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一种模拟岩石裂隙及测量根系在裂隙中的径向压力的装置

一种模拟岩石裂隙及测量根系在裂隙中的径向压力的装置

IPC分类号 : G01L5/00

申请号
CN201710034924.7
可选规格
  • 专利类型: 发明专利
  • 法律状态: 有权
  • 申请日: 2017-01-18
  • 公开号: CN106768560A
  • 公开日: 2017-05-31
  • 主分类号: G01L5/00
  • 专利权人: 三峡大学

专利摘要

一种模拟岩石裂隙及测量根系在裂隙中的径向压力的装置,包括夹具、压力采集系统、数据存储分析系统;所述夹具包括固定外壳体、上夹板、下夹板、调节夹板和楔形塞,以模拟岩石裂隙;植物的根系穿过夹具,夹具内设有压力传感器,压力传感器与压力采集系统通过第一数据线连接,压力采集系统与数据存储分析系统中的处理器通过第二数据线连接。采用上述结构,能够模拟岩石裂隙,并使得植物根系在类似岩石裂隙的环境中生长,同时测量根系在生长过程中对岩壁产生的径向压力,还可长期监测根系的生长过程及压力的变化过程,为研究植物根系的破岩规律提供重要的基础数据。

权利要求

1.一种模拟岩石裂隙及测量根系在裂隙中的径向压力的装置,包括夹具(1)、压力采集系统(2)、数据存储分析系统(3),其特征是:植物(11)的根系(12)穿过夹具(1),夹具(1)内设有压力传感器(4),压力传感器(4)与压力采集系统(2)通过第一数据线(5)连接,压力采集系统(2)与数据存储分析系统(3)中的处理器(9)通过第二数据线(10)连接;

所述的夹具(1)包括固定外壳体(13),固定外壳体(13)为U形柱状结构体,固定外壳体(13)内设有平行设置的上夹板(14)和下夹板(15),压力传感器(4)固定在下夹板(15)顶面上,固定外壳体(13)相对于开口侧的另一侧上设有预留孔(20),根系(12)穿过预留孔(20)和固定外壳体(13)开口侧,根系(12)位于固定外壳体(13)内的部分由上夹板(14)和下夹板(15)之间穿过。

2.根据权利要求1所述的一种模拟岩石裂隙及测量根系在裂隙中的径向压力的装置,其特征在于:所述的压力采集系统(2)还包括数据采集电路(7),压力传感器(4)与数据采集电路(7)连接,数据采集电路(7)与数据存储分析系统(3)连接。

3.根据权利要求1所述的一种模拟岩石裂隙及测量根系在裂隙中的径向压力的装置,其特征在于:所述的第一数据线(5)由多根数据线组成,第一数据线(5)的一端通过接头(8)与压力传感器(4)连接,接头(8)做防水处理,第一数据线(5)的另一端设置防水盒(6),测量时将端头从防水盒(6)中取出,与数据采集电路(7)的连接。

4.根据权利要求1所述的一种模拟岩石裂隙及测量根系在裂隙中的径向压力的装置,其特征在于:所述的固定外壳体(13)相对的两个侧壁的内侧上设有多组凹槽(18),上夹板(14)和下夹板(15)通过凹槽(18)与固定外壳体(13)相对固定设置。

5.根据权利要求1所述的一种模拟岩石裂隙及测量根系在裂隙中的径向压力的装置,其特征在于:所述的上夹板(14)上设有螺纹孔(21),定位螺丝(19)通过螺纹孔(21)与上夹板(14)连接,定位螺丝(19)位于上夹板(14)下方的一端上设有调节压板(16)。

6.根据权利要求5所述的一种模拟岩石裂隙及测量根系在裂隙中的径向压力的装置,其特征在于:所述的定位螺丝(19)位于上夹板(14)上方的一端上设有旋钮(22)。

7.根据权利要求4所述的一种模拟岩石裂隙及测量根系在裂隙中的径向压力的装置,其特征在于:所述的凹槽(18)与上夹板(14)和下夹板(15)的缝隙处设有楔形塞(17),楔形塞(17)由一个底面和三个侧面组成,楔形塞(17)的凹槽截面面积由顶面向底面方向逐渐减小。

