一种低温根系抗拉力自动测试系统与试验方法与流程

1.本发明属于低温根系抗拉力测试技术领域，具体涉及一种低温根系抗拉力自动测试系统与试验方法。


背景技术：

2.采用植被生态固土护坡随着时间推移，植物生长繁殖，其根系强度增加，对抗边坡失稳和侵蚀作用的能力越来越强，且其绿化效果好，对生态环境的保护有着显著的作用。植被根系的抗拉力是评价植被根系护坡能力的重要指标。目前，国内外根系护坡成果颇丰，但缺乏考虑温度影响的植被根系抗拉能力研究试验数据及设备，而在寒冷地区或季节冻土区，由于温度季节性变化，边坡上的植被根系必然经历低温过程。因此，发明一种能够提供常温与低温情景下的根系抗拉力测试系统，为低温情境下的植被根系护坡能力评估提供低温植被根系的抗拉力参数，这是本发明的重要意义所在。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是提供一种低温根系抗拉力自动测试系统与试验方法，以解决上述背景技术中提出的问题为基础，该新型自动测试系统可以提供低温环境下的植被根系自动化拉伸与抗拉力测试功能，使用现代数据采集技术，能够收集大量有效数据，可以为低温根系的抗拉力研究提供试验技术支持，对于低温根系抗拉力测试具有重要意义。
4.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种低温根系抗拉力自动测试系统，包括一种适用于根系抗拉测定的新型柔性夹具，其特征在于：还包括控制试验温度的冻融箱1，对试样进行拉伸操作的试样拉伸处置单元，对试验数据进行采集和处理的数据采集处理单元；
6.所述冻融箱1左侧内壁上通过螺纹连接有固定轴2，与固定轴2轴心部位连接带有第一挂钩4-1的第一钢丝绳3，与固定轴2安装部位相对的所述冻融箱1右侧内壁安装有中心开孔的密封橡胶8，密封橡胶8的开孔部位与固定轴2的轴心位于同一直线上，带有第二挂钩4-2和第三挂钩4-3的钢丝绳穿过密封橡胶8的中心；
7.所述试样拉伸处置单元包括伺服电机14，伺服电机14底部的两侧安装有四个齿轮20，所述伺服电机14的下方设置有两条与齿轮20啮合配合的平行导轨21，所述伺服电机14的动力输出端固定有转动位移杆13，所述伺服电机14的左侧设置有支撑臂12，所述的转动位移杆13的左端穿过支撑臂12与带有第四挂钩4-4的轴承11相连；
8.所述数据采集处理单元包括置于冻融箱1内部的测量冻融箱1内部工作温度的温度传感器19，置于第三拉环9与第四拉环18之间的测量根系7所受拉力的拉力传感器10，通过电连接线分别与温度传感器19、拉力传感器10相连接并对试验数据进行采集的数据采集器15，通过电连接线与伺服电机14和数据采集器15相连接的工作站16。
9.优选地，所述新型柔性夹具包括左侧新型柔性夹具6和右侧新型柔性夹具22，左侧
新型柔性夹具6与右侧新型柔性夹具22结构一致，使用左侧新型柔性夹具6和右侧新型柔性夹具22将根系7夹持并通过冻融箱1内的第一挂钩4-1和第二挂钩4-2悬置于冻融箱1居中部位，冻融箱1可以使根系7处于恒温状态，保证根系7抗拉参数不受温度波动的影响，可用于研究低温对根系7抗拉参数的影响。
10.优选地，所述工作站16可以控制数据采集频率并对试验数据进行处理，还可以控制伺服电机14进行顺转和逆转，从而控制伺服电机14的后退与前进。
11.优选地，所述固定轴2为尾部2-2镂空且带有螺纹，头部2-1为实心圆柱设有第一开孔2-3，第一开孔2-3位于固定轴2的中轴线上，第一钢丝绳3穿过固定轴2的第一开孔2-3通过打结的方式固定在固定轴2上，固定轴2通过尾部2-2螺纹旋转固定在冻融箱1左侧内壁上；所述左侧新型柔性夹具6和右侧新型柔性夹具22底部都开有两个横向小孔分别穿过第一拉环5和第二拉环17，两个横向小孔的连线中点应在新型柔性夹具的中轴线上；所述转动位移杆13为空心转动位移杆左侧与轴承11外圈固连；所述轴承11内圈为实心圆柱体左侧开有两个竖向小孔足以穿过第四挂钩4-4，小孔连线的中点应在轴