一种农作物根倒伏模拟室内试验装置

1.本发明涉及农业工程的技术领域，特别是涉及一种农作物根倒伏模拟室内试验装置。


背景技术：

2.农作物倒伏是指由外力引发的直立生长的植株偏离自然垂直方向且不能自动恢复的现象，分为根倒伏和茎倒伏。近年来全球气候显著变化，农作物倒伏现象愈加频繁发生，倒伏引起的经济损失逐年增加，成为了农业生产中面临的一个严峻问题。现阶段农作物茎倒伏的力学机理已相对明确，但农作物根倒伏涉及根-土系统的变形破坏，其力学机理仍不清楚。
3.为深入研究农作物根倒伏的力学机理，研究人员对此进行了大量的试验研究，最直接的试验方式为田间试验，但是田间试验根倒伏的发生依赖于特定的气候环境，如足够大的风荷载、降雨入渗等，不利于进行农作物根倒伏的重复试验。为进行农作物根倒伏的重复试验，研究人员设计了风机装置或静力加载装置来模拟自然界中的风荷载，采用人为施工荷载的形式来诱发农作物根倒伏，以加深对农作物根倒伏力学机理的认识。
4.为进行农作物根倒伏的重复试验，研究人员设计了风机装置或静力加载装置来模拟自然界中的风荷载，采用人为施加荷载的形式来诱发农作物根倒伏，以加深对农作物根倒伏力学机理的认识。但这些试验装置一般应用于田间，无法直接观测到倒伏过程中根、土的变形过程与相互作用，无法深入理解农作物根倒伏的力学机理。此外，降雨入渗、风荷载作用和风雨耦合作用是引起农作物根倒伏的主要因素，目前的田间试验装置难以对上述因素进行针对性研究。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种农作物根倒伏模拟室内试验装置，以解决上述现有技术存在的问题，使农作物根-土系统拉拔过程中根、土的变形位移过程和相互作用关系能够更直观得观测记录，便于实验研究。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.本发明提供了一种农作物根倒伏模拟室内试验装置，包括实验工作台、观测系统、可视化根-土系统、风荷载模拟系统和降雨模拟系统，所述实验工作台上设置有所述观测系统和所述可视化根-土系统，所述观测系统能够绕所述可视化根-土系统旋转用于观测根-土系统变形破坏过程，所述风荷载模拟系统和所述降雨模拟系统设置于所述实验工作台的一侧，所述风荷载模拟系统能够对所述可视化根-土系统中的植株施加荷载用于模拟风荷载，所述降雨模拟系统能够对所述植株喷水用于模拟降雨。
8.优选的，所述实验工作台包括透明平台板和升降支撑柱，所述透明平台板的四角分别连接有一升降支撑柱，所述可视化根-土系统设置于所述透明平台板的中部。
9.优选的，所述升降支撑柱包括螺杆和螺套，所述螺套转动设置于所述实验工作台
的下方，所述螺杆固定设置于一底座上，所述螺套与所述螺杆螺纹连接，所述底座下方均布有若干个柱脚。
10.优选的，所述透明平台板的材质为有机玻璃；所述透明平台板的顶面四角上分别设置有一万向水平仪。
11.优选的，所述观测系统包括激光发射器、计算机和工业相机，所述激光发射器设置于所述底座上且位于所述可视化根-土系统的下方，所述工业相机绕所述可视化根-土系统转动设置于所述透明平台板上，所述激光发射器与所述工业相机均与所述计算机通讯连接。
12.优选的，所述透明平台板上设置有一圆形滑轨，所述圆形滑轨以所述可视化根-土系统的中心为圆心，所述工业相机设置于一滑座上，所述滑座与所述圆形滑轨相匹配。
13.优选的，所述可视化根-土系统包括透明的试样盒、透明土壤和植株，所述试样盒内容纳有所述透明土壤，所述植株种植于所述透明土壤内。
14.优选的，所述风荷载模拟系统包括施力机构和角度调整机构，所述角度调整机构上活动连接有所述施力机构，所述角度调整机构固定于地面或者一平台上，所述施力机构上设置有测力计和位移计，所述施力机构用于夹持所述植株的茎。