8.根据权利要求5所述的一种模拟岩石裂隙及测量根系在裂隙中的径向压力的装置,其特征在于:所述的固定外壳体(13)、上夹板(14)、下夹板(15)和调节压板(16)均采用透明材料制作。

9.根据权利要求1所述的一种模拟岩石裂隙及测量根系在裂隙中的径向压力的装置,其特征在于:所述的压力传感器(4)采用防水型压力传感器。

说明书

技术领域

本发明涉及边坡稳定性研究领域,特别是一种模拟岩石裂隙及测量根系在裂隙中的径向压力的装置。

背景技术

在植物根系对边坡稳定性影响的相关研究中,绝大多数的研究都集中在根系与土之间的相互作用,即根系的固土能力方面,而对根系与岩体相互作用的研究却非常少。事实上,根系较长的乔木和灌木,对岩质边坡的结构会产生影响,因为岩石是脆性材料,即使是微小变形也会给岩体带来破坏,当植物根系生长深入到岩石微裂隙中,随着根的不断增粗和增长,由此产生的作用力会长期的作用在岩体上,微裂隙会不断增大,最终破坏掉岩体结构。根系的这种破坏作用我们称之为植物根系的破岩能力。

这种破岩能力对边坡稳定性的影响主要分为两个方面:当边坡坡度较为平缓时,这种破岩能力能增加根系伸入岩层的深度,增加锚固作用,增强边坡的稳定性;当边坡坡度陡峭(>70°)时,这种破岩能力易导致岩体松动、碎裂甚至形成大块岩石的坍塌,对边坡的稳定性不利。

由此可见,植物根系的破岩能力有非常重要的研究价值,而国内目前尚无比较成熟的研究方法和试验装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种模拟岩石裂隙及测量根系在裂隙中的径向压力的装置,可以模拟岩石裂隙,并使得植物根系在类似岩石裂隙的环境中生长,同时测量根系在生长过程中对岩壁产生的径向压力,还可长期监测根系的生长过程及压力的变化过程,为研究植物根系的破岩规律提供重要的基础数据。

为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:一种模拟岩石裂隙及测量根系在裂隙中的径向压力的装置,包括夹具、压力采集系统、数据存储分析系统,植物的根系穿过夹具,夹具内设有压力传感器,压力传感器与压力采集系统通过第一数据线连接,压力采集系统与数据存储分析系统中的处理器通过第二数据线连接。

优选的方案中,所述的压力采集系统还包括数据采集电路,压力传感器与数据采集电路连接,数据采集电路与数据存储分析系统连接。

优选的方案中,所述的第一数据线由多根数据线组成,其一端与压力传感器相连,连接处做防水处理,例如用防水塑料薄膜密封或用蜡、塑料等绝缘材料包裹在外层进行密封。防水数据线的另一端设置防水盒,以保护裸露在外的金属接头。防水盒为塑料盒体,盒盖四周有橡胶垫圈,盒盖闭合时可完全密封并锁紧,盒盖打开后可将数据线接头拉出,连接到数据采集电路上。

优选的方案中,所述的夹具包括固定外壳体,固定外壳体为U形柱状结构体,固定外壳体内设有平行设置的上夹板和下夹板,压力传感器固定在下夹板顶面上,固定外壳体相对于开口侧的另一侧上设有预留孔,根系穿过预留孔和固定外壳体开口侧,根系位于固定外壳体内的部分由上夹板和下夹板之间穿过。

优选的方案中,所述的固定外壳体相对的两个侧壁的内侧上设有多组凹槽,上夹板和下夹板通过凹槽与固定外壳体相对固定设置,上下夹板插入凹槽后相互平行,且距离固定,以模拟岩石缝隙,插入不同的凹槽可以调节夹板间的距离,以适应不同粗细的根系。

优选的方案中,所述的上夹板上设有螺纹孔,定位螺丝通过螺纹孔与上夹板连接,定位螺丝位于上夹板下方的一端上设有调节压板,当旋转定位螺丝时,调节压板随之上下移动,用以调节压住根系的压力大小。

优选的方案中,所述的定位螺丝位于上夹板上方的一端上设有旋钮。

优选的方案中,所述的凹槽与上夹板和下夹板的缝隙处设有楔形塞,楔形塞由一个底面和三个侧面组成,楔形塞的凹槽截面面积由顶面向底面方向逐渐减小,楔形塞可采用橡胶等弹性材料,楔形塞塞入后可以确保上下夹板固定在固定外壳体上不会发生位移或滑落。

