CN103743787A - 一种三轴试验土样含水量分布测试装置 - Google Patents

一种三轴试验土样含水量分布测试装置 Download PDF

Info

Publication number
CN103743787A
CN103743787A CN201310716835.2A CN201310716835A CN103743787A CN 103743787 A CN103743787 A CN 103743787A CN 201310716835 A CN201310716835 A CN 201310716835A CN 103743787 A CN103743787 A CN 103743787A
Authority
CN
China
Prior art keywords
soil sample
electrode
pellet
electrodes
test
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201310716835.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103743787B (zh
Inventor
冯怀平
岳祖润
杨志浩
常建梅
王志鹏
朱香会
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shijiazhuang Tiedao University
Original Assignee
Shijiazhuang Tiedao University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shijiazhuang Tiedao University filed Critical Shijiazhuang Tiedao University
Priority to CN201310716835.2A priority Critical patent/CN103743787B/zh
Publication of CN103743787A publication Critical patent/CN103743787A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103743787B publication Critical patent/CN103743787B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Abstract

一种三轴试验土样含水量分布测试装置，它包括恒流交流源、动态电压测试仪、计算机和多组片状电极，所述多组片状电极分别与柱状三轴样的各层土样相对应，每组包含四个片状电极，同组的四个片状电极沿对应土样层周向依次相隔45°粘贴于土样层与三轴膜之间，每组片状电极中距离最远的两个片状电极与中间两个片状电极交替与恒流交流源的两电极及动态电压测试仪的两个输入端连接，动态电压测试仪的输出端与电脑连接。本发明利用范德堡原理实现对土样含水量的实时、动态测量，由于采用了柔软的片状电极，本装置对土样的力学特性不会产生任何影响，大大提高了土样含水量的测试精度。