15.优选的，所述施力机构包括伺服电机、卷扬机和夹具，所述伺服电机连接所述卷扬机，所述卷扬机的绳索依次绕过定滑轮和动滑轮与所述夹具连接，所述卷扬机与所述夹具之间设置有拉绳位移传感器，所述夹具上设置有所述测力计和倾角传感器；所述角度调整机构包括倒支架、丝杠、滑块和电机，所述支架设置于所述地面或者一平台上且位于所述实验工作台的一侧，所述支架上设置有丝杠，所述丝杠上套设有所述滑块，所述电机与所述丝杠的一端连接，所述滑块通过横杆水平连接有一动滑轮，所述支架的下部设置有一定滑轮，所述定滑轮位于所述动滑轮的下方，所述横杆上设置有拉绳位移传感器；所述电机、所述伺服电机和所述卷扬机分别与一plc可编程控制器连接。
16.优选的，所述降雨模拟系统包括水箱、水泵、喷淋管和喷淋头，所述水箱通过所述水泵和喷淋管连接有所述喷淋头，所述喷淋头位于所述植株的上方。
17.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
18.1.本发明解决了常规试验装置无法直观观测农作物根-土系统拉拔过程中根、土的变形位移过程和相互关系的问题，可在非侵入的情况下，监测到根的变形损伤过程、透明土的破坏过程、内部位移场和内部应变场，采用可视化根-土系统种植植株，风荷载模拟系统能够对植株施加荷载用于模拟风荷载，降雨模拟系统能够对植株喷水用于模拟降雨，使得试验受外围环境干扰小，试验结果的离散性小。
19.2.本发明的风荷载模拟系统采用对植株施加荷载的方式进行模拟，其中，采用可调整位置的超宽夹具，能有效避免试验过程中发生茎破坏；通过plc可编程控制器控制施力机构和角度调整机构中两个电机的协同运动，确保施力方向与植株的茎互相垂直；结合可调整位置的超宽夹具和plc可编程控制器，能够较精细地模拟风荷载。
20.3.本发明的降雨模拟系统通过设置在装置顶部的喷淋头喷水，可实现降雨改变土壤含水率的模拟。
21.4.本发明结合人工根倒伏系统中的风荷载模拟系统和降雨模拟系统，可分别研究风荷载和降雨入渗单独作用、风雨荷载耦合作用下农作物根倒伏的力学机理。
22.5.本发明采用根-透明土系统作为试验材料，并在室内对风雨荷载加以模拟，使得试验受外围环境干扰小，试验结果的离散性小。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明农作物根倒伏模拟室内试验装置的结构示意图一；
25.图2为本发明农作物根倒伏模拟室内试验装置的结构示意图二；
26.图3为本发明中实验工作台上的结构示意图一；
27.图4为本发明中实验工作台上的结构示意图二；
28.其中：1-水箱，2-水泵，3-喷淋管，4-支架，5-螺杆，6-柱脚，7-底座，8a/8b-拉绳位移传感器，9-伺服电机，10-卷扬机，11-绳索，12-信号转换器，13-计算机，14-螺套，15-激光发射器，16-定滑轮，17-丝杠，18-动滑轮，19-滑块，20-万向水平仪，21-圆形滑轨，22-滑座，23-工业相机，24-透明土壤，25-植株，26-测力计，27-夹具，28-透明平台板，29-限位螺栓，30-喷淋头，31-试样盒，32-plc可编程控制器，33-钢丝绳，34-倾角传感器，35-横杆，36-电机。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.本发明的目的是提供一种农作物根倒伏模拟室内试验装置，以解决现有技术存在的问题，使农作物根-土系统拉拔过程中根、土的变形位移过程和相互作用关系能够更直观得观测记录，便于实验研究。
31.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
32.如图1至图4所示：本实施例提供了一种农作物根倒伏模拟室内试验装置，包括实验工作台、观测系统、可视化根-土系统、风荷载模拟系统和降雨模拟系统，实验工作台上设置有观测系统和可视化根-土系统，观测系统能够绕可视化根-土系统旋转用于观测根-土系统变形破坏过程，风荷载模拟系统和降雨模拟系统设置于实验工作台的一侧，风荷载模拟系统能够对可视化根-土系统中的植株25施加荷载用于模拟风荷载，降雨模拟系统能够对植株25喷水用于模拟降雨。
