原理：

蒸发补偿机构与自动冲刷气泡机构同步开启，即在冲刷过程开始的同时，打开蒸发用双层刻度量管的第二量管外管上端的密封盖，灌入无气水，将第二量管内管灌满，将第二量管外管的水位灌到初始水位值，再盖好密封盖减少水份蒸发，与蒸发补偿机构同理，通过微控制单元mcu嵌入式控制系统同步启动蒸发补偿机构的水液循环流动，所述蒸发补偿机构的水液循环流动为内部循环流动，由于蒸发补偿机构与自动冲刷气泡机构量管内的水液运行速度一样，同步循环流动，相同时间段，蒸发补偿机构中的水液蒸发量与自动冲刷气泡机构中的水液蒸发量相同，所述蒸发补偿机构中的水液蒸发量由蒸发补偿机构中的水液量差获得，通过对自动冲刷气泡机构补充该水液蒸发量，得到自动冲刷气泡机构中准确的水液量。

以上已将本实用新型做一详细说明，以上所述，仅为本实用新型之较佳实施例而已，当不能限定本实用新型实施范围，即凡依本申请范围所作一般技术手段的增减或替换，皆应仍属本实用新型涵盖范围内。