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蒸渗仪(Lysimeter)是研究水文循环中的土壤水分下渗、地表径流和地下径流、水分蒸散蒸发等的一类测量装置。高精度的蒸渗仪可以准确测量农田中土壤蒸发以及土壤水分渗透量,对于研究农作物的生长过程,定量分析农田水分平衡量以及实现农业现代化生产管理具有重要的科研作用。 本文在总结了蒸渗仪的发展历程、应用范围和称重方式变化的基础上,提出了以光纤布拉格光栅作为蒸渗仪核心称重传感元件的测量方式,完成了主要结构的设计与实验验证。主要包括以下几项内容: 首先介绍了蒸渗仪的测量原理,确定了蒸渗仪称重杠杆机构的比例和各级参数,建立称重式蒸渗仪杠杆部分的数学模型,对整体结构的稳定性进行了分析,并分析计算了杠杆机构全尺寸误差。 其次研究了光纤布拉格光栅的传感原理,对光纤布拉格光栅传感器的各类结构做了介绍与分析,结合蒸渗仪的应用环境和结构等特点选择了适用于蒸渗仪测量方式的结构;采用有限单元法对设计的弹性体结构进行应力应变的计算和分析;为提高蒸渗仪测量精度,对光纤光栅传感器增加敏感度,进一步优化了弹性体尺寸参数。 最后搭建了光纤布拉格光栅传感器试验系统,设计了传感器性能试验的测试方法,对4个单支光栅的灵敏度做了测试,并且对温度补偿方法的有效性进行验证,对所设计的传感器各项静态性能做了完整系统的测试与分析。实验结果表明,所设计的应变式光纤布拉格光栅称重传感器能较好地满足设计要求,其量程为6kg,灵敏度1517.6pm/kg。