Description

一种三轴试验土样含水量分布测试装置
技术领域
本发明涉及一种可在三轴试验过程中精确测试土样含水量分布变化规律的装置，属于测试技术领域。 
背景技术
在三轴试验过程中，土样中含水量分布的测试对于研究土中水分的迁移与入渗规律至关重要，对于研究土的水-力学耦合性能有着极为重要的价值。如研究黄土中水分迁移规律有利于阻止黄土湿陷危害的发生，在冻土工程中水分迁移的测试是研究冻胀融沉机理的主要途径；特别是在动力作用下，水分入渗规律的测试，对于研究路基翻浆冒泥产生机理及消除方法的设计有着极为重要的意义。传统的测试方法主要是通过分层取土，然后采用烘干法测试各层含水率。然而，这种方法只能测试试验结束时刻的含水量分布，无法测试实验过程中的含水率分布变化，存在无法实时动态观测的弊病，无法掌握变化规律。另外，研究者们也提出了间接测试方法，这些方法主要是利用土样的介电常数、磁导率及电导率与土样含水率之间的关系，通过测试土样的这些参数间接获得土样的含水率，然而这些方法普遍存在一个问题是传感器（探针）必须植入土中，在三轴测试中植入探针会改变土样的力学性质，影响力学试验的精度；同时所有这些测试方法探头的体积都比较大，尺寸远大于三轴样本身，根本无法测试三轴样的含水率分布。有鉴于此，有必要开发一种精确、无扰动且精细的测试土样含水率方法以实现对三轴样含水率分布的测定。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种可精确测试土样含水量分布变化规律的三轴试验土样含水量分布测试装置。
本发明所述问题是以下述技术方案实现的：
一种三轴试验土样含水量分布测试装置，构成中包括恒流交流源、动态电压测试仪、计算机和多组片状电极，所述多组片状电极分别与柱状三轴样的各层土样相对应，每组包含四个片状电极，同组的四个片状电极沿对应土样层周向依次相隔45°粘贴于土样层与三轴膜之间，每组片状电极中距离最远的两个片状电极与中间两个片状电极交替与恒流交流源的两电极及动态电压测试仪的两个输入端连接，动态电压测试仪的输出端与电脑连接，该装置的测试步骤如下：
① 对于同一组片状电极，首先将距离最远的两个片状电极（第一电极a与第四电极d）与恒流交流源连接，并提供外恒定交流电流                                                
Figure 2013107168352100002DEST_PATH_IMAGE001
，电脑通过动态电压测试仪测试中间两电极（第二电极b与第三电极c）上的电压
Figure 861981DEST_PATH_IMAGE002
，然后改变接线方式，在中间两电极（第二电极b与第三电极c）之间施加内恒定交流电流
Figure 2013107168352100002DEST_PATH_IMAGE003
，测试距离最远的两个片状电极（第一电极a与第四电极d）上的电压
Figure 592170DEST_PATH_IMAGE004
；
② 计算内测试电阻
Figure 2013107168352100002DEST_PATH_IMAGE005
和外测试电阻
Figure 371908DEST_PATH_IMAGE006
，并利用公式：
Figure 2013107168352100002DEST_PATH_IMAGE007
式中：
Figure 829434DEST_PATH_IMAGE008
为试样直径，根据上式可计算出对应土层的电阻率
Figure 2013107168352100002DEST_PATH_IMAGE009
；
③ 利用上述方法依次计算出柱状三轴样中各层土样的电阻率；
④ 根据预先标定的电阻率与含水率的对应关系确定各层土样的含水率，从而获得土样含水量分布变化曲线。
上述三轴试验土样含水量分布测试装置，相邻两组片状电极在三轴样轴线方向上的间距不小于片状电极的宽度，多组片状电极交错布于柱状三轴样的两侧，以减少相邻电极对测试的干扰。
上述三轴试验土样含水量分布测试装置，所述片状电极采用镀铱钽的钛电极箔，电极引线通过U型端子与片状电极卡接。
上述三轴试验土样含水量分布测试装置，所述片状电极通过双面胶粘贴在三轴膜的内表面上。
本发明利用范德堡原理实现对土样含水量的实时、动态测量，由于采用了柔软的片状电极，本装置对土样的力学特性不会产生任何影响，大大提高了土样含水量的测试精度。本发明具有如下特点：
1.本发明具有实时、动态、无损伤、小巧和不影响土样的力学特性等优点，弥补了现有含水量测定方法中存在的破坏试样、探头体积大及影响土样力学性质等问题。
