CN100595593C - 电磁波测试土体介电常数的测试方法 - Google Patents

电磁波测试土体介电常数的测试方法 Download PDF

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本发明公开了一种电磁波测试土体介电常数的测试方法。传感器通过同轴电缆和电磁波反射器相连接，电磁波发射器与PC机相连接。能够避免由于传统电磁波方法中材料的高电导率所引起的电磁波消散的情况，可以测试高电导率土体的介电常数，且不受土体盐碱度的影响。本发明能够实现对化学加固土、高有机质土、高含水量高塑性粘土等高电导率土体的介电常数测试，是一种安全、快速、准确的土体介电常数测试方法，也为测试高电导率土体含水量打下基础。

Description

电磁波测试土体介电常数的测试方法
技术领域
本发明涉及利用电磁波反射的检测方法，尤其是涉及一种电磁波测试土体介电常数的测试方法。
背景技术
工程上可以利用电磁波方法现场测试土体含水量。美国现场含水量测试标准ASTM6780是利用TDR(电磁波时域反射方法)测试土体含水量，先需要先测定土体的介电常数，然后通过室内标定方程得到土体的含水量。传统的TDR方法测试土体的介电常数是用行程时间法，是根据电磁波在不同介电常数的土体中传播速度不同，先得到电磁波在测试土体的传播时间。而传播时间是根据电磁波在传感器中的第一个反射点和末端反射点来确定。对于高电导率土体，电磁波会在土体中传播时有很大的能量损耗，引起电磁波的消散，这种情况下很难准确确定末端反射点。所以传统的TDR方法难以测试高电导率土体的介电常数，从而得到它的含水量。而在实际工程中，高电导率的化学加固土的含水量又是一个很重要的物理参数，所以本发明介绍了一种新的测试高电导率土体介电常数的测试装置和方法，为测试其含水量打下基础。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电磁波测试土体介电常数的测试方法，尤其是高电导率土体介电常数的测试。
本发明采用的技术方案如下：
一、一种电磁波测试土体介电常数的测试方法，该方法的步骤如下：
1)将所要测试的土体按照土工试验标准击实方法在击实桶中击实，使土体高度与击实桶平齐，在中心打入不锈钢探针；
2)在击实桶上端放上不锈钢环，同轴测头上的不锈钢块下端的中心装有第一根螺杆，不锈钢块下端的同一圆周上等分安装有第二、三、四根螺杆，露出在不锈钢块下端的四根螺杆等长，然后将四根测试杆接到四根螺杆上，然后将接上测试杆的同轴测头放在不锈钢环上，不锈钢探针与第一根测试杆相接触，第二、三、四根测试杆与不锈钢环相接触；
3)接上同轴电缆和TDR测试仪器，打开PC，利用TDR仪器自带的PMTDR软件采集波形，土体介电常数
Figure C20081006139100041
k为与仪器有关的标定常数，在本方法中k取1，式中ρ3为土体表面反射系数，可以通过下面的式子求得：ρ1＝ρ1f(1)
Figure C20081006139100042
Figure C20081006139100043
其中ρ1f为TDR测试波形上同轴测头和同轴电缆交界面的反射系数，ρ2f为测试波形上测试杆和同轴测头交界面的反射系数，ρ3f为测试波形上土体表面的反射系数，它们的取值方法如下，利用Svitzky和Golay 1964年所述的对波形求一次导数的方法，对TDR测试波形求导，得到一个横坐标为时间，纵坐标为反射系数的一次导数的波形，在波形上得到同轴测头、测试杆、土体三个交界面的反射结束时时间t1、t2和t3，然后找到对应TDR测试波形上纵坐标的值，即为ρ1f、ρ2f、ρ3f的取值；通过式(1)求得ρ1，将ρ1代入式(2)求得ρ2，再将ρ1、ρ2代入式(3)求得ρ3。
二、一种电磁波测试土体介电常数的测试装置：
传感器通过BNC接头经同轴电缆与电磁波发射器相连接，电磁波发射器与PC机连接；所述的传感器包括同轴测头和同轴测试桶，其中：
1)同轴测头：包括不锈钢块、四根测试杆和四根螺杆，在不锈钢块中心开有上端小、下端大的阶梯孔，小孔中装有BNC接头，不锈钢块下端的大孔中填充树脂块并在中心装有第一根螺杆，不锈钢块下端的同一圆周上等分安装有第二、三、四根螺杆，露出在不锈钢块下端的四根螺杆等长，每一根螺杆下均分别装有等长的测试杆；
2)同轴测试桶：包括不锈钢探针、中空的击实桶、不锈钢环和绝缘底座，装满测试土体的击实桶中心插入不锈钢探针，不锈钢探针与不锈钢块下端中心的第一根测试杆同轴，击实桶放在绝缘底座定位，击实桶上端盖上不锈钢环。
本发明具有的有益效果是：
能够避免由于传统电磁波方法中材料的高电导率所引起的电磁波消散的情况，可以测试高电导率土体的介电常数，且不受土体盐碱度的影响。本发明能够实现对化学加固土、高有机质土、高含水量高塑性粘土等高电导率土体的介电常数测试，是一种安全、快速、准确的土体介电常数测试方法，也为测试高电导率土体含水量打下基础。
附图说明
图1是本发明的测试装置结构示意图。
图2是同轴测头和测试杆的结构示意图。
图3是同轴测试桶的结构示意图。
图4是探针定位模具的结构示意图。
