具体实施方式

如图1~4所示，一种模拟行星土壤中水分子迁移的试验装置，该装置由置于真空舱20内的本体以及置于真空舱20外的数据采集系统和星表模拟环境控制系统构成。

本体包括水平底座1、称重系统、样品舱和与真空舱20相连的分体式电感调频位移传感器；水平底座1的下表面四角分布有与设在真空舱20内液氮管上的平板相接触的调平螺栓3，上表面分别设有水平液泡2、电感调频位移传感器支架4、称重支座，该电感调频位移传感器支架4上设有分体式电感调频位移传感器；称重支座上设有称重系统，该称重系统上设有样品舱，并与分体式电感调频位移传感器相连；称重系统、分体式电感调频位移传感器、星表模拟环境控制系统分别与数据采集系统相连。

其中：称重支座由平台板7和置于平台板7底部的一对竖向撑腿6组成；竖向撑腿6垂直于水平底座1；平台板7的中心位置分布有穿线孔8。

称重系统包括置于称重支座中的平台板7上的下弹簧支座12、通过弱温敏弹簧10与下弹簧支座12相连的上弹簧支座11以及置于上弹簧支座11上的承物板9；平台板7的上表面设有下滑轮组14；承物板9的下表面设有上滑轮组13；平台板7上设有栓线柱15，该栓线柱15上连有无弹软细绳16；无弹软细绳16依次穿过上滑轮组13和下滑轮组14的各个滑轮，并穿过平台板7的穿线孔8与分体式电感调频位移传感器的电感调频位移传感器测杆17的上端相连；承物板9上设有样品舱；承物板9和平台板7的侧面分别与数据采集系统相连。

无弹软细绳16、上滑轮组13以及下滑轮组14在称重系统中对弱温敏弹簧10的位移数据进行放大，起到了位移放大作用。无弹软细绳16在上滑轮组13和下滑轮组14间交替穿过，且均保持无弹软细绳16处于竖直状态，放大倍数为整数倍，相应测试精度较高。

优选的，当采用斜线穿线方案时，可以增大上滑轮组13、下滑轮组14、无弹软细绳16组成系统对位移的放大倍率更大，且放大倍数为变量，在实际使用中需进行准确标定。

承物板9的下表面四角位置固定有上弹簧支座11。上滑轮组13、下滑轮组14、栓线柱15、穿线孔8以及承物板9的中心呈中心对称分布，以保证分布在承物板9四角的弱温敏弹簧10处于同步压缩状态。

弱温敏弹簧10的使用可以最大程度地降低温度对测试精度的影响，在实际使用中可根据目标试验温度选用对应温度条件下的弱温敏弹簧。

分体式电感调频位移传感器包括置于电感调频位移传感器套管5内的电感调频位移传感器测杆17和电感调频位移传感器外置部分18；电感调频位移传感器套管5垂直于水平底座1，该电感调频位移传感器套管5嵌入电感调频位移传感器支架4的中心；电感调频位移传感器套管5的底部通过线缆19与电感调频位移传感器外置部分18、数据采集系统相连；电感调频位移传感器测杆17的顶部与称重系统的无弹软细绳16相连。即：电感调频位移传感器套管5的电信号通过线缆19依次经布设在真空舱20上的航空插头穿墙单元21传输至电感调频位移传感器外置部分18内，之后通过线缆19将电信号传输至与数据采集模块22相连。

电感调频位移传感器测杆16和电感调频位移传感器套管5是位移测量组件之一，电感调频位移传感器外置部分18指常规电感调频电路中在真空和低温等极端环境中失效或无法存活的组件。通过滑轮组对承物板9位移的放大，电感调频位移传感器组件可以较为准确地获取水分散失量。

样品舱包括通过螺纹27连接的用于装填星表模拟覆盖物的上试样罐23和用于承载冰或液态水的下试样罐24；上试样罐23与下试样罐24的侧面均开设有传感器孔26；下试样罐24的顶部开口，其底部封闭；上试样罐23的顶部开口，其底部开口并安装有超细孔钢网29；上试样罐23与下试样罐24相接处设有耐低温密封圈28。通过耐低温密封圈28达到密封效果，具体使用过程中上试样罐23可根据试验需求选用相应高度的罐体。

数据采集系统包括布设在样品舱侧面传感器孔26内的温度传感器25、布设在样品舱顶部的浓度传感器34、传输电信号的线缆19、线圈段线缆35、位于真空舱20上的航空插头穿墙单元21、数据采集模块22和数据处理终端36；线圈段线缆35两端分别通过线固定卡37固定在称重系统的承物板9和平台板7的侧面；航空插头穿墙单元21通过线缆19分别与线圈段线缆35、数据采集模块22、分体式电感调频位移传感器的电感调频位移传感器套管5和电感调频位移传感器外置部分18相连；温度传感器25、浓度传感器34分别与数据采集模块22相连，该数据采集模块22与数据处理终端36相连。