承11的中轴线上，第四挂钩4-4穿过小孔固定在轴承11左侧上；所述第一挂钩4-1、第二挂钩4-2、第三挂钩4-3和第四挂钩4-4与它们对应的第一拉环5、第二拉环17、第三拉环9和第四拉环18的连接为垂直连接即第一挂钩4-1、第二挂钩4-2、第三挂钩4-3和第四挂钩4-4所处平面与第一拉环5、第二拉环17、第三拉环9和第四拉环18所处平面垂直；所述钢丝绳、新型柔性夹具的中轴线、密封橡胶8的中轴线、第一挂钩4-1、第二挂钩4-2、第三挂钩4-3、第四挂钩4-4、第一拉环5、第二拉环17、第三拉环9、第四拉环18、轴承11的中轴线、转动位移杆13的中轴线和伺服电机14转子的中轴线都应位于固定轴2的中轴线上。
12.本发明的另一目的在于提供一种低温根系抗拉力自动测试系统的试验方法，包括以下步骤：
13.1)将清洗干净控干水分的根系7两端在冻融箱1外部用左侧新型柔性夹具6和右侧新型柔性夹具22固定好。
14.2)进行人工操作工作站16通过电连接线控制伺服电机14顺转或逆转，从而控制伺服电机14后退或前进，使得左侧新型柔性夹具6上的第一拉环5和右侧新型柔性夹具22上的第二拉环17能分别与对应第一挂钩4-1和第二挂钩4-2垂直连接，从而实现根系7拉伸。
15.3)将冻融箱1设定为试验所需温度。
16.4)当工作站16通过电连接线接收到来自数据收集器15的温度数据与试验所需温度相同时，工作站16将通过电连接线控制伺服电机14顺转，从而带动转动位移杆13在支撑臂12内旋转后退，转动位移杆13通过带有第四挂钩4-4的轴承11与拉力传感器10上的第四拉环18连接，从而只将拉力传递给拉力传感器10，并将此拉力传递到与拉力传感器10上的第三拉环9通过第三挂钩4-3相连的钢丝绳上，进而通过第二挂钩4-2及第二拉环17将拉力传递到用新型柔性夹具夹持的根系7上。
17.5)拉力传感器10将通过电连接线实时将数据传输给数据采集器15，数据采集器15将采集到的数据通过电连接线传输给工作站16，并在工作站16的显示屏上显示出连续的拉力曲线。
18.6)当工作站16识别到根系被拉断时(拉力曲线发生突变)会通过电连接线控制伺服电机14停止运转。
19.7)最终由工作站16对试验数据进行处理绘制出曲线图，从曲线图上读取拉力曲线突变时的拉力数据，即为对应试验温度的根系抗拉力。
20.本发明提供的低温根系抗拉力自动测试系统与试验方法具有以下有益效果：
21.1)通过转动位移杆，伺服电机和工作站的联合应用，使得本试验系统得以提供精密的拉力变化，用于测量根系抗拉力的结果更加可靠；
22.2)通过冻融箱的应用，保证了抗拉试验处于设定的恒温环境中，避免了温度波动对试验的影响；
23.3)通过工作站，伺服电机，冻融箱，温度传感器，拉力传感器以及数据采集装置的组合应用，实现了低温根系抗拉力试验的控制和数据采集的高度自动化；
24.4)对根系施行双向夹持时，采用在装置外部对根系夹持好后，再放入冻融箱内，使得该测试系统操作简单、方便快捷，同时采用了已经公开并授权的新型柔性夹具(cn208366715u)对根系进行夹持，使得被测根系均匀受拉，提高了试验测定效率，有效降低了根系受损程度，保证了测定数据的准确性，提高了根系测定试验的可靠性。
附图说明
25.图1为本发明的整体结构示意图；
26.图2为固定轴结构示意图；
27.图3为轮子与导轨的结构示意图；
28.图4为轴承结构示意图；
29.图5为已经公开并授权的一种适用于根系抗拉测定的新型柔性夹具(cn208366715u)的结构示意图；
30.附图中编号说明：
