一种高精度地表蠕移输沙量实时连续采集系统[实用新型专利]

(12)实用新型专利

(10)授权公告号 CN 208476387 U(45)授权公告日 2019.02.05

(21)申请号 201820144671.9(22)申请日 2018.01.29

(73)专利权人 北京师范大学

地址 100875 北京市海淀区新街口外大街

19号(72)发明人 张国明　韩旭娇　戴佳栋　刘连友　

史培军　杨岩岩　吕艳丽　郭兰兰　刘勇　赵梦頔　佐曦阳　刘芸　(74)专利代理机构 北京纽乐康知识产权代理事

务所(普通合伙) 11210

代理人 王珂(51)Int.Cl.

G01G 23/37(2006.01)G01D 21/02(2006.01)

(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利(54)实用新型名称

一种高精度地表蠕移输沙量实时连续采集系统

(57)摘要

本实用新型公开了一种高精度地表蠕移输沙量实时连续采集系统，包括固定装置、连续采样系统、数据实时记录传输系统和供蓄电系统。

同步性本实用新型具有高精度、实时性、连续性、

和自动性，且数据的采集和记录均由仪器完成，节省了人工费用和时间；始终与地面高度保持一致，自然状况模拟好，适合野外高精度地表蠕移颗粒的自动监测。

权利要求书1页 说明书6页 附图5页

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权　利　要　求　书

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1.一种高精度地表蠕移输沙量实时连续采集系统，其特征在于，包括固定装置、连续采样系统、数据实时记录传输系统和供蓄电系统，所述的固定装置包括外箱体(1)、固定板(2)、固定支架一(3)、水平气泡(22)和固定支架二(25)，所述的外箱体(1)的内壁上设有固定支架一(3)，所述外箱体(1)的下部连接有固定板(2),所述的固定板(2)的四角各有一个调节水平的气泡(22)，所述固定板(2)底部设有固定支架二(25)，所述的固定装置内设有连续采样系统，所述的连续采样系统包括集沙装置和伸缩筒(13)，所述的集沙装置包括内箱体(4)、防雨挡板(5)、排气导管(6)、顶盖(7)、进沙孔(8)、卡扣(9)、进沙孔盖(10)、导沙管(11)、集沙桶(12)和重量传感器(14)，所述伸缩筒(13)的正上方设有内箱体(4)，所述内箱体(4)的下部为重量传感器(14)，所述内箱体(4)的中部设有集沙桶(12)，所述内箱体(4)的顶部设有顶盖(7)，所述顶盖(7)的四角设置有与所述内箱体(4)贯通的排气导管(6)，所述排气导管(6)的顶部安装有防雨挡板(5),所述顶盖(7)的表面设有圆形进沙孔(8)，所述圆形进沙孔(8)的正下方设有进沙孔盖(10)，所述进沙孔盖(10)的一侧设有卡扣(9),所述的圆形进沙孔(8)卡接有导沙管(11)，所述导沙管(11)的正下方设有集沙桶(12)，所述的集沙桶(12)的正下方设置重量传感器(14),所述伸缩筒(13)略低于顶盖(7)，所述的数据实时记录传输系统包括数据采集器(16)、控制器(19)、传感器系统(20)和时间记录器(21),所述的数据采集器(16)、时间记录器(21)安放在外箱体(1)内壁的固定支架一(3)上，所述的控制器(19)安放在内箱体(4)内部，所述的供蓄电系统包括电缆线(15)、太阳能电池板(17)、蓄电池(18)、太阳能支架(23)和太阳能固定底座(24)，所述的蓄电池(18)设置在外箱体(1)内，所述的蓄电池(18)通过电缆线(15)与太阳能电池板(17)连接，所述的太阳能电池板(17)通过太阳能支架(23)安装在太阳能固定底座(24)上。

2.根据权利要求1所述的一种高精度地表蠕移输沙量实时连续采集系统，其特征在于，所述连续采样系统的重量传感器(14)通过电缆线(15)与所述数据实时记录传输系统的数据采集器(16)、控制器(19)、传感器系统(20)、时间记录器(21)、供蓄电系统的太阳能电池板(17)和蓄电池(18)连接。

