基于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的土壤剖面采樣器的設(shè)計(jì)制作

郝杰　李富祥

摘要：針對于現(xiàn)有土壤剖面樣品采樣器存在的不足，設(shè)計(jì)一種適用于土壤生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的剖面采樣器，該采樣器具有普適性、便攜、體積小的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：生態(tài)環(huán)境;土壤剖面;采樣器

土壤是人類生活和生產(chǎn)最基本、最廣泛、最重要的自然資源，屬于地球上陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。在進(jìn)行生態(tài)環(huán)境研究的時(shí)候，土壤是重要的環(huán)境要素，需要對土壤的理化性質(zhì)進(jìn)行分析，土壤表層樣品反映了當(dāng)前環(huán)境屬性，而土壤剖面樣品除能反映當(dāng)前的理化性質(zhì)以外，還能夠反映出物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化過程，也是土壤研究的一個(gè)重要方面，要研究土壤剖面就需要對其進(jìn)行取樣。相對于表層土壤樣品采集比較容易而言，土壤的剖面樣品采集相對困難，現(xiàn)有的采樣裝置如土鉆等在對泥土進(jìn)行采樣時(shí)，一般均是用采集裝置將泥土從地下挖出，但是這種方式會(huì)使地面表層的泥土和地面底層的泥土混在一起，使得在對泥土采集后還需對泥土進(jìn)行后期分揀和切割，增加了處理的工作量，同時(shí)現(xiàn)有的采集裝置無法進(jìn)行收展，進(jìn)而在對裝置進(jìn)行攜帶或運(yùn)輸時(shí)十分地不方便。基于上述問題，結(jié)合前期項(xiàng)目的研究經(jīng)驗(yàn)以及已有的工作基礎(chǔ)，研發(fā)一種便于攜帶和運(yùn)輸，使用方便，適用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的土壤剖面采樣器。

1.設(shè)計(jì)理念

（1）普適性：適用于土壤生態(tài)環(huán)境有關(guān)的絕大部分指標(biāo)的土壤剖面監(jiān)測取樣;

（2）便攜：體積小、可收展、便于運(yùn)輸;

（3）易操作：操作簡單、易學(xué)、上手快。

2.總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的土壤剖面采樣器見圖1，主要包括立柱、固定組件、驅(qū)動(dòng)組件和取樣組件，立柱一側(cè)上端開設(shè)有限位槽，限位槽內(nèi)滑動(dòng)連接有限位塊，限位塊上固定連接有升降塊;本設(shè)計(jì)通過設(shè)置的壓柱、螺紋座、取土管和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可在裝置使用時(shí)通過驅(qū)動(dòng)組件帶動(dòng)升降塊向下移動(dòng)將取土管和滑蓋壓入土中，使土壤進(jìn)入取土管中，然后再通過驅(qū)動(dòng)組件將取土管和滑蓋拉出，同時(shí)設(shè)置的三角留土凸塊可將泥土留在取土管內(nèi)，取土管和滑蓋拔出后可通過螺紋座和螺紋連接頭將取土管拆下，拆下后將滑蓋從滑板槽內(nèi)拉出，進(jìn)而可對取土管內(nèi)的泥土進(jìn)行取樣，進(jìn)而避免了泥土散亂混在一起的情況，使得對泥土的取樣更加地精準(zhǔn)方便，見圖1。立柱（1）、限位槽（2）、固定座（3）、升降塊（4）、壓柱（5）、螺紋桿（6）、安裝座（7）、螺紋座（8）、滑蓋（9）、取土管（10）、驅(qū)動(dòng)電機(jī)（11）、限位槽（12）、限位滑塊（13）、連桿（14）、支撐板（15）、轉(zhuǎn)動(dòng)座（16）、固定釬（17）、螺紋連接頭（18）、圓孔板（20）、滑板槽（19）、限位塊（21）。

（1）固定組件的設(shè)計(jì)：

土壤剖面樣品采集時(shí)需要將采樣器最大限度地固定住，單靠人力可能產(chǎn)生傾斜，不好掌握平衡，因此研究過程中在立柱底部設(shè)計(jì)了三個(gè)支撐板（15），支撐板可折疊，使于攜帶，支撐板上設(shè)計(jì)有固定纖（17），支撐板打開后固定纖插入地表起到支撐與固定作用，為了保證土壤剖面樣品是垂直采取的，在立柱上設(shè)置類似測量儀器上所帶的水平氣泡，利用水平氣泡保證樣品采集的準(zhǔn)確性。

（2）驅(qū)動(dòng)組件的設(shè)計(jì)：

在固定組件上安裝可拆卸的驅(qū)動(dòng)組件，驅(qū)動(dòng)組件擬設(shè)置壓柱（5）、螺紋座（8）和驅(qū)動(dòng)電機(jī)（11）。在裝置使用時(shí)通過驅(qū)動(dòng)組件帶動(dòng)升降塊向下移動(dòng)，將升降塊上固定的取土組件壓入土中，達(dá)到采樣深度后再通過驅(qū)動(dòng)組件將取土組件拉出。

（3）取土組件的設(shè)計(jì)：

在驅(qū)動(dòng)組件上通過螺紋連接的方式安裝取土組件，取土組件擬設(shè)計(jì)成由取土管（10）和滑蓋（9）組成，取土后，可將取土組件旋下，提拉滑蓋打開取土管，取土管內(nèi)帶有刻度，可直接按刻度取相應(yīng)深度的土壤樣品。

3.具體設(shè)計(jì)

參閱圖1，在本設(shè)計(jì)中，包括立柱（1）、固定組件、驅(qū)動(dòng)組件和取樣組件，立柱（1）一側(cè)上端開設(shè)有限位槽（2），限位槽（2）內(nèi)滑動(dòng)連接有限位塊（21），限位塊（21）上固定連接有升降塊（4）;

