基于生态环境监测的土壤剖面采样器的设计制作

郝杰　李富祥

摘要：针对于现有土壤剖面样品采样器存在的不足，设计一种适用于土壤生态环境监测的剖面采样器，该采样器具有普适性、便携、体积小的特点。

关键词：生态环境;土壤剖面;采样器

土壤是人类生活和生产最基本、最广泛、最重要的自然资源，属于地球上陆地生态系统的重要组成部分。在进行生态环境研究的时候，土壤是重要的环境要素，需要对土壤的理化性质进行分析，土壤表层样品反映了当前环境属性，而土壤剖面样品除能反映当前的理化性质以外，还能够反映出物质的迁移转化过程，也是土壤研究的一个重要方面，要研究土壤剖面就需要对其进行取样。相对于表层土壤样品采集比较容易而言，土壤的剖面样品采集相对困难，现有的采样装置如土钻等在对泥土进行采样时，一般均是用采集装置将泥土从地下挖出，但是这种方式会使地面表层的泥土和地面底层的泥土混在一起，使得在对泥土采集后还需对泥土进行后期分拣和切割，增加了处理的工作量，同时现有的采集装置无法进行收展，进而在对装置进行携带或运输时十分地不方便。基于上述问题，结合前期项目的研究经验以及已有的工作基础，研发一种便于携带和运输，使用方便，适用于生态环境监测的土壤剖面采样器。

1.设计理念

（1）普适性：适用于土壤生态环境有关的绝大部分指标的土壤剖面监测取样;

（2）便携：体积小、可收展、便于运输;

（3）易操作：操作简单、易学、上手快。

2.总体设计

设计的土壤剖面采样器见图1，主要包括立柱、固定组件、驱动组件和取样组件，立柱一侧上端开设有限位槽，限位槽内滑动连接有限位块，限位块上固定连接有升降块;本设计通过设置的压柱、螺纹座、取土管和驱动电机，可在装置使用时通过驱动组件带动升降块向下移动将取土管和滑盖压入土中，使土壤进入取土管中，然后再通过驱动组件将取土管和滑盖拉出，同时设置的三角留土凸块可将泥土留在取土管内，取土管和滑盖拔出后可通过螺纹座和螺纹连接头将取土管拆下，拆下后将滑盖从滑板槽内拉出，进而可对取土管内的泥土进行取样，进而避免了泥土散乱混在一起的情况，使得对泥土的取样更加地精准方便，见图1。立柱（1）、限位槽（2）、固定座（3）、升降块（4）、压柱（5）、螺纹杆（6）、安装座（7）、螺纹座（8）、滑盖（9）、取土管（10）、驱动电机（11）、限位槽（12）、限位滑块（13）、连杆（14）、支撑板（15）、转动座（16）、固定钎（17）、螺纹连接头（18）、圆孔板（20）、滑板槽（19）、限位块（21）。

（1）固定组件的设计：

土壤剖面样品采集时需要将采样器最大限度地固定住，单靠人力可能产生倾斜，不好掌握平衡，因此研究过程中在立柱底部设计了三个支撑板（15），支撑板可折叠，使于携带，支撑板上设计有固定纤（17），支撑板打开后固定纤插入地表起到支撑与固定作用，为了保证土壤剖面样品是垂直采取的，在立柱上设置类似测量仪器上所带的水平气泡，利用水平气泡保证样品采集的准确性。

（2）驱动组件的设计：

在固定组件上安装可拆卸的驱动组件，驱动组件拟设置压柱（5）、螺纹座（8）和驱动电机（11）。在装置使用时通过驱动组件带动升降块向下移动，将升降块上固定的取土组件压入土中，达到采样深度后再通过驱动组件将取土组件拉出。

（3）取土组件的设计：

在驱动组件上通过螺纹连接的方式安装取土组件，取土组件拟设计成由取土管（10）和滑盖（9）组成，取土后，可将取土组件旋下，提拉滑盖打开取土管，取土管内带有刻度，可直接按刻度取相应深度的土壤样品。

3.具体设计

参阅图1，在本设计中，包括立柱（1）、固定组件、驱动组件和取样组件，立柱（1）一侧上端开设有限位槽（2），限位槽（2）内滑动连接有限位块（21），限位块（21）上固定连接有升降块（4）;

固定组件置于立柱（1）的下端位置，用于对立柱（1）进行固定;

驱动组件置于立柱（1）上端靠近限位槽（2）的位置，用于驱动升降块（4）进行上下移动;