图5是对典型TDR测试波形波形纵坐标的一次求导后的图。
图6是典型TDR测试波形波形。
图7是测试装置k值的标定曲线。
图中：1、PC机，2、电磁波发射器，3、同轴电缆，4、BNC接头，5、传感器，6、同轴测头，7、测试杆，8、同轴测试桶，9、不锈钢块，10、树脂块，11、螺杆，12、弹簧，13、不锈钢探针，14、击实桶，15、不锈钢环，16、绝缘底座，17、土表面，18、探针定位模具
具体实施方式
如图1、图2、图3、图4所示，本发明传感器5通过BNC接头4经同轴电缆3与电磁波发射器2相连接，电磁波发射器2与PC机1连接；所述的传感器5包括同轴测头6和同轴测试桶8，其中：
1)同轴测头6：包括不锈钢块9、四根测试杆7和四根螺杆11，在不锈钢块9中心开有上端小、下端大的阶梯孔，小孔中装有BNC接头4，不锈钢块9下端的大孔中填充树脂块10并在中心装有第一根螺杆11，不锈钢块9下端的同一圆周上等分安装有第二、三、四根螺杆11，露出在不锈钢块9下端的四根螺杆11等长，每一根螺杆11下均分别装有等长的测试杆7；
2)同轴测试桶8：包括不锈钢探针13、中空的击实桶14、不锈钢环15和绝缘底座16，装满测试土体的击实桶14中心插入不锈钢探针13，不锈钢探针13与不锈钢块9下端中心的第一根测试杆7同轴，击实桶14放在绝缘底座16定位，击实桶14上端盖上不锈钢环15。
所述的同轴测头6中不锈钢块9直径为140～180mm，高度为50mm～80mm，树脂块10为聚甲醛树酯材料，等长的四根螺杆11长度为30～40mm，第二、三、四根螺杆均匀分布在半径r为60～70mm的圆周上，第二、三、四根螺杆中任意一根螺杆通过弹簧与不锈钢块9弹性连接，可以在竖直方向上下移动；等长的测试杆7长度L为200～300mm。
所述的同轴测试桶8中击实桶14高度h为110～120mm，内直径D为100～110mm；不锈钢探针13直径d为8～10mm；不锈钢环15高度c为30～40mm，绝缘底座16为聚甲醛树酯材料，通过绝缘底座16上的支架将击实桶14固定；
如图1所示，传感器分别经同轴电缆通过BNC接头与电磁波发射器相连接，电磁波发射器与PC机连接；所述的传感器包括同轴测头、同轴测试桶；其中同轴测头：包括不锈钢块、四根测试杆和四根螺杆，在不锈钢块中心开有上端小、下端大的阶梯孔，小孔中装有BNC接头，不锈钢块下端的大孔中填充树脂块并在中心装有第一根螺杆，不锈钢块下端的同一圆周上等分安装有第二、三、四根螺杆，露出在不锈钢块下端的四根螺杆等长，每一根螺杆下均分别装有等长的测试杆；同轴测试桶：包括不锈钢探针、中空的击实桶、不锈钢环和绝缘底座，装满测试土体的击实桶中心插入不锈钢探针，不锈钢探针与不锈钢块下端中心的第一根测试杆同轴，击实桶放在绝缘底座定位，击实桶上端盖上不锈钢环。
所述的电磁波发射器为美国Campbell Scientific公司的产品TDR100。
所述的同轴电缆为型号RG58A/U的同轴电缆，其长度为1～2米。
数据采集及处理采用Campbell公司开发的PMTDR软件。
测试时先固定好击实桶，将所要测试的土体按照土工试验标准击实方法击实到击实桶，并用刮刀整平击实桶的土体，使土体高度与击实桶平齐；然后放上探针定位模具18(如图4(a)、(b)所示)，使模具下表面紧贴土面17，然后用小锤打入不锈钢探针13；取下模具，放上不锈钢环15；保证不锈钢环15在击实桶14上面且与其紧密接触，将连接好四根测试杆7的同轴测头6放在不锈钢环15上面，保证第一测试杆在不锈钢探针上端并紧密接触，第二、三、四测试杆与不锈钢环紧密接触；接上同轴电缆和TDR测试仪器，打开PC，利PCTDR软件采集波形，测试装置结构的连接如图1所示，典型的测试波形如图6所示，对测试波形按照Svitzky和Golay(1964)所述的对波形求一次导数的方法，得到一个横轴为时间，纵轴为反射系数的一次导数的波形如图5所示。分析图5中的波形，找到波形在20～30ns中的三个明显波峰，其中第一个波峰出现在24ns附近，且波峰凸起的方向向上；第二个波峰出现在25ns附近，且波峰凸起的方向向上；第三个波峰出现在27ns附近，且波峰凸起的方向向下。三个波峰的结束点(如图5所示)即为TDR脉冲在第一次反射、第二次反射和第三次反射结束时时间t1、t2和t3，然后找到对应TDR测试波形上横坐标为t1、t2和t3的点所对应的纵坐标的值，即为ρ1f、ρ2f、ρ3f的取值。ρ3可以通过下面的式子求得：ρ1＝ρ1f(1)
Figure C20081006139100071
Figure C20081006139100072
土体介电常数可以通过下式求得：
Figure C20081006139100073
k为与仪器有关的标定常数，k可以近似取1，也可以采用标定方法得到，标定方法如下，利用介电常数已知的溶液(去离子水为79.90，无水乙醇17.70，丁醇为25.20)，按照本文所述的测试方法测试其TDR波形，并求得各自溶液的表面反射系数ρ3，然后利用函数(y＝kx)对
Figure C20081006139100074
进行线性拟和，得到斜率k，如图7所示。则k为仪器的标定常数。