固定組件置于立柱（1）的下端位置，用于對立柱（1）進(jìn)行固定;

驅(qū)動(dòng)組件置于立柱（1）上端靠近限位槽（2）的位置，用于驅(qū)動(dòng)升降塊（4）進(jìn)行上下移動(dòng);

取樣組件置于升降塊（4）上，用于對泥土進(jìn)行取樣;立柱（1）上還設(shè)有用于為驅(qū)動(dòng)電機(jī)（11）供電的蓄電池。

固定組件包括限位槽（12）和支撐板（15），三個(gè)支撐板（15）均轉(zhuǎn)動(dòng)連接在立柱（1）遠(yuǎn)離限位槽（2）的三個(gè)面下端，立柱（1）位于支撐板（15）上方的位置均開設(shè)有限位槽（12），限位槽（12）內(nèi)均滑動(dòng)連接有限位滑塊（13），支撐板（15）上端面均固定連接有轉(zhuǎn)動(dòng)座（16），轉(zhuǎn)動(dòng)座（16）和限位滑塊（13）之間均設(shè)有連桿（14），連桿（14）兩端均為轉(zhuǎn)動(dòng)連接，支撐板（15）下端面均固定連接有固定釬（17）;本設(shè)計(jì)通過在立柱（1）底部設(shè)置的支撐板（15）、固定釬（17）、連桿（14）、限位槽（2），可在裝置使用時(shí)將支撐板（15）放下，然后將固定釬（17）插入中進(jìn)行固定，當(dāng)裝置使用完成后可通過連桿（14）將支撐板（15）收起，進(jìn)而可減少裝置的占用面積，使得裝置的攜帶更加的便捷方便。

驅(qū)動(dòng)組件包括固定座（3）和安裝座（7），固定座（3）固定連接在立柱（1）上位于限位槽（12）上端的位置，安裝座（7）固定連接在立柱（1）上位于限位槽（12）下端的位置，固定座（3）與安裝座（7）之間轉(zhuǎn)動(dòng)連接有螺紋桿（6），螺紋桿（6）與升降塊（4）螺紋連接，立柱（1）上位于安裝座（7）下方的位置還固定連接有用于驅(qū)動(dòng)螺紋桿（6）進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)（11）;取樣組件包括壓柱（5）、滑蓋（9）和取土管（10），壓柱（5）固定連接在升降塊（4）下端面，壓柱（5）與安裝座（7）滑動(dòng)連接，安裝座（7）下端固定連接有螺紋座（8），取土管（10）上端固定連接有螺紋連接頭（18），螺紋連接頭（18）與螺紋座（8）螺紋連接，取土管（10）一側(cè)還開設(shè)有滑板槽（19），滑蓋（9）上端固定連接有圓孔板（20），滑蓋（9）滑動(dòng)連接在滑板槽（19）內(nèi)，取土管（10）內(nèi)部兩側(cè)壁上均固定連接有若干個(gè)三角留土凸塊（22）;取土管（10）和滑蓋（9）下端均開設(shè)有開土刃;本設(shè)計(jì)通過設(shè)置的壓柱（5）、螺紋座（8）、取土管（10）和驅(qū)動(dòng)電機(jī)（11），可在裝置使用時(shí)通過驅(qū)動(dòng)組件帶動(dòng)升降塊（4）向下移動(dòng)將取土管（10）和滑蓋（9）壓入土中，然后再通過驅(qū)動(dòng)組件再將取土管（10）和滑蓋（9）拉出，同時(shí)設(shè)置的三角留土凸塊（22）可將泥土留在取土管（10）內(nèi)，取土管（10）和滑蓋（9）拔出后可通過螺紋座（8）和螺紋連接頭（18）將取土管（10）拆下，拆下后將滑蓋（9）從滑板槽（19）內(nèi)拉出，進(jìn)而可對取土管（10）內(nèi)的泥土進(jìn)行取樣，進(jìn)而避免了泥土散亂混在一起的情況，使得對泥土的取樣更加的精準(zhǔn)方便。

4.工作原理

本土壤采樣器在使用時(shí)，通過翻轉(zhuǎn)支撐板（15）將支撐板（15）放下，并通過支撐板（15）上的固定釬（17）進(jìn)行固定，然后通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)（11）帶動(dòng)螺紋桿（6）進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，螺紋桿（6）轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)升降塊（4）向下移動(dòng)，將取土管（10）和滑蓋（9）壓入土中，壓入完成后通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)（11）翻轉(zhuǎn)帶動(dòng)升降塊（4）向上移動(dòng)將取土管（10）和滑蓋（9）拔出，設(shè)置的三角留土凸塊（22）可將泥土留在取土管（10）內(nèi)，取土管（10）和滑蓋（9）拔出后可通過螺紋座（8）和螺紋連接頭（18）將取土管（10）拆下，拆下后將滑蓋（9）從滑板槽（19）內(nèi)拉出，進(jìn)而可對取土管（10）內(nèi)的泥土進(jìn)行取樣，從而避免了泥土散亂混在一起的情況，使得對泥土的取樣更加的精準(zhǔn)方便，完成采樣后通過將取土管（10）內(nèi)的泥土清理出來，將滑蓋（9）插入滑板槽（19）內(nèi)，然后將螺紋連接頭（18）擰入螺紋座（8）內(nèi)，直至螺紋座（8）將圓孔板（20）壓緊即可，當(dāng)裝置使用完成后，可通過連桿（14）將支撐板（15）收起，進(jìn)而可減少裝置的占用面積，使得裝置的攜帶更加的便捷方便。

參考文獻(xiàn)：

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注：遼東學(xué)院2021年度本科大學(xué)生國家級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助。

通訊作者：李富祥