33.实验工作台包括透明平台板28和升降支撑柱，透明平台板28的四角分别连接有一升降支撑柱，可视化根-土系统设置于透明平台板的中部。升降支撑柱包括螺杆5和螺套14，螺套14转动设置于实验工作台的下方，螺杆5固定设置于一底座7上，螺套14与螺杆5螺纹连接，可实现透明平台板28的升降调节功能，底座7下方均布有若干个柱脚6，可减少底座7不
平对实验工作台放置稳定性的影响。透明平台板28的材质为有机玻璃；透明平台板28的顶面四角上分别设置有一万向水平仪20，便于调节透明平台板28的水平。
34.观测系统包括激光发射器15、计算机13和工业相机23，激光发射器15设置于底座7上且位于可视化根-土系统的下方，为工业相机23提供激光光源，工业相机23绕可视化根-土系统转动设置于透明平台板28上，记录粒子图像，即通过piv技术得到所需粒子图像，激光发射器15与工业相机23均与计算机13通讯连接。透明平台板28上设置有一圆形滑轨21，圆形滑轨21以可视化根-土系统的中心为圆心，工业相机23设置于一滑座22上，滑座22与圆形滑轨21相匹配，可通过手动移动滑座22在滑轨上的位置，实现工业相机23的位置变化，进而保障工业相机23不发生大幅度抖动，能全方位地监测整个倒伏过程的变化。
35.可视化根-土系统包括透明的试样盒31、透明土壤24和植株25，试样盒31内容纳有透明土壤24，植株25种植于透明土壤24内。本实施例中试样盒31的底板通过限位螺栓29锁定在透明平台板28上，便于定位。
36.风荷载模拟系统包括施力机构和角度调整机构，角度调整机构上活动连接有施力机构，角度调整机构固定于地面或者一平台上，施力机构上设置有测力计26和位移计8，施力机构用于夹持植株25的茎。施力机构包括伺服电机9、卷扬机10和夹具27，伺服电机9连接卷扬机10，卷扬机10的绳索11依次绕过定滑轮16和动滑轮18与夹具27连接，夹具27用于将植株25与绳索11锁定在一起，绳索11优选钢丝绳；卷扬机10与夹具27之间设置有拉绳位移传感器8a，拉绳位移传感器8a用于测量倒伏过程中植株25根系的位移以及加载时间；夹具27上设置有测力计26和倾角传感器34，测力计26用于测量倒伏过程中施加拉拔力的大小，倾角传感器34用于测量倒伏过程中植株25的倾角；电机36、伺服电机9和卷扬机10分别与一plc可编程控制器32连接。通过调控伺服电机9的转速，进而驱动卷扬机10改变绳索11拉拔力的大小及速率，实现风荷载的施加。角度调整机构包括倒支架4、丝杠17、滑块19和电机36，支架4设置于地面或者平台上且位于实验工作台的一侧，支架4上设置有丝杠17，丝杠17上套设有滑块19，电机36与丝杠17的一端连接，滑块19通过横杆35水平连接有一动滑轮18，支架4的下部设置有一定滑轮16，定滑轮16位于动滑轮18的下方，横杆35上设置有拉绳位移传感器8b，动滑轮18通过电机36改变滑块19在丝杠17上的位置实现竖直位移变化(可通过拉绳位移传感器8b测得)，来改变倒伏过程中拉拔力与植株25所成的夹角。
37.降雨模拟系统包括水箱1、水泵2、喷淋管3和喷淋头30，水箱1通过水泵2和喷淋管3连接有喷淋头30，喷淋头30位于植株25的上方。水泵2、plc可编程控制器32、工业相机23、测力计26和拉绳位移传感器8均通过信号转换器12与计算机13通讯连接，进行数据和图像采集，同时便于自动化控制。
38.本实施例的农作物根倒伏模拟的室内试验装置的具体使用方法包括以下步骤：
39.步骤一、配置透明土壤24：将正十二烷和白油进行配比混合得到孔隙溶液，调节正十二烷、白油配比至孔隙溶液折射率与熔融石英砂颗粒折射率相同；再将选取的熔融石英砂颗粒和与其折射率匹配的孔隙溶液在一定温度下搅拌混合，充分搅拌后使用真空泵对混合液进行抽真空，直到混合液透明为止，静置12小时；为配置不同生长期农作物的根-土系统，需将农作物植株25种植在透明土壤24中，待其生长。