3.根据权利要求1所述的一种高精度地表蠕移输沙量实时连续采集系统，其特征在于，所述的内箱体(4)略高于外箱体(1)，并且所述内箱体(4)的外表面设有刻度。

4.根据权利要求1所述的一种高精度地表蠕移输沙量实时连续采集系统，其特征在于，所述的集沙桶(12)为开口装置。

5.根据权利要求1所述的一种高精度地表蠕移输沙量实时连续采集系统，其特征在于，所述的传感器系统(20)包括温度传感器、湿度传感器、风向传感器和风速传感器。

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一种高精度地表蠕移输沙量实时连续采集系统

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技术领域

[0001]本实用新型涉及输沙量采集技术领域，具体来说，涉及一种高精度地表蠕移输沙量实时连续采集系统。

背景技术

[0002]干旱区和半干旱区，风沙活动是地貌塑造的主要过程，是土壤风蚀的主要外营力。反映沙漠化发展和土壤风蚀的直接指标便是风沙活动所产生的沙通量。集沙仪是研究风蚀荒漠化和测定土壤风蚀量的重要仪器，用于收集和测定风沙流在单位时间内通过单位宽度断面所搬运的沙通量。

[0003]目前国内外常用的集沙仪主要分为两类：第一类是机械式集沙仪，如翻斗式集沙仪、平口集沙仪、多路方口集沙仪、旋风分离式集沙仪、MWAC采集器、BSNE采集器和creep sampler采集器等。其可定量直接观测，准确测定沙通量，但是人工集沙过程繁琐，每一次沙尘过程结束后需要立即采样收集，否则容易和下次采集的数据混淆，而且不能了解沙尘的变化过程，难以实现沙通量高时间分辨率的实时监测和自动记录。第二类是使用电子一起称重和记录沙尘重量。其可以实现对沙尘数据的实时自动监测，并能了解沙尘的变化过程，但是因风沙流“风压”的存在，难以实现高精度和高时间分辨率的监测。

[0004]拜格诺最早根据沙粒运动动量的主要来源及风力和颗粒质量大小的不同，将沙粒运动划分为3种基本形式：蠕移、跃移和悬移。其中，蠕移质约占风沙流中总沙量的25%。根据沙粒的运动形式，进而衍生出多种集沙仪。国内外风蚀研究中已使用过的多种集沙仪，主要是收集距离地表不同高度的悬浮沙尘。相比于沙物质跃移和悬浮沙尘的测定仪器而言，用于测定蠕移沙粒的仪器很少。Creep sampler 采集器尽管可以收集地表蠕移沙粒，但存在结构复杂、不易携带、价格昂贵和取样繁琐等问题。程宏等人设计的蠕移沙粒收集装置适用于测定沙粒蠕移速度；赵爱国等人设计的沙粒蠕移收集器用于测定单个方位的沙物理蠕移量，但是会受其他方向的影响；李锦荣等人设计的沙物质蠕移收集器克服了跃移质的干扰，但需人工集沙测重，过程繁琐不便。综上，目前的蠕移收集器存在以下问题：人工集沙过程繁琐、不能实时自动监测、测量精度和时间分辨率低、受跃移质的影响大、受雨水天气的影响大、难以和气象数据建立直接联系、结构复杂、价格昂贵等。实用新型内容

[0005]针对相关技术中的上述问题，本实用新型提出一种高精度地表蠕移输沙量实时连续采集系统，能够克服现有技术的上述不足。[0006]为实现上述技术目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：[0007]一种高精度地表蠕移输沙量实时连续采集系统，其特征在于，包括固定装置、连续采样系统、数据实时记录传输系统和供蓄电系统。[0008]进一步的，所述的固定装置包括外箱体、固定板、固定支架一、水平气泡和固定支架二，所述的外箱体的内壁上设有固定支架一，所述外箱体的下部连接有固定板,所述的固

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定板的四角各有一个调节水平的气泡，所述固定板底部设有固定支架二。[0009]进一步的，所述的固定装置内设有连续采样系统，所述的连续采样系统包括集沙装置和伸缩筒，所述的集沙装置包括内箱体、防雨挡板、排气导管、顶盖、进沙孔、卡扣、进沙孔盖、导沙管、集沙桶和重量传感器，所述伸缩筒的正上方设有内箱体，所述内箱体的下部为重量传感器，所述内箱体的中部设有集沙桶，所述内箱体的顶部设有顶盖，所述顶盖的四角设置有与所述内箱体贯通的排气导管，所述排气导管的顶部安装有防雨挡板,所述顶盖的表面设有圆形进沙孔，所述圆形进沙孔的正下方设有进沙孔盖，所述进沙孔盖的一侧设有卡扣,所述的圆形进沙孔卡接有导沙管，所述导沙管的正下方设有集沙桶，所述的集沙桶的正下方设置重量传感器,所述伸缩筒略低于顶盖。[0010]进一步的，所述的数据实时记录传输系统包括数据采集器、控制器、传感器系统和时间记录器。所述的数据采集器、时间记录器安放在外箱体内壁的固定支架一上，所述的控制器安放在内箱体内部。[0011]进一步的，所述的供蓄电系统包括电缆线、太阳能电池板、蓄电池、太阳能支架和太阳能固定底座，所述的蓄电池设置在外箱体内，所述的蓄电池通过电缆线与太阳能电池板连接，所述的太阳能电池板通过太阳能支架安装在太阳能固定底座上。[0012]进一步的，所述连续采样系统的重量传感器通过电缆线与所述数据实时记录传输系统的数据采集器、控制器、传感器系统、时间记录器、供蓄电系统的太阳能电池板和蓄电池连接。