2.测试电极的大小、相对位置可灵活掌握，受外界和安装误差影响极小，同时，土样变形（直径变粗）对测试电阻率影响较小，具有便于操作且精度高的优点。
3.三轴实验主要反映土的力学特性，本装置的提出，拓展了力学与水分迁移的耦合实验研究的新途径。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明的结构示意图；
图2是片式电极的布置示意图；
图3是图2的后视图；
图4是A-A剖视图；
图5是典型土样电阻率与含水率的标定关系曲线。
图中各标号清单为：1、三轴膜；2、土样；3、片状电极；L1～L9、第一层土样～第九层土样；a～d、第一电极～第四电极。
文中各符号清单为：
Figure 643806DEST_PATH_IMAGE001
为外恒定交流电流，
Figure 466268DEST_PATH_IMAGE002
为中间两电极上的电压，
Figure 546351DEST_PATH_IMAGE003
为内恒定交流电流，
Figure 745251DEST_PATH_IMAGE004
为距离最远的两个片状电极上的电压，为内测试电阻，为外测试电阻，
Figure 224140DEST_PATH_IMAGE012
为土层的电阻率，
Figure 2013107168352100002DEST_PATH_IMAGE013
为土样含水率（%）。
具体实施方式
参看图1～图4，本发明包括切换开关、恒流交流源、动态电压测试仪、计算机和多组片状电极。
每组片状电极包括四个电极，四个片状电极贴附在土样表面，并通过四芯电缆与切换开关连接，然后通过切换开关与恒流交流源和动态电压测试仪连接。图1中的切换开关包括层间切换开关和电极切换开关，层间切换开关用于将不同土样层的片状电极接入测试回路，电极切换开关用于改变同组片状电极的接线方式。
本发明基于范德堡法（van der Pauw method）测试土样的电导率，在各层土样外表贴附片状电极，片状电极布置于土样一侧，根据范德堡法，距离最远的两片状电极之间施加恒流交变电流
Figure 774201DEST_PATH_IMAGE014
，则在其余两个片状电极上产生交变的电压
Figure 297586DEST_PATH_IMAGE002
，这个交变电压由动态电压测试仪采集，由此可以计算出测试电阻
Figure 2013107168352100002DEST_PATH_IMAGE015
，变换测试顺序可以得到，计算进而根据范德堡法确定该层土体的电导率或电阻率，利用实验前标定的该土样导电率或电阻率与含水量的关系式，可以求出此刻该层土体的含水量，并通过程序计算后显示在输出窗口。本发明具有实时，稳定性好、无损、测试范围精细和操作方便等优点，弥补了现有测定方法和设备的不足，其应用前景广阔。
本发明采用精密恒流交流源，电流的频率与大小可以调节，但在实验中电流大小可以保持恒定，采用交流电流避免了片状电极出现极化现象。
动态电压测试仪用于测试片状电极上产生的交变电动势，动态电压测试仪具有测试精度高，高效计算机互访，多通道扫描测试等优点。
片状电极采用镀铱钽的钛电极箔，有效防止了测试过程中的极化现象，同时箔片柔软光滑，有利于实现与土样的外圆曲面紧密贴合。片状电极长方形，尺寸为3×4mm，测试土层厚度为4mm。可以根据测试要求改变片状电极厚度，以调整测试土层分层厚度。
由于片状电极无法与导线焊接，为保证导线与片状电极之间的无间隙、牢固连接，本发明采用了铜片做成的U型端子，利用钢钳将U型端子固定在箔片上，然后导线与U型端子焊接。
片状电极的布置形式：单层土样中，相邻片状电极之间间隔45°布置于土体表面一侧；相邻土层的片状电极分别布置于土体两侧，层间距离由测试密度决定，但不应小于电极宽度，这种布置方式避免了电导率测试过程中片状电极的相互影响，提高了测试精度，同时也便于导线引出。
片状电极的安装方式：首先用双面胶将焊接好导线的片状电极粘贴在三轴膜内侧指定位置，放入土样后，利用三轴膜的回弹力以及压力室压力，使片状电极紧密地贴附在土样表面。
连接片状电极和切换开关的四芯电缆为单支多股纯铜丝漆包线，为增加电缆强度，电缆中添加加丝棉，漆包线外侧为硅胶皮防护，总厚度只有0.3mm，保证了导线的高强度、超导电性和高柔软性，导线细度也降低了导线对实验受力特性的影响。
图5是典型土样电阻率与含水率的标定关系曲线，为了便于对比可以将对比曲线拟合，进而得到土样含水率与电阻率之间的函数关系，如该实例可以拟合如下公式：
式中：
Figure 31373DEST_PATH_IMAGE013
为土样含水率（%），
Figure 306497DEST_PATH_IMAGE009
为电阻率（）。