星表模拟环境控制系统由与真空舱20的出气口相接的真空泵组30（包括机械泵和分子泵等）、通过循环泵31与液氮舱相连的盘设在真空舱20内壁的液氮管、位于真空舱20内壁顶部的与真空舱20相匹配的热光源32以及环境模型试验舱控制终端33组成；真空泵组30上设有控制真空舱20压强的真空计；液氮管上设有控制真空舱20温度的温控计；热光源32、真空计、温控计分别与环境模型试验舱控制终端33相连。

本发明的工作原理：

控制真空舱20内环境至星表模拟环境，在星表模拟环境下，位于下样品罐24内的水分通过位于上样品罐23内的星表模拟覆盖物而挥发，位于承物台9下四角位置被压缩的弹簧10随之被逐渐释放，承物台9上升，带动电感调频位移传感器测杆17上升，并通过电感调频位移传感器套管5和电感调频位移传感器外置部分18转化为电信号记录在数据采集模块22内。

该水分在星表土体中的扩散试验装置的使用方法，包括以下步骤：

该模拟行星土壤中水分子迁移的试验装置的使用方法，包括以下步骤：

⑴将冰或液态水装入下试样罐24中，并将温度传感器25经罐体侧壁传感器孔26穿入下试样罐24后密封，再将上试样罐23与下试样罐24通过螺纹27密封连接。

⑵按试验要求将星表模拟覆盖物填入上试样罐23中，并按试验要求将温度传感器25经罐体侧壁传感器孔26穿入上试样罐23后密封。

⑶将本体放置在真空舱20中，将水平液泡2放置在水平底座1上，调节调平螺栓3至水平底座1水平后，将水平液泡2取出，以免控制模拟环境压强时，因水平液泡2破裂损坏试验仪器。

⑷将步骤⑵所得的样品舱放入置于真空舱20外的液氮槽中，在控制液氮不进入试样中的条件下，将试样温度降低至-196℃后，从液氮中取出并放置在承物板9的中心位置，关闭真空舱20的舱门。

⑸依次打开星表模拟环境控制终端33、真空泵组30，待真空舱20内环境压强满足循环泵31启动的要求后，打开循环泵31对真空舱20内的温度进行控制；之后逐步控制环境温度和压强达到预定试验要求；若试验过程需对环境可见光辐射进行模拟，待真空舱20内的环境真空度和试样温度低于试验要求的温度点后，打开热光源32，逐步控制真空舱20内温度、压强、可见光辐射至目标星表模拟环境。

⑹当真空舱20内的星表模拟环境的温度、压强及辐射条件稳定后，打开数据采集模块22和数据处理终端36，绘制分体式电感调频位移传感器测得的位移数据随时间变化的曲线；当该曲线的斜率基本稳定时，表明水分散失过程进入稳定状态，获取电感调频位移传感器测杆17的位置为x，对稳定状态下各传感器数据进行连续监测采集，获得经过时间后，电感调频位移传感器测杆17的位移为。

⑺按试验要求改变星表模拟环境可见光辐射条件和温度条件，以对星表模拟环境处于动态变化条件下的水分散失过程进行试验，并根据星表模拟环境的变化情况设置相匹配的传感器采集频率。

⑻试验完成后，首先关闭真空泵组30，待达到循环泵31关闭条件时，逐步关闭循环泵31，最后关闭热光源32，并整理试验数据。

本发明装置试验完成后散失速率计算方法如下所述：

为便于说明，利用图2所示的实施例对本发明进行说明，如图2所示，上弹簧垫块11厚度与上滑轮组13轴心高度相同，均为a，下弹簧垫块12和下滑轮组14的轴心高度一致；弱温敏弹簧10的弹性系数为k，上下滑轮组轴心间的距离为L，由图2可以看出，当承物台9的竖向位移为∆L时，由于滑轮组系统的位移放大作用，电感调频位移传感器测得的12倍，

设某一时间段t内电感调频位移传感器测得的位移变化量为x，那么承物台9竖向位移为；弱温敏弹簧10受到压力减小量为。

承物台9的试样水分散失量与弱温敏弹簧10绳索量间可建立如下等式：

时间段t内试样罐内水分散失质量m为：

星表模拟环境下水分散失速率v为：

试样中埋设了温度传感器，上试样罐体积越大，上试样罐温度均匀性越差，相应的温度梯度也越明显，结合试样表面放置的湿度传感器，可对上试样罐中模拟星表环境下，相应模拟覆盖物中的水分扩散参数进行进一步深入研究。