用于文物保护研究的环境模拟装置

摘要

一种用于文物保护研究的环境模拟装置，包括：包括第一环境模拟室和第二环境模拟室的至少两个环境模拟室，所述至少两个环境模拟室用于模拟多种环境条件，其中所述第一环境模拟室用于模拟第一环境，所述第二环境模拟室用于模拟不同于第一环境的第二环境；连接在所述至少两个环境模拟室之间的可提供真空环境的至少一个样品室，所述至少一个样品室包括第一密封门、第二密封门和第三密封门，其中通过所述第一密封门放入承载样品的样品台；所述第二密封门和第三密封门分别用于切断和开启所述样品室与所述至少两个环境模拟室之间的连通。本发明可用于模拟文物从埋藏到出土及保存中多因素环境及环境突变。

说明书

技术领域

本发明属于环境模拟设备制造领域，具体涉及一种用于文物保护研究的环境模拟装 置，即用于模拟文物从埋藏到出土及保存中多因素环境及环境突变的实验设备。

背景技术

中国具有五千年的辉煌文明史，由于民族的信仰以及自然的原因，许多珍贵的史料 以及前人的遗迹遗物都长眠于地下，也有许多文物古迹经历了几千年的坎坷历程以及无数次 的天灾人祸之后岌岌可危地依展现在我们的视线中，丰富着现代人的生活，成为社会精神文 化生活不可或缺的一部分。

具不完全统计，全国现有的两千多处重点文物保护单位及二十几处世界文化遗产， 遍布全国各省、直辖市及自治区，文物数量不可数。近年来，随着国家物质财富的富裕，人 民物质生活的改善，文化生活也日趋丰富多彩，带动了旅游业的迅猛发展，但是随之而来的 是文化遗产的生存状况持续恶化，同时随着国家城市化进程的加快，大规模的土木建设工 程，以及不法分子的盗掘，科研探索性发掘等，使原本保存良好的埋藏文物的稳定环境发生 突变，例如：马王堆汉墓科学发掘，清东陵的盗掘，明十三陵中定陵的考古发掘等，致使许 多精美的文物光彩不在，抢救性保护任务繁重。当然这其中也有一些保护的成功案例，如马 王堆汉墓丝织品的保护。近年来国家文物局组织了一些大型的研究课题，加强对文化遗产保 护工作的支持力度，资金投入年年递增。

文物是不可再生的，也是不容许破坏的，她不仅具有无可替代的历史价值，精湛的 传统文化艺术价值，而且也蕴涵着一定的古代科学技术价值。所以对于文化遗产的研究也有 别与一般的自然科学研究，而对于文物在漫长岁月中的变化机理以及影响因素的研究，环境 模拟是一种较为科学，也是较为常用的科研方法。

环境模拟是一门新兴的学科，目前主要用于产品（例如一些电子产品）的测试以及 进行虚拟试验技术的研究和应用。例如，CN102129806A公开一种大气环境模拟装置用于激 光大气传输物理问题的研究；CN202305240U公开一种风沙环境模拟实验台，对铁路客车生 产中各相关部件、设备、装置进行耐沙漠气候环境虚拟测试。然而针对文物这种特殊对象的 环境模拟微型实验室还是鲜有报道，而目前环境模拟的应用也多为一些单因素或者是两个因 素的环境模拟箱，而文物从埋藏环境到暴露于发掘现场的环境再到保存环境涉及多个环境因 素，而且往往会涉及由复杂的多因素耦合作用下的环境突变过程。所以对于这样的文物环境 模拟微型实验室的制备是文保科技工作者急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于立足于文保科技行业，克服现有环境模拟箱的缺点，提供一种微 型环境模拟室，以适应不同类型、不同尺寸文物，并可以同时满足实现多种文物环境以及多 种因素耦合作用下的涉及文物埋藏、发掘、保存系列变化环境，或者是其中的一种稳定状态 环境，从而真实地再现文物实际所处状态，模拟出土文物的环境突变，以及测试在突变的瞬 间文物本体发生的变化，研究文物在环境突变下的损毁机理。

为达到上述目的，本发明提供一种用于文物保护研究的环境模拟装置，包括：包括 第一环境模拟室和第二环境模拟室的至少两个环境模拟室，所述至少两个环境模拟室用于模 拟多种环境条件，其中所述第一环境模拟室用于模拟第一环境，所述第二环境模拟室用于模 拟不同于第一环境的第二环境；连接在所述至少两个环境模拟室之间的可提供真空环境的至 少一个样品室，所述至少一个样品室包括第一密封门、第二密封门和第三密封门，其中通过 所述第一密封门放入承载样品的样品台；所述第二密封门和第三密封门分别用于切断和开启 所述样品室与所述至少两个环境模拟室之间的连通。