Claims (4)

1.一种三轴试验土样含水量分布测试装置，其特征是，它包括恒流交流源、动态电压测试仪、计算机和多组片状电极，所述多组片状电极分别与柱状三轴样的各层土样相对应，每组包含四个片状电极，同组的四个片状电极沿对应土样层周向依次相隔45°粘贴于土样层与三轴膜之间，每组片状电极中距离最远的两个片状电极与中间两个片状电极交替与恒流交流源的两电极及动态电压测试仪的两个输入端连接，动态电压测试仪的输出端与电脑连接，该装置的测试步骤如下：
① 对于同一组片状电极，首先将距离最远的两个片状电极（第一电极a与第四电极d）与恒流交流源连接，并提供外恒定交流电流                                                
Figure 2013107168352100001DEST_PATH_IMAGE001
，电脑通过动态电压测试仪测试中间两电极（第二电极b与第三电极c）上的电压
Figure 794839DEST_PATH_IMAGE002
，然后改变接线方式，在中间两电极（第二电极b与第三电极c）之间施加内恒定交流电流
Figure 2013107168352100001DEST_PATH_IMAGE003
，测试距离最远的两个片状电极（第一电极a与第四电极d）上的电压
Figure 586077DEST_PATH_IMAGE004
；
② 计算内测试电阻
Figure 2013107168352100001DEST_PATH_IMAGE005
和外测试电阻，并利用公式：
Figure 2013107168352100001DEST_PATH_IMAGE007
式中：
Figure 975918DEST_PATH_IMAGE008
为试样直径，根据上式可计算出对应土层的电阻率
Figure 2013107168352100001DEST_PATH_IMAGE009
；
③ 利用上述方法依次计算出柱状三轴样中各层土样的电阻率；
④ 根据预先标定的电阻率与含水率的对应关系确定各层土样的含水率，从而获得土样含水量分布变化曲线。
2.根据权利要求1所述的一种三轴试验土样含水量分布测试装置，其特征是，相邻两组片状电极在三轴样轴线方向上的间距不小于片状电极的宽度，多组片状电极交错布于柱状三轴样的两侧，以减少相邻电极对测试的干扰。
3.根据权利要求1或2所述的一种三轴试验土样含水量分布测试装置，其特征是，所述片状电极采用镀铱钽的钛电极箔，电极引线通过U型端子与片状电极卡接。
4.根据权利要求3所述的一种三轴试验土样含水量分布测试装置，其特征是，所述片状电极通过双面胶粘贴在三轴膜的内表面上。
CN201310716835.2A 2013-12-23 2013-12-23 一种三轴试验土样含水量分布测试装置 Active CN103743787B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310716835.2A CN103743787B (zh) 2013-12-23 2013-12-23 一种三轴试验土样含水量分布测试装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310716835.2A CN103743787B (zh) 2013-12-23 2013-12-23 一种三轴试验土样含水量分布测试装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103743787A true CN103743787A (zh) 2014-04-23
CN103743787B CN103743787B (zh) 2016-06-08

Family

ID=50500825

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310716835.2A Active CN103743787B (zh) 2013-12-23 2013-12-23 一种三轴试验土样含水量分布测试装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103743787B (zh)