[0013]进一步的，所述的内箱体略高于外箱体，并且所述内箱体的外表面设有刻度。[0014]进一步的，所述的集沙桶为开口装置。[0015]进一步的，所述的传感器系统包括温度传感器、湿度传感器、风向传感器和风速传感器。

[0016]本实用新型的有益效果：本实用新型数据的采集和记录均由仪器自动完成，不需要实验人员的参与，大大节省了人工费用和数据采集时间；本实用新型结构较为简单，易于安装和取样，数据收集方便快捷，精度高；通过实时监测，自动调整装置始终与地面高度保持一致，自然状况模拟较好，适合野外高精度的地表蠕移颗粒的自动监测。附图说明

[0017]为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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。

[0018]图1是根据本实用新型实施例所述的一种高精度地表蠕移输沙量实时连续采集系统的结构示意图；

[0019]图2是根据本实用新型实施例所述的一种高精度地表蠕移输沙量实时连续采集系统的主视图；

[0020]图3是根据本实用新型实施例所述的一种高精度地表蠕移输沙量实时连续采集系统的俯视图；

[0021]图4是根据本实用新型实施例所述的一种高精度地表蠕移输沙量实时连续采集系

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统的连续采样系统部分结构示意图；

[0022]图5是根据本实用新型实施例所述的一种高精度地表蠕移输沙量实时连续采集系统的数据实时记录传输系统部分示意图；

[0023]图6是根据本实用新型实施例所述的一种高精度地表蠕移输沙量实时连续采集系统的供蓄电系统部分示意图。[0024]图中：1、外箱体；2、固定板；3、固定支架一；4、内箱体；5、防雨挡板；6、排气导管；7、顶盖；8、进沙孔；9、卡扣；10、进沙孔盖；11、导沙管；12、集沙桶；13、伸缩筒；14、重量传感器；15、电缆线；16、数据采集器；17、太阳能电池板；18、蓄电池；19、控制器；20、传感器系统；21、时间记录器；22、水平气泡；23、太阳能支架；24、太阳能固定底座；25、固定支架二。具体实施方式

[0025]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。[0026]如图1-4所示，根据本实用新型实施例所述的一种高精度地表蠕移输沙量实时连续采集系统，一种高精度地表蠕移输沙量实时连续采集系统，其特征在于，包括固定装置、连续采样系统、数据实时记录传输系统和供蓄电系统。[0027]在一具体实施例中，所述的固定装置包括外箱体1、固定板2、固定支架一3、水平气泡22和固定支架二25，所述的外箱体1的内壁上设有固定支架一3，所述外箱体1的下部连接有固定板2，所述的固定板2的四角各有一个调节水平的气泡22，所述固定板2底部设有固定支架二25。

[0028]在一具体实施例中，所述的固定装置内设有连续采样系统，所述的连续采样系统包括集沙装置和伸缩筒13，所述的集沙装置包括内箱体4、防雨挡板5、排气导管6、顶盖7、进沙孔8、卡扣9、进沙孔盖10、导沙管11、集沙桶12和重量传感器14，所述伸缩筒13的正上方设有内箱体4，所述内箱体4的下部为重量传感器14，所述内箱体4的中部设有集沙桶12，所述内箱体4的顶部设有顶盖7，所述顶盖7的四角设置有与所述内箱体4贯通的排气导管6，所述排气导管6的顶部安装有防雨挡板5,所述顶盖7的表面设有圆形进沙孔8，所述圆形进沙孔8的正下方设有进沙孔盖10，所述进沙孔盖10的一侧设有卡扣9,所述的圆形进沙孔8卡接有导沙管11，所述导沙管11的正下方设有集沙桶12，所述的集沙桶12的正下方设置重量传感器14,所述伸缩筒13略低于顶盖7。[0029]在一具体实施例中，所述的数据实时记录传输系统包括数据采集器16、控制器19、传感器系统20和时间记录器21,所述的数据采集器16、时间记录器21安放在外箱体1内壁的固定支架一3上，所述的控制器19安放在内箱体1内部。[0030]在一具体实施例中，所述的供蓄电系统包括电缆线15、太阳能电池板17、蓄电池18、太阳能支架23和太阳能固定底座24，所述的蓄电池18设置在外箱体1内，所述的蓄电池18通过电缆线15与太阳能电池板17连接，所述的太阳能电池板17通过太阳能支架23安装在太阳能固定底座24上。