本发明提供的环境模拟装置包括第一环境模拟室和第二环境模拟室的至少两个环境 模拟室，利用通过样品室连接的至少两个环境模拟室，可以提供迥然不同的两种环境，可以 很好地模拟文物所处的环境突变情况，例如第一环境可模拟文物埋藏的环境，第二环境可以 模拟出土环境，将样品置于模拟文物埋藏的环境的第一环境后，通过样品室可以迅速将样品 转移至模拟出土环境的第二环境，从而模拟真实的环境突变。又，在本发明的环境模拟装置 中，更换环境时，不需要重新取出样品，而且在样品室和环境模拟室之间设置密封门，因 此，可最大程度避开外界干扰，全自动实现环境模拟，在线分析测试，可以最大可能地实现 文物环境的突变模拟，利于实现实验与实际结合，使实验结果及时应用于实际文物保护作业 中。

较佳地，所述至少两个环境模拟室设置有在水平方向上向所述第二密封门或第三密 封门延伸的第一滑轨；所述至少一个样品室设置有从所述第一滑轨连续延伸的第二滑轨以及 向所述第一密封门延伸的第三滑轨，所述样品台的底面设置有匹配所述第一滑轨和第二滑轨 的第一轨道槽以及匹配所述第三滑轨的第二轨道槽。根据这样的配置，样品室滑轨和环境模 拟室的滑轨连续设置，样品台利用其底面设置的与该滑轨匹配的轨道槽可以无障碍地在样品 室和环境模拟室之间移动。更佳地，所述滑轨是步进式滑轨。这样，可以实现样品台移动的 自动化以及提高移动的稳定性和精准度。

较佳地，所述样品台配置为可提供真空环境并包括样品台密封门。这样可以进一步 减少外界对环境模拟的影响因素。更佳地，所述密封门为设置在样品台顶部的推拉式密封 门。

较佳地，所述环境模拟室包括模拟多个环境因素的多个环境因素模拟单元，包括温度 模拟单元、光照模拟单元、真空度及气体组成模拟单元、烟雾模拟单元以及湿度模拟单元。 在本发明中，可选择上述多个环境因素模拟单元中的一个或任意多个来模拟环境，既可用于 判断某个特定因素对文物的影响，又可实现用于文物保护研究的环境模拟所需的多因素耦合 作用。

较佳地，所述环境模拟室具有包括内外两层的套装式结构，其中内部作为环境模拟 空间、在两层之间的空腔配置所述多个环境因素模拟单元。根据该配置，本发明的环境模拟 装置结构紧凑，布置合理。

较佳地，在所述环境模拟室内配置有用于承载并移动所述样品台的移动单元，包括 可升降的垂直移动台，和位于垂直移动台上可左右移动的水平移动台。根据该配置，可利用 可升降的垂直移动台使承载有样品的样品台在环境模拟室中上下移动，又利用可左右移动的 水平移动台可使承载有样品的样品台在环境模拟室中左右移动，这样在环境模拟室内可以方 便地将样品台置于任意所需位置上。

较佳地，所述环境模拟室还配置有可视窗。优选地，所述可视窗为由耐压、耐酸、 热稳定性高的铝硅系玻璃制成的玻璃窗。通过可视窗，可直观地观察在环境模拟室中的样 品。

较佳地，所述环境模拟室还配置有用于取样和/或检修的密封门，优选为机械与气密 联合制动式门。

较佳地，所述环境模拟室还配置有密封接口，包括：连接测试装置的测试仪器密封 接口和连接样品室的样品室密封接口。优选地，所述密封接口为弹簧紧压单端面外装式静止 机械密封装置，既可气密封也可机械法兰密封。

较佳地，所述环境模拟室的底部设置有履带式滑轨。这样，方便移动环境模拟室。

采用本发明，可以根据不同的埋藏、发掘、保存实际情况提供模拟环境，采用现代 传输以及链接科技在完全密封的空间模拟文物从埋藏到发掘到保存的完整系列实验，而且可 以根据文物的类型、形状以及实验需要的结果，设计出具体实验所需的样品室以及配置所需 测试分析装置。