40.步骤二、对透明平台板28进行组装，将工业相机23安装布置在透明平台板28的圆形滑轨21上，并安装布置激光发射器15和计算机13；将不同生长期农作物的根-土系统放置
于试样盒31中，切除农作物植株25上部结构，仅保留根-土系统和紧邻根的一截茎，并通过若干限位螺栓29将试样盒31与透明平台板28进行限位固定；将制备完的根-透明土系统与风荷载模拟系统进行组装，用夹具27将植株25的茎与绳索11相连，通过调节夹具27的夹持位置，可调整外荷载的作用点；将绳索11穿过两滑轮与测力计26连接，将测力计26连接计算机13；将绳索11与卷扬机10进行连接，将拉绳位移传感器8a中钢丝绳33的拉绳头沿着绳索11与夹具27尾端相接，并保证钢丝绳33与拉绳位移传感器8a的出线口同心度；将拉绳位移传感器8b中钢丝绳33的拉绳头与横杆35相接，并保证钢丝绳33与拉绳位移传感器8b的出线口同心度；将伺服电机9和丝杠17上的电机36与plc可编程控制器33连接，两个拉绳位移传感器8a和8b分别与计算机13通讯连接，并将伺服电机9与卷扬机10连接；最终在plc可编程控制器32的调制下协同运动，实现倒伏过程中拉拔力与植株25的茎相垂直；对降雨模拟系统进行组装，并根据实验设计要求调节喷淋头30的位置。
41.步骤三、根据实验设计的要求，调整风荷载模拟系统中滑块19在丝杠17上的位置，即调整外荷载的作用角度；通过卷扬机10调节绳索11的松紧程度，直至测力计26中拉拔力的读数恰好为零，或者拉绳位移传感器8上的示数不再变化。
42.其中，plc可编程控制器32的控制逻辑为：根据植株25的茎、夹具27及滑块19的初始位置、位移等信息，通过几何关系计算得到保证拉拔力与植株25的茎保持垂直的滑块19位移值：
[0043][0044]
式中：l1为试验前夹具27与动滑轮18间的距离，于试验前通过拉绳位移传感器8b测得；α为试验过程中植株25与铅直方向间的夹角，可通过倾角传感器34测得；δl为试验过程中植株25根系的位移变化值，可通过拉绳位移传感器8a测出两个瞬时位移，再作差可得。
[0045]
步骤四、开启激光发射器15、工业相机23将测力计26以及工业相机23分别连接信号转换器12，再将其和plc可编程控制器33分别并连接计算机13，激光发射器15对准试样，工业相机23对准试样盒31的正面，进行拍摄记录；调节激光发射器15位置，在透明土壤24内形成散斑场，使用工业相机23持续记录透明土壤散斑场、植株根系的变形，进而计算透明土壤24、植株25根系的应变。
[0046]
步骤五、启动并协同控制风荷载模拟系统、降雨模拟系统，通过plc可编程控制器33调节伺服电机9的转速，使得卷扬机10可带动绳索11以一定速率的向下运动，此时根据拉绳位移传感器8a反馈的位移变化，同步调节电机36，通过驱动滑块19在丝杆17上移动，进而使横杆35带动动滑轮18一起运动，当拉绳位移传感器8a上的位移读数达到设定值时停止加载，或测力计26上的拉拔力数值达到设定值时停止加载。
[0047]
步骤六、试验结束后，利用计算机13保存试验图像和试验数据，关闭降雨模拟系统、激光发射器15、工业相机23，伺服电机9调节卷扬机10将绳索11拉回到原位，松开夹具27，解除两个拉绳位移传感器8拉绳头的连接，并缓慢将其拉回出线口，关闭试样盒31与透明平台板28的锁定，将试样盒31搬离实验工作台；通过计算机13进行数据处理，综合分析并得出试验过程的图像演变规律、数据、分析农作物根-土系统变形破坏过程中根土间的位移变形与拉拔力之间的关系。
[0048]
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例