[0031]在一具体实施例中，所述连续采样系统的重量传感器14通过电缆线15与所述数据

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实时记录传输系统的数据采集器16、控制器19、传感器系统20、时间记录器21、供蓄电系统的太阳能电池板17和蓄电池18连接。[0032]在一具体实施例中，所述的内箱体4略高于外箱体1，并且所述内箱体4的外表面设有刻度。

[0033]在一具体实施例中，所述的集沙桶12为开口装置。[0034]在一具体实施例中，所述的传感器系统20包括温度传感器、湿度传感器、风向传感器和风速传感器。

[0035]为了方便理解本实用新型的上述技术方案，以下通过具体使用方式进行详细说明。

[0036]在具体使用时，根据本实用新型所述的一种高精度地表蠕移输沙量实时连续采集系统，包括固定装置、连续采样系统、数据实时记录传输系统和供蓄电系统。[0037]所述固定装置包括外箱体1、固定板2、固定支架一3、水平气泡22和固定支架二25，所述的外箱体1的内壁上设有固定支架一3，所述外箱体1的下部连接有固定板2,所述的固定板2的四角各有一个调节水平的气泡22，所述固定板2的底部连接固定支架二25。所述固定板2和固定支架二25用于固定外箱体1，减小由于地面松散导致的外箱体1下沉问题，提高野外集沙的效率，所述固定支架一3用于安放数据采集器16和时间记录器21，所述水平气泡22用于指示固定板2和固定支架二25是否水平安放。[0038]所述固定装置内设有连续采样系统，所述连续采样系统包括集沙装置和可调节高度的伸缩桶13，所述集沙装置包括内箱体4、防雨挡板5、排气导管6、顶盖7、进沙孔8、卡扣9、进沙孔盖10、导沙管11、集沙桶12和重量传感器14。所述内箱体4为内部中空的长方体箱体结构。所述内箱体4略高于外箱体1。因为风蚀会导致地面高度有不同程度的下降，所以在所述内箱体4底部标注刻度，用于实时调整内箱体4的高度，时刻保持与地面平行，减小集沙误差，提高测量的精准性。所述内箱体4的顶部为顶盖7，所述顶盖7表面设有圆形进沙孔8，所述圆形进沙孔8的正下方设有进沙孔盖10，所述进沙孔盖10的一侧设有卡扣9，所述卡扣9用于开关进沙孔盖10。所述进沙孔8经旋转卡扣9，打开进沙孔盖10方可使用，所述进沙孔8用于卡放导沙管11，所述导沙管11略高于顶盖7，用于在顶盖7上粘结观测地的实际测量沙物质，沙物质保持与导沙管11平行，粘结的沙物质用于模拟测量的实际情况，减小测量误差。所述导沙管11的正下方为集沙桶12，所述导沙管11的底部低于集沙桶12的上部。所述顶盖7的四角设置有与内箱体4贯通的排气导管6，用于排出进入内箱体4和开口装置集沙桶12的空气，以减小风压差对集沙重量的影响，减小测量误差。所述排气导管6的上方用于安装防雨挡板5，一来可以阻挡雨水，防止雨水进入集沙装置，避免恶劣天气对观测数据造成的不精准现象；二来，可以防止雨水进入集沙装置，避免造成对装置的损伤；三来，可以阻挡跃移质和悬移质进入进沙孔8，造成实测数据量偏大的现象，增加测量的精确性；还可以阻挡鸟类的粪便等进入造成测量误差，确保实现蠕移沙量的准确性。所述重量传感器14通过电缆线15与所述数据实时记录传输系统的数据采集器16、控制器19、传感器系统20、时间记录器21、供蓄电系统的太阳能电池板17和蓄电池18连接。所述重量传感器14位于集沙桶12的正下方，用于实时连续称量集沙桶12的沙样重量。所述重量传感器14为高精度的重量传感器（电子天平），其测量精度可达到0.001g，称量的高时间分辨率可达到1s。称量系统包括两种可供选择的称量方式：第一种是重量称量法，即重量每增加0.01g进行称量；第二种是时