因此，本发明的有益效果在于：其一是可以最大可能地再现文物环境的突变与文物 生存的现实环境，利于实现实验与实际相结合，使实验结果及时应用于实际文物保护作业 中；其二是避免了一个箱体一次只可做一个环境模拟，而无法准确模拟突变环境，并且需要 每次取出样品而带来的实验误差；其三是不仅可以实现多因素耦合作用下的环境模拟的需 要，也可以实现一个箱体多种单因素环境模拟实验研究，利于多种实验要求及降低仪器成 本；其四是独立样品室的设计可以满足不同的实验以及文物种类、实验样品形状的要求，也 可以根据实验者自己的需求设计样品室，扩大了应用范围，也利于结合不同的实际灵活设计 实验；其五是操作灵活，耐高压，耐腐蚀，热振稳定性强，透明可视，并通过计算机控制系 统实现全自动模拟和在线分析。

附图说明

图1是根据本发明的文物环境模拟装置的外形结构示意图；

图2是图1中的环境模拟室的立体结构半剖面示意图；

图3是图1中的样品室的立体结构示意图；

图4是样品台的立体结构及半剖面示意图；

图5是图2所示的环境模拟室中的光照系统立体结构示意图；

图6是自动控制系统示意图。

1-a、1-b、1-c、1环境模拟室；

2-a、2-b、2样品室；

3样品台；

4-a、4-b、4履带式滑轨；

5检修密封门（取样密封门）；

6温度模拟单元；

7湿度模拟单元；

8真空度及气体组成模拟单元；

9烟雾模拟单元；

10光源；

11滤光片；

12烟雾灌入口；

13高灵敏度制冷装置；

14样品台制动单元；

15可视窗；

16测试仪器接口；

17样品室接口；

18、23步进式滑轨；

19垂直移动台；

20水平移动台；

21高灵敏度加热装置；

22样品室密封门（第一密封门）；

24密封橡胶圈；

25马达制动单元；

26、30真空度调节单元；

27、28样品室密封门（第二、三密封门）；

29样品台密封门；

31制动单元；

32、33轨道槽。

具体实施方式

以下结合附图及下述具体实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式和/或 附图仅用于说明本发明，而非限制本发明。

参见图1，其示出根据本发明的文物环境模拟装置的外形结构示意图，如图所示，为 了模拟文物不同的埋藏、发掘、保存等环境条件，该环境模拟装置由可模拟不同的环境状态 的环境模拟室1-a、1-b、1-c，以及连接在环境模拟室1-a、1-b之间和1-b、1-c之间的样品 室2-a、2-b构成。虽然在该图中示出三个环境模拟室和两个样品室，但应理解，环境模拟室 的个数不限于如图所示的三个，还可以视实验需要设置为两个或者三个以上，样品室的个数 也不限于如图所示的两个，还可以根据环境模拟室的个数设置为一个或者两个以上。环境模 拟室1-a、1-b、1-c的底部可设置履带式滑轨4-a、4-b，应理解履带式滑轨不是必需的，可 以不采用履带式滑轨，或者采用其它的移动手段，例如设置滑轮。采用该环境模拟装置，既 可以通过一个环境模拟箱例如1-a模拟文物埋藏或者是保存状态下的单一环境及多个环境， 也可以通过多个环境模拟箱例如1-a、1-b、1-c等模拟文物发掘过程中的多个环境及突变环 境。本发明的环境模拟装置还可以包括与环境模拟室连接的多种测试控制设备（未图示）， 例如包括：安装在室壁一侧或是两侧的可成像光学显微镜，快速摄影装置，以及其他的结构 与组成测试分析装置，以方便地实现全自动在线测试控制过程。

图2示出图1中的单个环境模拟室1的外观以及剖面结构，如图所示，环境模拟室1 具有包括内外两层的套装式结构，其底部可以配置有履带式滑轨4，内部为可容纳样品台的 环境模拟空间，而在内外两层之间可设置各种模拟控制单元，箱体的外部可设置操控模拟控 制单元的操作单元、包括但不限于各种按钮和操作杆等。环境模拟室1的整体外壳设计为方 形，大小根据不同的实验需要而定。

参见图2，其示例性地示出一些常用的模拟控制单元，例如温度模拟单元6、湿度模 拟单元7、真空度及气体组成模拟单元8、烟雾模拟单元9。应理解，还可以包括其他模拟 控制单元，例如参见图5，其示例性示出由光源10和滤光片11组成的光照模拟单元。

温度模拟单元6可以包括高灵敏度制冷装置13、高灵敏度加热装置21、温度感应器 （未图示）和传感器（未图示）等，其中在图2示出的示例中，高灵敏度制冷装置13位于 箱体的上部，而高灵敏度加热装置21则位于箱体的下部，但应理解，其设定位置不限于 此。温度模拟单元可以连接至温度检测控制仪（未图示）以用于检测模拟环境的温度。