优选的方案中,所述的固定外壳体、上夹板、下夹板和调节压板均采用高分子材料或钢化玻璃等透明材料制作。

优选的方案中,所述的压力传感器采用防水型压力传感器。

本发明所提供的一种模拟岩石裂隙及测量根系在裂隙中的径向压力的装置,通过采用上述结构,具有以下有益效果:

(1)本装置能够模拟岩石裂隙,并使被测根在类似岩石裂隙的夹具环境中生长,可以观测植物根系在这种特殊环境中的生长变化过程,探索其规律。

(2)该装置可以测量根系在生长过程中对夹具产生的径向膨胀力,即模拟根系对岩体产生的径向压力,还可长期监测根系的生长过程及压力的变化过程,研究探索根系与岩石之间的相互作用,对于边坡治理具有重要意义;

(3)该装置结构小巧,形态稳定、防水耐用,可埋于土壤中,也可置于水中,既能进行植物的原位测量,也可用于实验室中,既能用于土培植物也可用于水培植物,初始压力值可以根据需要调节,可模拟不同的状态,适用范围广泛;

(4)该装置结构简单,制造成本低,使用方便,填补了国内目前在植物根系的破岩能力这一研究领域尚无比较成熟的研究方法和试验装置的空白。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明:

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的夹具正视结构示意图。

图3为本发明的夹具俯视结构示意图。

图4为本发明图3中的A-A剖面结构示意图。

图中:夹具1,压力采集系统2,数据存储分析系统3,压力传感器4,第一数据线5,防水盒6,数据采集电路7,接头8,处理器9,第二数据线10,植物11,根系12,固定外壳体13,上夹板14,下夹板15,调节压板16,楔形塞17,凹槽18,定位螺丝19,预留孔20,螺纹孔21,旋钮22。

具体实施方式

实施例1:

如图1中,一种模拟岩石裂隙及测量根系在裂隙中的径向压力的装置,包括夹具1、压力采集系统2、数据存储分析系统3,其特征是:植物11的根系12穿过夹具1,夹具1内设有压力传感器4,压力传感器4与压力采集系统2通过第一数据线5连接,压力采集系统2与数据存储分析系统3中的处理器9通过第二数据线10连接。

优选的方案中,所述的压力采集系统2还包括数据采集电路7,压力传感器4与数据采集电路7连接,数据采集电路7与数据存储分析系统3连接。数据存储分析系统3包括与压力传感器4相配套的能读取、存储和分析压力值的软件,处理器9为笔记本电脑。

优选的方案中,所述的第一数据线5由多根数据线组成,其一端与压力传感器4相连,连接处做防水处理,例如用防水塑料薄膜密封或用蜡、塑料等绝缘材料包裹在外层进行密封。第一数据线5的另一端设置防水盒6,以保护裸露在外的金属接头。防水盒6为塑料盒体,盒盖四周有橡胶垫圈,盒盖闭合时可完全密封并锁紧,盒盖打开后可将数据线接头拉出,连接到数据采集电路7上。

优选的方案中,所述的夹具1包括固定外壳体13,固定外壳体13为U形柱状结构体,固定外壳体13内设有平行设置的上夹板14和下夹板15,压力传感器4固定在下夹板15顶面上,固定外壳体13相对于开口侧的另一侧上设有预留孔20,根系12穿过预留孔20和固定外壳体13开口侧,根系12位于固定外壳体13内的部分由上夹板14和下夹板15之间穿过。

优选的方案中,所述的固定外壳体13相对的两个侧壁的内侧上设有多组凹槽18,上夹板14和下夹板15通过凹槽18与固定外壳体13相对固定设置。利用多组凹槽,实现上压板14和下夹板15之间不同间距的调节,保证不同粗细的根系均能够穿过上夹板14和下夹板15之间的间隙。

优选的方案中,所述的上夹板14上设有螺纹孔21,定位螺丝19通过螺纹孔21与上夹板14连接,定位螺丝19位于上夹板14下方的一端上设有调节压板16。其中,被测根系夹在压力传感器4和调节压板16之间,利用调节压板16给根系施加一个合适的初始压力,之后可以持续或定期测量压力值的变化情况。