31.图中，1.冻融箱，2.固定轴，3.第一钢丝绳，4-1.第一挂钩，4-2.第二挂钩，4-3.第三挂钩，4-4.第四挂钩，5.第一拉环，6.左侧新型柔性夹具，7.根系，8.密封橡胶，9.第三拉环，10.拉力传感器，11.轴承，12.支撑臂，13.转动位移杆，14.伺服电机，15.数据采集器，16.工作站，17.第二拉环，18.第四拉环，19.温度传感器，20.轮子，21.导轨，22.右侧新型柔性夹具，2-1.头部，2-2.尾部，2-3.第一开孔，6-1.鸭嘴圆钳口，6-2.螺钉，6-3.夹紧螺栓，6-4.压缩弹簧，6-5.筒型外壳，6-6.基座，6-7.小螺栓，6-8.数据处理器，6-9.薄膜压力传感器，6-10.夹持部，6-11.底座，11-1.外圈，11-2.内圈。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
33.实施例1
34.本发明提供了一种低温根系抗拉力自动测试系统，具体如图1所示，包括一种适用于根系抗拉测定的新型柔性夹具，控制试验温度的冻融箱1，对试样进行拉伸操作的试样拉伸处置单元，对试验数据进行采集和处理的数据采集处理单元；
35.本实施例中，冻融箱1左侧内壁上通过螺纹连接有固定轴2，与固定轴2轴心部位连接带有第一挂钩4-1的第一钢丝绳3，与固定轴2安装部位相对的所述冻融箱1右侧内壁安装
有中心开孔的密封橡胶8，密封橡胶8的开孔部位与固定轴2的轴心位于同一直线上，带有第二挂钩4-2和第三挂钩4-3的钢丝绳穿过密封橡胶8的中心；
36.进一步的，如图2所示，固定轴2的尾部2-2镂空且带有螺纹，利于固定轴2装卸，头部2-1为实心圆柱设有第一开孔2-3，第一钢丝绳3可穿入并固定，密封橡胶8为圆柱状底面圆形与固定轴2头部2-1圆形大小相同、开孔位置相同；
37.本实施例中，所述试样拉伸处置单元包括伺服电机14，伺服电机14底部的两侧安装有四个齿轮20，所述伺服电机14的下方设置有两条与齿轮20啮合配合的平行导轨21，所述伺服电机14的动力输出端固定有转动位移杆13，所述伺服电机14的左侧设置有支撑臂12，所述的转动位移杆13的左端穿过支撑臂12与带有第四挂钩4-4的轴承11相连；
38.进一步的，如图3和图4所示，伺服电机14下面安装有四个齿轮20，四个齿轮20可以在预设的两条平行导轨21上移动，转动位移杆13为空心转动位移杆左侧与轴承11外圈11-1固连，轴承11内圈11-2为实心圆柱体左侧开有两个竖向连通小孔足以穿过第四挂钩4-4，小孔竖直连线的中点应在轴承11的中轴线上，第四挂钩4-4穿过小孔固定在轴承11左侧上；
39.本实施例中，数据采集处理单元包括置于冻融箱1内部的测量冻融箱1内部工作温度的温度传感器19，置于第三拉环9与第四拉环18之间的测量根系7所受拉力的拉力传感器10，通过电连接线分别与温度传感器19、拉力传感器10相连接并对试验数据进行采集的数据采集器15，通过电连接线与伺服电机14和数据采集器15相连接的工作站16；
40.本实施例中，新型柔性夹具包括左侧新型柔性夹具6和右侧新型柔性夹具22，左侧新型柔性夹具6与右侧新型柔性夹具22结构一致，使用左侧新型柔性夹具6和右侧新型柔性夹具22将根系7夹持并通过冻融箱1内的第一挂钩4-1和第二挂钩4-2悬置于冻融箱1居中部位，冻融箱1可以使根系7处于恒温状态，保证根系7抗拉参数不受温度波动的影响，可用于研究低温对根系7抗拉参数的影响。
41.本实施例中，冻融箱(1)可以提供的低温度试验环境的常温环境是指试验系统所处的室内环境温度，可以由室内空调控制，而低温试验环境温度是指0到-25℃，精度
±
0.3℃，市场常见试验用冻融箱既可以实现。
42.本实施例中，温度传感器19通过电连接线与数据采集器15相连，数据采集器15通过电连接线与工作站16相连，当达到试验所需温度时工作站16通过电连接线控制伺服电机14运转为系统提供拉力；工作站16可以控制数据采集频率并对试验数据进行处理，还可以控制伺服电机14进行顺转和逆转，从而控制伺服电机14的后退与前进；
43.本实施例中，左侧新型柔性夹具6和右侧新型柔性夹具22底部都开有两个横向小孔分别穿过第一拉环5和第二拉环17，两个横向小孔的连线中点应在新型柔性夹具的中轴线上；
44.进一步的，如图1所示，第一挂钩4-1、第二挂钩4-2、第三挂钩4-3和第四挂钩4-4与它们对应的第一拉环5、第二拉环17、第三拉环9和第四拉环18的连接为垂直连接即第一挂钩4-1、第二挂钩4-2、第三挂钩4-3和第四挂钩4-4所处平面与第一拉环5、第二拉环17、第三拉环9和第四拉环18所处平面垂直，钢丝绳、新型柔性夹具的中轴线、密封橡胶8的中轴线、第一挂钩4-1、第二挂钩4-2、第三挂钩4-3、第四挂钩4-4、第一拉环5、第二拉环17、第三拉环9、第四拉环18、轴承11的中轴线、转动位移杆13的中轴线和伺服电机14转子的中轴线都应位于固定轴2的中轴线上；
45.进一步的，如图5所示，新型柔性夹具6和22是由已授权专利(cn208366715u)公开的一种适用于根系抗拉测定的新型柔性夹具，为了本发明的具体实施工艺容易理解，以左侧新型柔性夹具6为例，在此复述已授权专利(cn208366715u)中实施例的部分内容进而阐明新型柔性夹具的结构组成：如图5所示，一种适用于根系抗拉测定的新型柔性夹具，由柔性夹头、压力传感装置、螺旋基座三部分组成，螺旋基座包括夹紧螺栓6-3、螺钉6-2、压缩弹簧6-4、鸭嘴圆钳口6-1、基座6-6、小螺栓6-7，柔性夹头包括弹性材料制成的夹持部6-10、底座6-11、筒型外壳6-5，筒型外壳6-5外壁上端为倾斜状锥面，表面有三条延伸至底座6-11的均匀槽口，压力传感装置包括薄膜压力传感器6-9、数据处理器6-8，两个结构完全相同的鸭嘴圆钳口6-1由带有压缩弹簧6-4的螺钉6-2相连，其下部由小螺栓6-7固连在下层基座6-6，上部与柔性夹头固连，相同大小的三个弹性夹持部6-10底面均嵌有薄膜压力传感器6-9，随含有数据处理器6-8的底座6-11固定于筒型外壳6-5内壁。使用前，将待测植物根系一端放入夹头，旋转夹紧螺栓6-3，压缩弹簧6-4，向筒型外壳6-5施压，使得内壁上的弹性夹持部6-10受力聚拢夹持根系，薄膜压力传感器6-9要提前与数据处理器6-8以及外部的数据显示器连接，此时薄膜压力传感器6-9因受压向数据处理器6-8传输数据，根据外部的数据显示器的观测数据，逐步调节力度，直至固定根系，根系另一端同样进行此步骤。当夹持力度过大，压力超限系统则发出警告，达到保护根系的目的。
46.本发明的具体实施工艺为：
47.1)将清洗干净控干水分的根系7两端在冻融箱1外部用左侧新型柔性夹具6和右侧新型柔性夹具22固定好。
48.2)进行人工操作工作站16通过电连接线控制伺服电机14顺转或逆转，从而控制伺服电机14后退或前进，使得左侧新型柔性夹具6上的第一拉环5和右侧新型柔性夹具22上的第二拉环17能分别与对应第一挂钩4-1和第二挂钩4-2垂直连接，从而实现根系7拉伸。
49.3)将冻融箱1设定为试验所需温度。
50.4)当工作站16通过电连接线接收到来自数据收集器15的温度数据与试验所需温度相同时，工作站16将通过电连接线控制伺服电机14顺转，从而带动转动位移杆13在支撑臂12内旋转后退，转动位移杆13通过带有第四挂钩4-4的轴承11与拉力传感器10上的第四拉环18连接，从而只将拉力传递给拉力传感器10，并将此拉力传递到与拉力传感器10上的第三拉环9通过第三挂钩4-3相连的钢丝绳上，进而通过第二挂钩4-2及第二拉环17将拉力传递到用新型柔性夹具夹持的根系7上。
51.5)拉力传感器10将通过电连接线实时将数据传输给数据采集器15，数据采集器15将采集到的数据通过电连接线传输给工作站16，并在工作站16的显示屏上显示出连续的拉力曲线。
52.6)当工作站16识别到根系7被拉断时(拉力曲线发生突变)会通过电连接线控制伺服电机14停止运转。
53.7)最终由工作站16对试验数据进行处理绘制出曲线图，从曲线图上读取拉力曲线突变时的拉力数据，即为对应试验温度的根系抗拉力。
54.当需要测试同一植被根细或同类植被根系在低温下的抗拉力时，只需将一根系切割为多段或准备多根同类根系，在重复上述第1)步骤到第7)步骤时，在第3)步骤设置不同的试验温度即可。
55.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。