湿度模拟单元7可以包括增湿设备（未图示）例如一端连接模拟室另一端连接液体 的设备、除湿设备（未图示）例如一端连接模拟室另一端连接干燥单元的设备等。湿度模拟 单元7可与水雾及湿度检测控制仪（未图示）相连以用于检测模拟环境的空气湿度。

真空度及气体组成模拟单元8可以包括抽真空设备（例如真空泵）、加气设备等用于 改变环境的真空度或气体组成，真空度及气体组成模拟单元8可连接至真空度检测仪（未图 示）和气体组成检测仪（未图示）以用于检测模拟环境的真空度和气体组成。

烟雾模拟单元9包括烟气发生器、雾气发生器、烟雾感应器、烟雾输送管路、以及 烟雾灌入口12等组成。文物模拟时采用的生成烟气及雾气的材料应与文物的实际生存状态 相符，可以采用柴火，煤炭，香火等等。该烟雾模拟单元9可与烟雾及二氧化碳浓度监测控 制仪（未图示）和风速检测控制仪（未图示）相连以用于检测监控模拟环境中烟雾及二氧化 碳浓度。

上述各种模拟控制单元可独立地设置有信号反馈装置，以用于反馈信号，修正模 拟。

又参见图2，其配置有：供承载样品的样品台进出的样品室接口17、供样品台滑动 的步进式滑轨18、用于承载并移动样品台的移动单元。该移动单元包括样品垂直移动台19 和位于垂直移动台19上的样品水平移动台20。该移动单元可由样品台制动单元14进行制 动。

环境模拟室1还包括设置在箱体外侧的根据实际需要预留的测试仪器接口16和与之 连接的上述各种测试控制仪器（未图示）、用于取样以及检修密封门5，以及可视窗15。密 封门5可为机械与气密联合制动式密封门。可视窗15可为由耐压、耐酸、热稳定性高的铝 硅系玻璃之城的可视玻璃窗。应理解，上述各种接口可以预留多个，均设置为可气密封也可 机械法兰密封，例如采用弹簧紧压单端面外装式静止机械密封装置。样品台至少预备1个， 也可预备若干个，所有样品室的结构、功能以及内部设置均可由实际情况实行多样化自行设 计。

图3示出图1中的样品室2的立体结构示意图，如图所示，样品室2设置供样品台 进出的第一密封门22、从该密封门22延伸设置的滑轨（未示出），供样品台滑动并与滑轨 18对接的滑轨23，与样品室接口17相接的密封橡胶圈24、提供真空环境的真空度调节单 元26、用于切断和开启样品室2与相邻的环境模拟室之间的连通的第二密封门27和第三密 封门28。样品台的移动以及第二、三密封门27、28的开关可由马达制动系统25控制。样 品室2可设计为方形或圆形，其结构、功能以及内部设置均可由实际情况实行多样化自行设 计。

图4示出用于承载样品的样品台的立体结构及半剖面示意图，如图所示，样品台3 包括：设置在顶部供样品进出并在样品台置于环境模拟室1时用于使样品暴露或封闭的推拉 密封门29，用于提供真空环境的真空度调节单元30、控制密封门29开关的制动系统31、 以及设置在底面的使样品台进入至样品室的轨道槽33以及与滑轨18和滑轨23相匹配的轨 道槽32。样品台可设计为顶盖为半圆形且能自动伸缩的密封舱，数个微型LED照明灯。样 品台至少预备1个，也可预备若干个。

上述所有的密封门均设有橡胶密封条24。

本发明的环境模拟装置可模拟单一因素影响的环境、多因素共同作用的单一环境以 及环境突变状况。以下将结合上述结构分述单一环境因素，多个环境因素以及多个环境因素 耦合作用下的数个状态环境突变的模拟。

[单一环境因素及多环境因素模拟]

将样品放入样品台3并经由样品室17进入如图1所示的环境模拟室1中后，采用机 械密封式法兰将样品室接口17密封，环境模拟室1即可作为一个独立的环境模拟室，根据 实验的需要在测试仪器接口16处安装测试设备，单独操作温度模拟单元6、烟雾模拟单元 9、湿度模拟单元7、真空度及气体组成模拟单元8、光照模拟单元中的任意一个指标控制， 即可作为一种普通的环境模拟试验箱，实现例如恒温恒湿箱，冻融模拟箱，氙灯老化试验 箱，紫外老化模拟试验箱，烟雾模拟试验箱，空气污染试验箱等的功能。同时操作上述数个 系统控制即可实现多因素变量环境的耦合模拟。