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间称量法，即时间每经过1s进行称量。其中，第二种称量方式中的称量重量为累计称重，在计算过程中，每一时刻的集沙重量为g=gs-gs-1（gs为第s时刻的重量，gs-1为第s-1时刻的重量）。所述伸缩筒13略低于集沙装置的顶盖7。

[0039]所述数据实时记录传输系统包括数据采集器16、控制器19、传感器系统20和时间记录器21。所述数据采集器16和时间记录器21安装在外箱体1内壁的固定支架一3上，所述传感器系统20安放在内箱体1内部。所述数据采集器16、传感器系统20和时间记录器21之间实时匹配完好。所述数据采集器16中安装有数据存储卡，以辅助收集并记录大量数据。所述传感器系统20的温度传感器、湿度传感器、风向传感器、风速传感器实时监测地面温度、湿度、风向、风速等气象要素，还可以与气象数据建立实时直接联系。所述传感器系统20的高度传感器通过测量地面高度，将数据及时传输至数据采集器16，数据采集器16将数据传输至控制器19，由控制器19发出信号，自动调整内箱体4在伸缩筒13的位置。所述供蓄电系统包括电缆线15、太阳能电池板17、蓄电池18、太阳能支架23和太阳能固定底座24。所述的蓄电池18设置在外箱体1内，通过电缆线15与太阳能电池板17连接，所述太阳能电池板17用于供电，蓄电池18用于存储电能，实现数据的连续实时获取。所述的太阳能电池板17通过太阳能支架23安装在太阳能固定底座24上。[0040]使用时，首先在观测区域选择一块下垫面性质较为均一的平坦区域，用铁锹挖坑，坑的大小要略大略深于外箱体1。将组装好的地表蠕移采集器放入挖好的坑中，使外箱体1的顶部低于地面，调整内箱体4，使其也要略低于地面，取下内箱体4的顶盖7，旋转卡扣9打开进沙孔盖10，盖上顶盖7，把导沙管11放入并卡在进沙孔8，然后取研究区的地表物质，利用粒径筛将杂物过滤后均匀铺设在顶盖7的表面，使沙物质与导沙管11齐平，使得顶盖7的粗糙度与观测区的粗糙度一致，提高观测蠕移量的准确性。导沙管11的高度与地面齐平。排气导管6和防雨挡板5出露地表。在外箱体1上埋土并踏实，使地表保持相对平坦，以保证和实际情况相对一致。[0041]集沙时，首先分离蠕移质、跃移质和悬移质，其中，进入内箱体4和集沙桶12的空气通过排气导管6排出，地表的蠕移颗粒通过进沙孔8经过导沙管11自然落入集沙桶12中，再由重量传感器14对集沙桶12收集的蠕移颗粒进行测重，测重数据经电缆线15传输至数据采集器16，用于保存并记录数据。同时，时间记录器21和传感器系统20的数据也经电缆线15传输至数据采集器16，实现实时连续记录。其中数据采集器16中的数据可以存储在数据存储卡中，同时无线传输至数据中心。[0042]本实用新型具有高精度、实时性、连续性、同步性和自动性。本实用新型结构较为简单，易于安装和取样，数据收集方便快捷，精度高；通过实时监测，自动调整装置始终与地面高度保持一致，自然状况模拟较好，适合野外高精度的地表蠕移颗粒的自动监测；地表风速的连续变化，会导致地表蠕移量产生实时变化，本实用新型解决了风速和蠕移量的实时同步监测，实现了集沙的连续采集、连续称重及数据的连续记录，解决了实测的连续性；可同步获取气象数据（温度、湿度、风速、风向）、时间数据和蠕移量数据，自动集沙并记录数据；经过高度传感器测得的高度通过数据采集器和控制器，自动调整内箱体的高度，实现了操作的自动性。

[0043]本实用新型的高精度体现在以下五个方面：第一，防雨挡板5一来可以阻挡雨水，防止雨水进入集沙装置，避免恶劣天气对观测数据造成的不精准现象；二来，可以防止雨水

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进入集沙装置，避免造成对装置的损伤；三来，可以阻挡跃移质进入进沙孔8，造成实测数据量偏大的现象，增加测量的精确性；还可以阻挡鸟类的粪便等进入造成测量误差。第二，排气导管的设置可以减小风压差，提高实测数据的精度。第三，顶盖7上均匀铺设观测区物质，使得顶盖7的粗糙度与观测区的粗糙度一致，提高观测蠕移量的准确性。第四，自动调节高度设置，解决了因风蚀导致的地面高度下降的问题，提高了观测蠕移量的精确性。第五，重量传感器14的测量精度高，保证了数据测量的高精度。[0044]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

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