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104897734A (zh) * 2015-04-28 2015-09-09 石家庄铁道大学 土工结构物中土体含水率实时测量系统及方法
CN105116016A (zh) * 2015-08-26 2015-12-02 重庆大学 一种测试饱和土样含水率的方法
CN106093129A (zh) * 2016-06-03 2016-11-09 石家庄铁道大学 应用vdp法测试柱状土体电阻率或含水量的影响线法
CN106153644A (zh) * 2016-06-22 2016-11-23 湖南大学 非饱和土三轴试样含水量实时测试探头及测试装置
CN106680304A (zh) * 2016-06-22 2017-05-17 湖南大学 非饱和土三轴试样含水量实时测试方法
WO2018110219A1 (ja) * 2016-12-12 2018-06-21 株式会社村田製作所 Ｅｃセンサおよびそれを用いた圃場管理システム
CN109142681A (zh) * 2018-09-06 2019-01-04 太原理工大学 一种可控恒温可测电导率的新型土柱试验装置
CN110333269A (zh) * 2019-07-19 2019-10-15 中南大学 冻土水分迁移规律的无损式测量装置及其测量方法
CN110392827A (zh) * 2017-03-14 2019-10-29 赫姆霍兹-森德拉姆德雷斯顿-罗森多夫研究中心 用于表征测量对象的电阻的设备
CN111189702A (zh) * 2020-01-10 2020-05-22 甘肃省地震局（中国地震局兰州地震研究所） 一种用于静三轴电法研究粘土特性的装置
CN114199955A (zh) * 2022-01-05 2022-03-18 南京审计大学 一种柱体状的蜂窝陶瓷软土含水量测试探头装置
CN114965587A (zh) * 2022-08-03 2022-08-30 石家庄铁道大学 三轴压力室内土样电阻率分布测试装置及系统
CN114965586A (zh) * 2022-08-03 2022-08-30 石家庄铁道大学 基于电阻率法的三轴压力室内土样含水率测量方法
CN114993918A (zh) * 2022-08-03 2022-09-02 石家庄铁道大学 三轴压力室内土样渗透系数测量方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1920583A (zh) * 2005-08-26 2007-02-28 中国农业大学 多用途车载式土壤电导率实时测试仪
CN101609058A (zh) * 2009-07-23 2009-12-23 中国农业大学 一种土壤电导率测量装置和方法
US20110106451A1 (en) * 2008-11-04 2011-05-05 Colin Christy Multiple sensor system and method for mapping soil in three dimensions
CN102262183A (zh) * 2011-06-14 2011-11-30 中国科学院合肥物质科学研究院 基于电流-电压四端法检测土壤电导率的多组态检测装置
CN102854392A (zh) * 2012-09-04 2013-01-02 中国能源建设集团广东省电力设计研究院 一种土样室内电阻率测量方法及装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1920583A (zh) * 2005-08-26 2007-02-28 中国农业大学 多用途车载式土壤电导率实时测试仪
US20110106451A1 (en) * 2008-11-04 2011-05-05 Colin Christy Multiple sensor system and method for mapping soil in three dimensions
CN101609058A (zh) * 2009-07-23 2009-12-23 中国农业大学 一种土壤电导率测量装置和方法
CN102262183A (zh) * 2011-06-14 2011-11-30 中国科学院合肥物质科学研究院 基于电流-电压四端法检测土壤电导率的多组态检测装置
CN102854392A (zh) * 2012-09-04 2013-01-02 中国能源建设集团广东省电力设计研究院 一种土样室内电阻率测量方法及装置

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
孙宇瑞 等: "一种土壤电导率测量方法的数学建模与实验研究", 《农业工程学报》 *
曾庆猛 等: "面向车载式测量的土壤含水量与电导率复合传感器设计", 《农业机械学报》 *
熊俊 等: "《近代物理实验》", 31 August 2007 *