优选的方案中,所述的定位螺丝19位于上夹板14上方的一端上设有旋钮22。

优选的方案中,所述的凹槽18与上夹板14和下夹板15的缝隙处设有楔形塞17,楔形塞17由一个底面和三个侧面组成,楔形塞17的凹槽截面面积由顶面向底面方向逐渐减小。楔形塞17采用软质弹性材料制作,如软橡胶材料。

优选的方案中,所述的固定外壳体13、上夹板14、下夹板15和调节压板16均采用高分子材料、钢化玻璃等透明材料制作。

优选的方案中,所述的压力传感器4采用片状结构,例如采用薄膜压力传感器等。压力传感器4外层必须经过防水处理,如用防水塑料薄膜密封,或直接采用防水型压力传感器,以保证该压力传感器埋入土壤中后不会因进水而损坏。

实施例2:

在实施例1的基础上:

为完成对根系与岩石相互作用的研究,采用下述方法对装置进行安装设置:

一、该试验装置的测试对象可以为边坡上生长的植物、普通平地上生长的植物、实验室里培育的植物等,乔木、灌木、草本植物均可。从所选择的研究植物的主干(茎)处开始向外开挖,采用手工开挖的方式,挖开的面积尽可能小,深度至露出部分根系的末端即可;

二、将压力传感器4与第一数据线5的一端相连,并做好防水处理;

三、然后将压力传感器4的感应部分粘贴固定在下夹板15上的适当位置,将上夹板14和下夹板15根据选中根系12的粗细,插入固定外壳13的相应凹槽18内,用四个楔形塞17插入上下夹板和凹槽间的缝隙中并压紧,以确保上下夹板不会发生位移或滑动,其中固定外壳体13的长和宽可根据被测量根系12的尺寸及需要模拟的岩石状态来确定,同时必须保证根系12未被夹住的两侧离固定外壳体13的内壁的尺寸大于3厘米以上,以确保在被测根系两侧有足够的空间供土壤及水分进入,使得被测根能够正常吸收水分和养分,确保其存活。

四、将第一数据线5带有防水盒6的一端与数据采集电路7连接起来,再用第二数据线10将数据采集电路7和笔记本电脑9连接起来,打开数据存储分析系统3中的笔记本电脑9和与压力传感器4相配套的能读取、存储和分析压力值的软件,准备读数。

五、将选好的根系12穿入上下夹板之间,放置在压力传感器4上。调整调节夹板16上定位螺丝19一端的旋钮22,将根系12压住,同时根据电脑上的压力读数,调节初始压力值;

六、设置好以后,将被测根12和夹具1一起放回土壤中,重新用土壤将其覆盖住,将防水盒6留在土壤外面,以便于测量,然后压实土壤,同时浇水,尽量恢复到开挖之前的状态。

七、将数据采集电路与电脑连接,并通过电脑实时记录压力传感器接收到的压力信号值,根据压力值变化绘制相应的曲线图,在安装好整个装置之后,也可将第一数据线5和数据采集电路7之间断开,将接头放入防水盒6中,需要测量的时候再打开防水盒6并连接数据采集电路7后进行读数。

八、需要了解根系12的生长情况时,可将其挖出测量,测量完成后再次埋入即可。注意要定期浇水和施肥,保证根系正常生长。

若针对水培植物根系进行测量,则在实施例2的基础上,在设置好夹具之后,需要设置相应的支撑结构对夹具进行承托,避免因夹具自重造成根系的断裂。

一种模拟岩石裂隙及测量根系在裂隙中的径向压力的装置专利购买费用说明

专利买卖交易资料

Q:办理专利转让的流程及所需资料

A:专利权人变更需要办理著录项目变更手续,有代理机构的,变更手续应当由代理机构办理。

1:专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2:按规定缴纳著录项目变更手续费。

3:同时提交相关证明文件原件。

4:专利权转移的,变更后的专利权人委托新专利代理机构的,应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A:(1)直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,(2)通过代办处缴纳,(3)通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q:专利转让变更,多久能出结果

A:著录项目变更请求书递交后,一般1-2个月左右就会收到通知,国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。

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