的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种农作物根倒伏模拟室内试验装置，其特征在于：包括实验工作台、观测系统、可视化根-土系统、风荷载模拟系统和降雨模拟系统，所述实验工作台上设置有所述观测系统和所述可视化根-土系统，所述观测系统能够绕所述可视化根-土系统旋转用于观测根-土系统变形破坏过程，所述风荷载模拟系统和所述降雨模拟系统设置于所述实验工作台的一侧，所述风荷载模拟系统能够对所述可视化根-土系统中的植株施加荷载用于模拟风荷载，所述降雨模拟系统能够对所述植株喷水用于模拟降雨。2.根据权利要求1所述的农作物根倒伏模拟室内试验装置，其特征在于：所述实验工作台包括透明平台板和升降支撑柱，所述透明平台板的四角分别连接有一升降支撑柱，所述可视化根-土系统设置于所述透明平台板的中部。3.根据权利要求2所述的农作物根倒伏模拟室内试验装置，其特征在于：所述升降支撑柱包括螺杆和螺套，所述螺套转动设置于所述实验工作台的下方，所述螺杆固定设置于一底座上，所述螺套与所述螺杆螺纹连接，所述底座下方均布有若干个柱脚。4.根据权利要求2所述的农作物根倒伏模拟室内试验装置，其特征在于：所述透明平台板的材质为有机玻璃；所述透明平台板的顶面四角上分别设置有一万向水平仪。5.根据权利要求3所述的农作物根倒伏模拟室内试验装置，其特征在于：所述观测系统包括激光发射器、计算机和工业相机，所述激光发射器设置于所述底座上且位于所述可视化根-土系统的下方，所述工业相机绕所述可视化根-土系统转动设置于所述透明平台板上，所述激光发射器与所述工业相机均与所述计算机通讯连接。6.根据权利要求5所述的农作物根倒伏模拟室内试验装置，其特征在于：所述透明平台板上设置有一圆形滑轨，所述圆形滑轨以所述可视化根-土系统的中心为圆心，所述工业相机设置于一滑座上，所述滑座与所述圆形滑轨相匹配。7.根据权利要求1所述的农作物根倒伏模拟室内试验装置，其特征在于：所述可视化根-土系统包括透明的试样盒、透明土壤和植株，所述试样盒内容纳有所述透明土壤，所述植株种植于所述透明土壤内。8.根据权利要求1所述的农作物根倒伏模拟室内试验装置，其特征在于：所述风荷载模拟系统包括施力机构和角度调整机构，所述角度调整机构上活动连接有所述施力机构，所述角度调整机构固定于地面或者一平台上，所述施力机构上设置有测力计和位移计，所述施力机构用于夹持所述植株的茎。9.根据权利要求8所述的农作物根倒伏模拟室内试验装置，其特征在于：所述施力机构包括伺服电机、卷扬机和夹具，所述伺服电机连接所述卷扬机，所述卷扬机的绳索依次绕过定滑轮和动滑轮与所述夹具连接，所述卷扬机与所述夹具之间设置有拉绳位移传感器，所述夹具上设置有所述测力计和倾角传感器；所述角度调整机构包括支架、丝杠、滑块和电机，所述支架设置于所述地面或者一平台上且位于所述实验工作台的一侧，所述支架上设置有丝杠，所述丝杠上套设有所述滑块，所述电机与所述丝杠的一端连接，所述滑块通过横杆水平连接有一动滑轮，所述支架的下部设置有一定滑轮，所述定滑轮位于所述动滑轮的下方，所述横杆上设置有拉绳位移传感器；所述电机、所述伺服电机和所述卷扬机分别与一plc可编程控制器连接。10.根据权利要求1所述的农作物根倒伏模拟室内试验装置，其特征在于：所述降雨模拟系统包括水箱、水泵、喷淋管和喷淋头，所述水箱通过所述水泵和喷淋管连接有所述喷淋
头，所述喷淋头位于所述植株的上方。

技术总结
本发明公开了一种农作物根倒伏模拟室内试验装置，涉及农业工程的技术领域，包括实验工作台、观测系统、可视化根-土系统、风荷载模拟系统和降雨模拟系统，实验工作台上设置有观测系统和可视化根-土系统，观测系统能够绕可视化根-土系统旋转用于观测根-土系统变形破坏过程，风荷载模拟系统和降雨模拟系统设置于实验工作台的一侧，风荷载模拟系统能够对可视化根-土系统中的植株施加荷载用于模拟风荷载，降雨模拟系统能够对植株喷水用于模拟降雨。本发明可在非侵入的情况下，监测到根的变形损伤过程、透明土的破坏过程、内部位移场和内部应变场，使得试验受外围环境干扰小，试验结果的离散性小。结果的离散性小。结果的离散性小。


技术研发人员：张巍 刘逸辉 丛沛桐
受保护的技术使用者：华南农业大学
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/10/19