Cited By (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104897734B (zh) * 2015-04-28 2018-10-19 石家庄铁道大学 土工结构物中土体含水率实时测量系统及方法
CN104897734A (zh) * 2015-04-28 2015-09-09 石家庄铁道大学 土工结构物中土体含水率实时测量系统及方法
CN105116016A (zh) * 2015-08-26 2015-12-02 重庆大学 一种测试饱和土样含水率的方法
CN105116016B (zh) * 2015-08-26 2018-01-09 重庆大学 一种测试饱和土样含水率的方法
CN106093129B (zh) * 2016-06-03 2019-03-08 石家庄铁道大学 应用vdp法测试柱状土体电阻率或含水量的影响线法
CN106093129A (zh) * 2016-06-03 2016-11-09 石家庄铁道大学 应用vdp法测试柱状土体电阻率或含水量的影响线法
CN106153644A (zh) * 2016-06-22 2016-11-23 湖南大学 非饱和土三轴试样含水量实时测试探头及测试装置
CN106680304A (zh) * 2016-06-22 2017-05-17 湖南大学 非饱和土三轴试样含水量实时测试方法
CN106153644B (zh) * 2016-06-22 2018-12-14 湖南大学 非饱和土三轴试样含水量实时测试探头及测试装置
WO2018110219A1 (ja) * 2016-12-12 2018-06-21 株式会社村田製作所 Ｅｃセンサおよびそれを用いた圃場管理システム
JPWO2018110219A1 (ja) * 2016-12-12 2018-12-13 株式会社村田製作所 Ｅｃセンサおよびそれを用いた圃場管理システム
US11156574B2 (en) 2017-03-14 2021-10-26 Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf E.V. Apparatus for characterizing the electrical resistance of a measurement object
CN110392827A (zh) * 2017-03-14 2019-10-29 赫姆霍兹-森德拉姆德雷斯顿-罗森多夫研究中心 用于表征测量对象的电阻的设备
CN110392827B (zh) * 2017-03-14 2022-05-13 赫姆霍兹-森德拉姆德雷斯顿-罗森多夫研究中心 用于表征测量对象的电阻的设备
CN109142681A (zh) * 2018-09-06 2019-01-04 太原理工大学 一种可控恒温可测电导率的新型土柱试验装置
CN110333269A (zh) * 2019-07-19 2019-10-15 中南大学 冻土水分迁移规律的无损式测量装置及其测量方法
CN110333269B (zh) * 2019-07-19 2022-04-08 中南大学 冻土水分迁移规律的无损式测量装置及其测量方法
CN111189702A (zh) * 2020-01-10 2020-05-22 甘肃省地震局（中国地震局兰州地震研究所） 一种用于静三轴电法研究粘土特性的装置
CN114199955A (zh) * 2022-01-05 2022-03-18 南京审计大学 一种柱体状的蜂窝陶瓷软土含水量测试探头装置
CN114965587A (zh) * 2022-08-03 2022-08-30 石家庄铁道大学 三轴压力室内土样电阻率分布测试装置及系统
CN114965586A (zh) * 2022-08-03 2022-08-30 石家庄铁道大学 基于电阻率法的三轴压力室内土样含水率测量方法
CN114993918A (zh) * 2022-08-03 2022-09-02 石家庄铁道大学 三轴压力室内土样渗透系数测量方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN103743787B (zh) 2016-06-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103743787A (zh) 一种三轴试验土样含水量分布测试装置
CN111006802B (zh) 一种多模态可变胞柔性传感器及信号采集系统
CN104897734B (zh) 土工结构物中土体含水率实时测量系统及方法
Du et al. Graphene microelectrode arrays for neural activity detection
CN104792255B (zh) 一种膜厚测试装置及膜厚测试方法
CN106618569A (zh) 一种电极‑皮肤间接触阻抗的测量装置及方法
CN102445574B (zh) 环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头及方法
CN100450436C (zh) 基于微针电极的电阻抗层析成像仪及其微创式测量方法
CN203772786U (zh) 芯片式叉指阵列电极阻抗传感器
CN103267597A (zh) 基于压阻材料的电阻率成像柔性压力检测系统及检测方法
CN214149645U (zh) 一种基于弹性布的柔性可穿戴压力传感器
CN104062503B (zh) 用于离体生物组织电阻抗测量的数据采集装置
CN105509937B (zh) 一种压感传感器、压力检测方法及制造工艺
CN103654777B (zh) 测量生物体电阻抗的装置
Kanoun Impedance spectroscopy advances and future trends: A comprehensive review
Chen et al. Fabrication of wearable hydrogel sensors with simple ionic-digital conversion and inherent water retention
CN203789925U (zh) 一种横向排列的生物阻抗测量探针
CN104090164B (zh) 一种基于压缩感知原理的导体电导率一维分布的测量方法和装置
CN202654128U (zh) Eit实验电阻板模拟装置
CN103776760A (zh) 接地网降阻剂检测装置及系统
CN115808569A (zh) 一种基于多谐振荡器测量纳米复合材料压阻式传感器电阻的方法
CN107354087B (zh) 一种基于可降解生物传感器的心肌细胞生长状态监控系统
CN205562090U (zh) 一种压感传感器
KR20200051350A (ko) 다층 구조 압력 센서를 이용한 압력 분포 영상화 장치 및 방법
Armando et al. A computational model for the design optimization of multi-electrode arrays by aerosol-jet printing

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant