面源污染控制的动力学研究手段—电子智能土壤原位抗剪力测定仪的研制

摘要

水土流失是一种累进性或渐变性的地质灾害，是非常重要的生态环境问题。土壤抗冲性是最能体现出区域水土流失过程和规律的指示指标之一。土壤抗冲性是土壤抵抗径流对其机械破坏和推动下移的性能，土壤的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，两者密切相关。从土壤抗剪强度的角度来研究土壤抵抗径流剪切破坏的能力，那么如何准确原位测定土壤抗剪强度是一个至关重要的问题。 关于土壤抗剪强度的测定方法主要还集中在室内实验，试验设备笨重、操作复杂、工期高，实验需要取样并且样品较小易受扰动不能完全反映土体天然状态下的性质。原位测定方法单一、适用范围有限。如十字板剪切仪适用于测定现场饱和黏性土(尤其是均匀饱和软黏土)的原位不排水抗剪强度指标，并且有一些不足：无方向性；十字板贯入一般会引起土壤较大的扰动；十字板轴直径大，与土壤摩檫力增大：并且推导式假定圆柱体四周和上下端面的抗剪强度相等是不够严格的，因为土的固节程度不同和受各向异性的影响，土在水平面和竖直面上抗剪强度并不一致。 考虑到土壤抗剪强度测定是为了研究土壤抵抗径流剪切破坏的能力，并且要能够减少土体扰动进行原位测试、测试有方向性、能在土壤表层进行测定、数据采集准确等，本文研制了电子智能土壤原位抗剪力测定仪，为准确测定抗剪强度提供新的方法。文中论述了电子智能土壤原位抗剪力测定仪的工作原理与总体方案，机械部分设计制作了支撑架、剪切环；控制部分设计并完成了驱动系统和智能电子测力仪；智能电子测力仪采用C8051F340作为核心完成了人机界面、数据存储、串口通讯等模块并对其进行了详尽分析；数据分析部分采用VB制作界面并应用MATLAB软件对采集的数据进行数据分析、曲线拟合得出真实的土壤抗剪强度值；最后研制出实际样机并进行了原位测定，对仪器进行了检测。 实际运行结果表明，本文所研制的电子智能土壤原位抗剪强度测定仪实践证明确实可行、性能良好、数据稳定，测量精度满足设计指标可以提供合理的力学参数。使土壤抗冲性的研究能够在现场就完成原位测试数据、时实记录数据现场分析数据等测定过程。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1研究意义

1.1.1水土流失的治理的意义

1.2土壤可侵蚀性国内外的研究动态及发展趋势

1.2.1土壤可侵蚀性的概念以及细分

1.2.2土壤抗冲性指标的选取

1.2.3国外土壤抗冲性测定的方法

1.2.4国内土壤抗冲性的测定方法

1.3研究目标及思路

1.3.1土壤抗冲性研究思路

1.3.2测定土壤抗剪强度的已有实验仪

1.3.3主要创新成果

2总体方案设计

2.1土壤抗剪力的测定原理——库仑定律

2.2电子智能土壤原位抗剪力测定仪总体设计

2.2.1设计思路

2.2.2组成框图

2.2.3仪器示意图

3机械结构及驱动系统设计

3.1机械结构设计

3.1.1剪切环设计

3.1.2机械驱动支撑底座设计

3.1.3绞盘传动系统

3.2电机驱动系统设计

3.2.1电机驱动系统总体方案

3.2.2电机选型

3.2.3力能参数计算推导

3.2.4 JLBS型测力传感器

3.2.5蓄电池选型

4仪器各系统的硬件设计

4.1单片机微控制器选型

4.1.1 C8051F单片机功能简介

4.1.2 C8051F340系列MCU的结构框图

4.2系统硬件设计

4.2.1总体硬件设计图

4.2.2系统供电电路设计

4.2.3人机界面设计

4.2.4串口通讯

4.2.5剪切力检测设计

4.2.5电机驱动控制系统设计

4.3仪器控制部分、数据采集存储部分实物图

5控制系统软件设计

5.1单片机硬件平台软件设计

5.1.1数据采集功能

5.1.2数据存储及串行通讯

5.1.3电动机控制

5.1.4人机接口

5.2用户应用软件设计

5.2.1数据通讯软件

5.2.2数据分析软件

6仪器检验

6.1仪器检验

6.1.1室内直剪试验

6.1.2实验操作步骤

6.1.3试验数据计算

6.1.4试验数据线性回归处理

6.2仪器原位测试

6.2.1现场测试

6.2.2原位测定程序、数据及波形

6.2.3仪器测试结果分析

7结论

7.1本论文完成的主要工作和成果

7.2本文的不足之处

致 谢

参考文献