温度模拟单元6可包括温度感应器、传感器、高灵敏度加热装置21以及高灵敏度制 冷装置13。单独调控温度模拟单元6即可实现单一温度模拟。

光照模拟单元可采用低压汞灯、高压汞灯、超高压汞灯以及氙灯等发光的光源10， 光源发出的光经过若干个滤光片11的处理后，为波长范围极小且可调控的光，这样可即可 实现任意波段的光照模拟。

烟雾模拟单元9可包括烟气产生装置，雾气产生装置，烟雾感应装置，信号传输反 馈装置，烟雾输送装置，以及烟雾灌入口12，文物模拟时采用的生成烟气及雾气的材料应 与文物的实际生存状态相符，可以采用柴火，煤炭，香火等等。单独调控9即可实现烟雾的 模拟。

真空度及气体组成模拟单元8可包括抽真空设备，真空度测试设备，加气系统，气 体组成测试设备，信号传输反馈系统，主要模拟文物在不同的真空度及气氛环境下的保存病 变等信息。单独调控真空度及气体组成模拟单元8即可实现真空度及气体组成的模拟。

湿模拟单元7包括空气湿度测试设备，增湿、除湿设备。单独调控湿度模拟单元7 即可实现湿度模拟。

同时调控上述的多个系统时，即可实现多环境因素模拟。

[环境突变的模拟]

环境突变的模拟在如图1所示的环境模拟装置中进行。为了减少外界对模拟的影响 因素，将样品由样品台密封门29放入样品台3后关闭样品台密封门29，由真空度调节单元 30将样品台3内抽到一定的真空度，经轨道槽33使轨道槽32经过样品室密封门22与样品 室2中的滑轨23对接。样品台3进入样品室2后，在马达制动单元25控制下样品室密封门 27以及样品室密封门28关闭，启动真空度调节单元26使样品室2内达到一定的真空度， 开启样品室密封门27或者样品室密封门28中的一个密封门，样品台3将通过滑轨23和滑 轨18进入到与之相连的已经调控好所需环境状态的环境模拟室1。样品台3进入到环境模 拟室1后，关闭检修密封门5，调控制动单元31，打开样品台密封门29，使样品暴露在预 先设置好的模拟环境下，进行模拟实验。

通过样品台制动单元14的调控，步进式驱动垂直移动台19、马达式驱动水平移动台 20使样品到达合适的观测位置，通过可视窗15可以随时观察样品的变化，同时也可以利用 测试仪器接口16处的仪器在线观测记录样品在设定环境下的物理化学变化。

达到预期的模拟环境下的稳定值时，闭合样品台3的样品台密封门29，样品台3通 过滑轨18、23返回到样品室2，同时闭合已经开启的样品室密封门27或28。

开启样品室密封门27或者样品室密封门28中的另一个密封门，样品台3将通过滑 轨23迅速进入到与之相连的另一个调控好所需环境状态的环境模拟室1-a，通过样品台制动 单元14-a的调控，制动模拟室内垂直移动台19-a、水平移动台20-a使样品到达合适的观测 位置，通过可视窗15-a可以随时观察样品的变化，调控制动单元31-a，打开样品台密封门 29-a，使样品暴露在预先设置好的模拟环境下，同时也可以利用测试仪器接口16-a处的仪器 在线观测记录样品在上述环境突变下的物理化学变化。

同样地，样品台3还可进入环境模拟室1-c或是其它的环境模拟室中进行不同环境状 态的模拟，以实现多种环境突变的模拟。

所有的控制由如图6所示的计算机控制系统在线完成。

产业应用性：本发明的文物环境模拟微型室在完全避开外界的干扰下，全自动实现 环境模拟，在线测试分析，可以最大可能地再现文物环境的突变与文物生存的现实环境，利 于实现实验与实际相结合，使实验结果及时应用于实际文物保护作业中；避免了现在市场广 泛应用的单因素模拟需要每次取出样品带来的实验误差；不仅可以实现多因素耦合作用下的 环境模拟的需要，也可以实现单因素环境模拟实验研究，利于实现多种实验要求及降低仪器 成本；独立样品室的设计，可以满足不同的实验以及文物种类，实验样品形状的要求，也可 以根据实验者自己的需求设计样品室，扩大了应用范围，也利于结合不同的实际灵活设计实 验。