人工气候环境模拟器控制开发模拟与应用

摘要：气候环境的人工模拟是试验室研究特定气候特别是极端气候条件下灾害发生机理、土壤特性变化、工程结构安全性和耐久性等方面的重要课题。本文从研究人工气候环境发生器系统组成、工作过程出发，研制了该系统的工作及控制电路，编写了相应的单片机控制程序，开发了相应的硬件，并在极端气候条件下的土壤裂隙发生发展规律研究中获得成功应用。

关键词：人工气候环境 模拟器 控制 应用

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0128-01

气候环境的模拟是实验室基础试验条件研究中的热点问题，通过模拟自然气候环境特别是极端气候环境，可为开展特定气候条件下的科学问题研究创造条件。如开发环境发生器，实现对温度、湿度、降雨等气候环境变量的模拟，可研究极端气候条件下的灾害发生机理、土壤特性变化、工程结构的安全性和耐久性等[1]。

1 人工气候条件模拟器工作过程

本文研制的人工气候环境条件下土壤的裂隙发生发展规律试验，需要模拟温度、湿度、降雨（含酸雨）以及各类极端气候条件，可以在室内人工环境内测定土壤裂隙的发生规律，研究土体参数的变化。根据试验要求，本试验需要的人工环境模拟器系统包括温、湿度传感器、传感器电路、A/D转换、信息反馈处理CPU、显示电路、控制输出电路，降雨系统以及加热与加湿系统，如图1所示。

2 模拟器系统组成及控制电路

根据模拟器系统组成及结构，研制并选配的模拟器主要构件包括：玻璃纤维加热带、超声波加湿机、人工降雨器、饱和缸、温湿度传感器、控制电板、真空泵。其中饱和缸的尺寸：φ50cm×50cm（H）；温度范围：0～75℃；升温速率：从30℃升到40℃，時间不大于1小时；湿度范围：0～95%RH；降雨面积：3.14×25cm×25cm；降雨类型：根据需要任意调节，可产生均匀型、递降型，峰值型和递增型等降雨类型。本模拟器具有如下功能[2]：

能对土样进行饱和，开展各种重塑土的饱和试验；对岩土试样进行恒温恒湿试验，保证试验环境的可控制性；模拟干旱、降雨（酸雨）及其耦合的各种工况下，研究岩土力学性质变化；研究非饱和土在环境效应影响下的力学响应等；模拟器的原理图及控制系统电路图图2所示。

3 土壤裂隙试验应用

粘土在大气营力（主要是降雨、蒸发和温度）的作用下容易产生裂隙，裂隙的存在破坏了土体的完整性，使土体力学性质发生变化，造成边坡发生坍塌滑坡灾害。同时也存在由于裂隙的不断演化，在施工初期处于稳定状态的边坡，随着气候的周期变化逐渐发生失稳滑动。因此研究粘土裂隙随气候的演化规律，对土质边坡的设计和边坡失稳的早期预测预报是有较大意义的。

4 结语

本文针对气候环境的人工模拟，分析并提出了模拟器的系统组成及工作过程，研制了该模拟器的系统结构图、工作电路图，编写了相应的单片机控制程序，开发了相应的硬件，并在此设备完成了干湿循环作用下土体裂缝演化过程实验研究，实验结果表明，随着环境温度的增加，试验土样裂缝形态越来越简单，裂隙越来越宽。

参考文献

[1]王俊，黄本诚，万才大，等.环境模拟技术[M].北京：国防工业出版社，1996.

[2]张林华.多环境参数人工模拟技术研究[D].西安：西安建筑科技大学，2005.

收稿日期：2016-09-23

作者简介：罗才高（1973—），男，湖北松滋人，硕士研究生，毕业于三峡大学，副教授，研究方向：教育装备与信息化发展。