人工氣候環境模擬器控制開發模擬與應用

摘要：氣候環境的人工模擬是試驗室研究特定氣候特別是極端氣候條件下災害發生機理、土壤特性變化、工程結構安全性和耐久性等方面的重要課題。本文從研究人工氣候環境發生器系統組成、工作過程出發，研制了該系統的工作及控制電路，編寫了相應的單片機控制程序，開發了相應的硬件，并在極端氣候條件下的土壤裂隙發生發展規律研究中獲得成功應用。

關鍵詞：人工氣候環境 模擬器 控制 應用

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0128-01

氣候環境的模擬是實驗室基礎試驗條件研究中的熱點問題，通過模擬自然氣候環境特別是極端氣候環境，可為開展特定氣候條件下的科學問題研究創造條件。如開發環境發生器，實現對溫度、濕度、降雨等氣候環境變量的模擬，可研究極端氣候條件下的災害發生機理、土壤特性變化、工程結構的安全性和耐久性等[1]。

1 人工氣候條件模擬器工作過程

本文研制的人工氣候環境條件下土壤的裂隙發生發展規律試驗，需要模擬溫度、濕度、降雨（含酸雨）以及各類極端氣候條件，可以在室內人工環境內測定土壤裂隙的發生規律，研究土體參數的變化。根據試驗要求，本試驗需要的人工環境模擬器系統包括溫、濕度傳感器、傳感器電路、A/D轉換、信息反饋處理CPU、顯示電路、控制輸出電路，降雨系統以及加熱與加濕系統，如圖1所示。

2 模擬器系統組成及控制電路

根據模擬器系統組成及結構，研制并選配的模擬器主要構件包括：玻璃纖維加熱帶、超聲波加濕機、人工降雨器、飽和缸、溫濕度傳感器、控制電板、真空泵。其中飽和缸的尺寸：φ50cm×50cm（H）；溫度范圍：0～75℃；升溫速率：從30℃升到40℃，時間不大于1小時；濕度范圍：0～95%RH；降雨面積：3.14×25cm×25cm；降雨類型：根據需要任意調節，可產生均勻型、遞降型，峰值型和遞增型等降雨類型。本模擬器具有如下功能[2]：

能對土樣進行飽和，開展各種重塑土的飽和試驗；對巖土試樣進行恒溫恒濕試驗，保證試驗環境的可控制性；模擬干旱、降雨（酸雨）及其耦合的各種工況下，研究巖土力學性質變化；研究非飽和土在環境效應影響下的力學響應等；模擬器的原理圖及控制系統電路圖圖2所示。

3 土壤裂隙試驗應用

粘土在大氣營力（主要是降雨、蒸發和溫度）的作用下容易產生裂隙，裂隙的存在破壞了土體的完整性，使土體力學性質發生變化，造成邊坡發生坍塌滑坡災害。同時也存在由于裂隙的不斷演化，在施工初期處于穩定狀態的邊坡，隨著氣候的周期變化逐漸發生失穩滑動。因此研究粘土裂隙隨氣候的演化規律，對土質邊坡的設計和邊坡失穩的早期預測預報是有較大意義的。

4 結語

本文針對氣候環境的人工模擬，分析并提出了模擬器的系統組成及工作過程，研制了該模擬器的系統結構圖、工作電路圖，編寫了相應的單片機控制程序，開發了相應的硬件，并在此設備完成了干濕循環作用下土體裂縫演化過程實驗研究，實驗結果表明，隨著環境溫度的增加，試驗土樣裂縫形態越來越簡單，裂隙越來越寬。

參考文獻

[1]王俊，黃本誠，萬才大，等.環境模擬技術[M].北京：國防工業出版社，1996.

[2]張林華.多環境參數人工模擬技術研究[D].西安：西安建筑科技大學，2005.

收稿日期：2016-09-23

作者簡介：羅才高（1973—），男，湖北松滋人，碩士研究生，畢業于三峽大學，副教授，研究方向：教育裝備與信息化發展。