取样组件置于升降块（4）上，用于对泥土进行取样;立柱（1）上还设有用于为驱动电机（11）供电的蓄电池。

固定组件包括限位槽（12）和支撑板（15），三个支撑板（15）均转动连接在立柱（1）远离限位槽（2）的三个面下端，立柱（1）位于支撑板（15）上方的位置均开设有限位槽（12），限位槽（12）内均滑动连接有限位滑块（13），支撑板（15）上端面均固定连接有转动座（16），转动座（16）和限位滑块（13）之间均设有连杆（14），连杆（14）两端均为转动连接，支撑板（15）下端面均固定连接有固定钎（17）;本设计通过在立柱（1）底部设置的支撑板（15）、固定钎（17）、连杆（14）、限位槽（2），可在装置使用时将支撑板（15）放下，然后将固定钎（17）插入中进行固定，当装置使用完成后可通过连杆（14）将支撑板（15）收起，进而可减少装置的占用面积，使得装置的携带更加的便捷方便。

驅动组件包括固定座（3）和安装座（7），固定座（3）固定连接在立柱（1）上位于限位槽（12）上端的位置，安装座（7）固定连接在立柱（1）上位于限位槽（12）下端的位置，固定座（3）与安装座（7）之间转动连接有螺纹杆（6），螺纹杆（6）与升降块（4）螺纹连接，立柱（1）上位于安装座（7）下方的位置还固定连接有用于驱动螺纹杆（6）进行转动的驱动电机（11）;取样组件包括压柱（5）、滑盖（9）和取土管（10），压柱（5）固定连接在升降块（4）下端面，压柱（5）与安装座（7）滑动连接，安装座（7）下端固定连接有螺纹座（8），取土管（10）上端固定连接有螺纹连接头（18），螺纹连接头（18）与螺纹座（8）螺纹连接，取土管（10）一侧还开设有滑板槽（19），滑盖（9）上端固定连接有圆孔板（20），滑盖（9）滑动连接在滑板槽（19）内，取土管（10）内部两侧壁上均固定连接有若干个三角留土凸块（22）;取土管（10）和滑盖（9）下端均开设有开土刃;本设计通过设置的压柱（5）、螺纹座（8）、取土管（10）和驱动电机（11），可在装置使用时通过驱动组件带动升降块（4）向下移动将取土管（10）和滑盖（9）压入土中，然后再通过驱动组件再将取土管（10）和滑盖（9）拉出，同时设置的三角留土凸块（22）可将泥土留在取土管（10）内，取土管（10）和滑盖（9）拔出后可通过螺纹座（8）和螺纹连接头（18）将取土管（10）拆下，拆下后将滑盖（9）从滑板槽（19）内拉出，进而可对取土管（10）内的泥土进行取样，进而避免了泥土散乱混在一起的情况，使得对泥土的取样更加的精准方便。

4.工作原理

本土壤采样器在使用时，通过翻转支撑板（15）将支撑板（15）放下，并通过支撑板（15）上的固定钎（17）进行固定，然后通过驱动电机（11）带动螺纹杆（6）进行旋转，螺纹杆（6）转动带动升降块（4）向下移动，将取土管（10）和滑盖（9）压入土中，压入完成后通过驱动电机（11）翻转带动升降块（4）向上移动将取土管（10）和滑盖（9）拔出，设置的三角留土凸块（22）可将泥土留在取土管（10）内，取土管（10）和滑盖（9）拔出后可通过螺纹座（8）和螺纹连接头（18）将取土管（10）拆下，拆下后将滑盖（9）从滑板槽（19）内拉出，进而可对取土管（10）内的泥土进行取样，从而避免了泥土散乱混在一起的情况，使得对泥土的取样更加的精准方便，完成采样后通过将取土管（10）内的泥土清理出来，将滑盖（9）插入滑板槽（19）内，然后将螺纹连接头（18）拧入螺纹座（8）内，直至螺纹座（8）将圆孔板（20）压紧即可，当装置使用完成后，可通过连杆（14）将支撑板（15）收起，进而可减少装置的占用面积，使得装置的携带更加的便捷方便。

参考文献：

[1]莫迪.车载土壤采样装置控制系统的设计与实现[D].上海交通大学，2014.

[2]杨佺.土壤快速采集装置研究[D].南京信息工程大学，2011.

[3]张凯，刘成良.车载液压振动式土壤采集装置研究[J].南京信息工程大学学报（自然科学版），2010，2（4）：297-301.

注：辽东学院2021年度本科大学生国家级创新创业训练计划项目资助。

通讯作者：李富祥