Claims (1)

1、一种电磁波测试土体介电常数的测试方法，其特征在于该方法的步骤如下：
1)将所要测试的土体按照土工试验标准击实方法在击实桶中击实，使土体高度与击实桶平齐，在中心打入不锈钢探针；
2)在击实桶上端放上不锈钢环，同轴测头上的不锈钢块下端的中心装有第一根螺杆，不锈钢块下端的同一圆周上等分安装有第二、三、四根螺杆，露出在不锈钢块下端的四根螺杆等长，然后将四根测试杆接到四根螺杆上，然后将接上测试杆的同轴测头放在不锈钢环上，不锈钢探针与第一根测试杆相接触，第二、三、四根测试杆与不锈钢环相接触；
3)接上同轴电缆和TDR测试仪器，打开PC，利用TDR仪器自带的PMTDR软件采集波形，土体介电常数
Figure C2008100613910002C1
k为与仪器有关的标定常数，在本方法中k取1，式中ρ3为土体表面反射系数，可以通过下面的式子求得：ρ1＝ρ1f(1)
Figure C2008100613910002C2
其中ρ1f为TDR测试波形上同轴测头和同轴电缆交界面的反射系数，ρ2f为测试波形上测试杆和同轴测头交界面的反射系数，ρ3f为测试波形上土体表面的反射系数，它们的取值方法如下，利用Savitzky和Golay 1964年所述的对波形求一次导数的方法，对TDR测试波形求导，得到一个横坐标为时间，纵坐标为反射系数的一次导数的波形，在波形上得到同轴测头、测试杆、土体三个交界面的反射结束时时间t1、t2和t3，然后找到对应TDR测试波形上纵坐标的值，即为ρ1f、ρ2f、ρ3f的取值；通过式(1)求得ρ1，将ρ1代入式(2)求得ρ2，再将ρ1、ρ2代入式(3)求得ρ3。
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